2025-06-13
英文标题：Cross-tissue human fibroblast atlas reveals myofibroblast subtypes with distinct roles in immune modulation
中文题目：跨组织的人成纤维细胞图谱揭示了具有不同免疫调节功能的肌成纤维细胞亚型
期刊：Cancer Cell
影响因子：48.8
发表时间：2024.09.17
DOI号：10.1016/j.ccell.2024.08.020
Highlights
1.跨组织和疾病的人类成纤维细胞图谱揭示了多种成纤维细胞亚型。
2.病理状态会重塑成纤维细胞的转录组与细胞组成。
3.PI16⁺和 LRRC15⁺成纤维细胞与功能迥异的免疫微环境相关联。
4.MMP1⁺肌成纤维细胞促进免疫抑制性微环境的形成
一、研究背景
成纤维细胞在维持组织稳态、炎症反应、纤维化、伤口愈合及癌症进展中发挥核心作用,但其异质性及起源细胞类型尚不明晰。肿瘤微环境（TME）中，癌症相关成纤维细胞（CAFs）在高度异质性和可塑性，阻碍靶向治疗。
既往单细胞研究局限于单一组织或病理状态，缺乏跨组织/疾病的系统性比较 （因技术差异和样本规模有限）。单细胞转录组学与空间分析等技术的进步，为深入探究成纤维细胞的多样性及功能提供了有力工具。解析成纤维细胞在疾病微环境中的特性与作用机制，对理解疾病发展、开发针对性治疗策略至关重要。
二、研究材料与方法
研究材料
1.样本：517 例人类样本，涵盖 11 种组织（肺、乳腺、结肠等），包括健康（120 例）、炎症（187 例）、癌前病变（55 例）、癌症及转移（155 例）
2.数据来源：30 项公共 scRNA-seq 数据集 + 38 例自主测序癌症样本（肺癌、乳腺癌等）
研究方法
1.组学方法：10xscRNA-seq、空间转录组（10x Visium）
2.体外实验：Transwell迁移、细胞共培养实验
3.空间分析：多重免疫组化（mIHC），成纤维细胞与免疫细胞的空间共定位
4.临床实验验证：TCGA生存分析，评估亚群丰度与患者总生存期（OS）的关系
三、研究思路
四、研究结果
结果1.构建在不同组织和病理状态下的成纤维细胞单细胞RNA测序图谱
成纤维细胞在组织稳态、炎症、癌症等过程中至关重要，但其异质性和可塑性是 CAF 靶向治疗的主要障碍。不同研究因方法差异难以提取成纤维细胞异质性细节，统一健康与病理组织中的成纤维细胞身份对揭示治疗意义重大。
该研究整合 517 例人类样本单细胞数据，构建跨组织图谱并鉴定 20 个转录异质成纤维细胞簇，分为组织特异性（6 个簇，仅在 1-2 种组织中表达器官功能相关分子）、共享型（部分组织丰度高）和通用型（近半数簇分布超 8 种组织，高表达共享基因）。其中 LRRC15 + 肌成纤维细胞与周细胞起源相关且富集肿瘤核心，MMP1 + 肌成纤维细胞分布炎症及肿瘤边缘并高表达缺氧基因，PI16 + 祖细胞定位于癌旁血管周围，其标志基因表达模式跨组织保守且与临床预后相关。
结果2 慢性炎症与癌症状态下成纤维细胞的重塑
此前研究多聚焦单一组织或癌症，缺乏炎症 - 癌症连续谱的比较，解析炎症和癌症中成纤维细胞的动态变化，阐明其在疾病进展中的不同作用，为理解肿瘤微环境和开发治疗策略提供依据。
进一步研究发现，在慢性炎症和癌症状态下，成纤维细胞的组成发生了显著重塑。许多组织特异性成纤维细胞在健康组织中含量丰富，但在慢性炎症时会发生扩张，暗示其参与疾病进展；组织共享成纤维细胞在不同组织的病理状态下富集情况各异；而通用成纤维细胞，尤其是肌成纤维细胞和肌成纤维细胞样细胞，在恶性状态下高度富集，凸显了癌症与慢性伤口愈合过程中组织重塑和炎症的相似性。
同时，炎症状态下的成纤维细胞呈现出介于健康和癌症之间的中间激活状态，且其基因表达谱也发生了明显变化，提示炎症可能促使成纤维细胞向癌前状态转变。炎症时免疫调节成纤维细胞扩张，癌症中组织重塑肌成纤维细胞富集。炎症成纤维细胞激活介于健康与肿瘤间，基因表达从促炎转向 WNT/TGF-β 信号，伴随糖酵解增强等代谢重编程，推动免疫抑制微环境形成。
结果3 肌成纤维细胞的异质性与起源
前期已明确肿瘤中肌成纤维细胞（如 LRRC15⁺、MMP1⁺）显著富集，且其功能从促炎转向免疫抑制。以此为研究起点，聚焦这些与病理肿瘤直接相关的亚型，而非泛化成纤维细胞，确保研究对象的病理相关性和临床价值（如排除健康组织中的无关亚型）作为肿瘤基质的主要成分，肌成纤维细胞的异质性备受关注。
