近日，天津醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院蔡志剛教授團隊在Cell Reports(IF 7.5)上發(fā)表了題為“Single-cell and spatial transcriptomics reveal the pathogenesis of chronic granulomatous disease in a natural model”的研究成果。研究人員通過環(huán)境暴露控制，基于Ncf2?/?小鼠構(gòu)建了慢性肉芽腫疾病(CGD)模型。這些小鼠在清潔級環(huán)境中可自發(fā)形成肺部肉芽腫，在病變肺組織呈現(xiàn)顯著微生物群落變化，伴隨中性粒細胞和單核來源巨噬細胞(MDMs)的浸潤。具有促炎轉(zhuǎn)錄特征的NOS2高表達中性粒細胞定位于肉芽腫核心區(qū)，而外周區(qū)MMP12標記的MDMs亞群則呈現(xiàn)促纖維化特征。通過藥物抑制巨噬細胞的遷移抑制因子(MIF)、缺失促生存基因Morrbid或敲除Il1r1基因，均可通過減輕炎癥有效抑制肉芽腫形成。該研究不僅構(gòu)建了基于環(huán)境控制的天然的小鼠CGD模型，闡明了肉芽腫形成的細胞及分子機制，更為開發(fā)有效治療策略提供了科學(xué)依據(jù)。本研究采用真邁生物的高分辨率空間芯片技術(shù)和尋因生物的SeekSpace單細胞空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，對樣本進行空間分辨率的基因表達譜分析。
慢性肉芽腫病(CGD)是由NOX2氧化酶亞基基因(如CYBB,?CYBA,?NCF1,?NCF2和NCF4等)及組裝相關(guān)基因CYBC1的功能缺失突變引起，導(dǎo)致中性粒細胞等先天免疫細胞活性氧(ROS)生成缺陷，患者易反復(fù)發(fā)生細菌/真菌感染，尤其是致死性肺部感染。此外，ROS的減少也擾亂了炎癥反應(yīng)，引起諸如肉芽腫形成、炎癥性腸病和系統(tǒng)性紅斑狼瘡等過度炎癥的并發(fā)癥。CGD的核心機制涉及髓系細胞異常聚集及促炎因子(TNF-α、IL-1等)過度表達，現(xiàn)有靶向TNF-α/IL-1的免疫調(diào)節(jié)療法雖有效但副作用大。其他研究已揭示巨噬細胞遷移抑制因子(MIF)可以通過MAPK/PI3K/NF-κB通路加劇炎癥，而MIF在CGD中的作用研究較少。此外，長鏈非編碼RNA—Morrbid通過抑制促凋亡蛋白Bim延緩中性粒細胞凋亡，導(dǎo)致髓系細胞過度存活和炎癥持續(xù)。那么，靶向抑制MIF或敲除Morrbid可能成為調(diào)控CGD過度炎癥的新策略，為優(yōu)化基因治療/移植療效提供理論支持。
空間轉(zhuǎn)錄組分析揭示CGD肺部肉芽腫的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄特征
通過單核級別空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)(SeekSpace)完成了對照小鼠和CGD模型小鼠肺部組織切片的測序分析，結(jié)果顯示：
1.?肉芽腫結(jié)構(gòu)特征：CGD模型小鼠肺部形成壞死性肉芽腫核心，周圍富集單核細胞、巨噬細胞及少量中性粒細胞；
2.?巨噬細胞關(guān)鍵作用：特異性巨噬細胞亞群Mac1定位于肉芽腫邊緣，同時高表達M1標志物(Nos2)、M2標志物(Arg1)及細胞外基質(zhì)(ECM)重塑基因(Mmp12、和Fn1)，提示其兼具促炎與促纖維化功能。
3.?纖維化機制：肉芽腫外周成纖維細胞高表達ECM成分基因(Col1a1、Col4a1、Fn1)及調(diào)控因子Timp1，Masson染色證實肺部膠原纖維顯著沉積，表明ECM異常重構(gòu)是肉芽腫形成的重要環(huán)節(jié)。
4.?2種技術(shù)驗證：空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)與單細