研究团队鉴定出四个不同肌成纤维细胞簇，它们虽然都高表达肌成纤维细胞标记基因，但在基因表达和富集途径上存在差异。其中，LRRC15 + 肌成纤维细胞是主要亚群，表现出终末分化特征，可由成纤维细胞祖细胞和周细胞分化而来，与患者预后不良密切相关。其他三个亚群则为不同的中间过渡状态，起源于不同的前体细胞类型，且其丰度在不同癌症类型中差异显著，表明其表型受器官特异性信号环境的深刻影响。
结果4 成纤维细胞祖细胞的特性与功能
前期明确了肌成纤维细胞多种亚型及其功能后，发现如前所述，两种普遍的成纤维细胞前体细胞，c05-PI16和c03-COL15A1成纤维细胞，能够在多种组织类型中分化成肌成纤维细胞，但它们之间的基因表达谱存在显著差异，这暗示了它们具有不同的功能。因此聚焦成纤维祖细胞（PI16⁺/COL15A1⁺） ，探究其在成纤维细胞谱系中的角色，明确成纤维祖细胞可分化为肌成纤维细胞，填补了成纤维细胞从祖细胞状态到功能成熟细胞的分化过程空白，完善了成纤维细胞从起源、分化到发挥功能的完整认知链条。
研究发现，通用成纤维细胞祖细胞 PI16 + 和 COL15A1 + 具有分化为肌成纤维细胞的能力，但它们在基因表达谱上存在显著差异，暗示功能不同。PI16 + 成纤维细胞祖细胞在多种组织的癌旁非癌组织中含量丰富，可能受肿瘤远端细胞因子级联或炎症信号的影响，与 T 细胞和抗肿瘤细胞因子的表达相关，对肿瘤免疫微环境产生重要影响。
结果5 不同癌症类型中 PI16 + 和 LRRC15 + 成纤维细胞参与的空间多细胞模块
不同癌症类型中，细胞标记基因表达存在相关性，特定细胞标记在样本中有独特表达模式，且癌症微环境中细胞空间分布存在差异，成纤维细胞簇与其他细胞在空间上形成特定关联,鉴定 9 个成纤维细胞 - 免疫细胞互作模块，跨癌种呈现空间异质性：CM1 等为抗肿瘤模块（癌旁，PI16⁺与 CD8⁺T 细胞互作，关联好预后）；CM6/7 等为免疫抑制模块（肿瘤内LRRC15⁺/MMP1⁺与 Tregs / 巨噬细胞互作，促免疫逃逸、差预后)，揭示了癌症微环境中多细胞模块的空间特征及细胞间相互作用机制，为深入理解癌症微环境组成与细胞互作提供了重要依据。
通过细胞共现分析，研究团队揭示了成纤维细胞与免疫细胞在肿瘤微环境中的复杂相互作用。PI16 + 和 LRRC15 + 成纤维细胞分别参与不同的多细胞模块，与特定的免疫细胞共定位，形成具有不同功能特征的微环境。PI16 + 成纤维细胞与免疫细胞的相互作用有助于招募免疫细胞和促进血管重塑，增强抗肿瘤免疫反应；而 LRRC15 + 成纤维细胞与 SPP1 + 巨噬细胞的相互作用则形成免疫排除性微环境，促进肿瘤进展。
结果6 MMP1 + 成纤维细胞对免疫抑制微环境和免疫治疗耐药性的影响
该研究借助多维度实验及分析，发现成纤维细胞与免疫细胞在空间存在多种共定位模式并形成不同功能多细胞模块（CMs），如 CM1 中 c05 - PI16 成纤维细胞与特定免疫细胞共定位关联抗肿瘤免疫，CM6 中 c04 - LRRC15 肌成纤维细胞与 SPP1⁺巨噬细胞共定位构建免疫排斥微环境，CM7 中 c19 - MMP1 成纤维细胞与免疫抑制性细胞共定位促进免疫抑制；这些模块组成与患者预后紧密相关，CM6、CM7 对应较差预后，CM1、CM2、CM4 对应较好预后，明晰了成纤维细胞借由与免疫细胞互作调控肿瘤微环境的机制 。
细胞共现分析还发现，c19-MMP1 + 成纤维细胞是 CM7 的核心组成部分，与多种免疫细胞类型相关，包括 FOXP3 + 调节性 T 细胞、LAMP3 + 树突状细胞等，这些细胞与免疫抑制和肿瘤促进相关，表明 CM7 具有免疫抑制和肿瘤促进的特征。通过体外实验和数据分析，研究人员证实了 c19-MMP1 + 成纤维细胞通过趋化因子 - 受体相互作用促进白细胞迁移，参与免疫耐受环境的形成，并通过基质金属蛋白酶和组织重塑相关的相互作用限制淋巴细胞浸润。此外，对接受免疫治疗患者的批量 RNA-seq 数据分析显示，MMP1 + 和 LRRC15 + 成纤维细胞标记在无应答者中显著富集，这表明它们在免疫逃避中具有潜在作用，可能成为癌症联合治疗的潜在靶点。
五、研究结论
本研究通过构建跨组织和疾病状态的人类成纤维细胞图谱，全面揭示了成纤维细胞的转录异质性，鉴定出多种成纤维细胞亚型，并深入阐述了它们的分子和功能表型、谱系关系及空间分布特征。研究成果加深了我们对疾病相关成纤维细胞的理解，为开发针对特定成纤维细胞亚群的癌症治疗策略提供了重要依据。例如，通过调节成纤维细胞与免疫细胞的相互作用，可能打破肿瘤的免疫逃逸机制，增强免疫治疗的效果；针对与免疫治疗抵抗相关的成纤维细胞亚型，开发特异性的抑制剂或调节剂，有望改善患者对免疫治疗的反应 。
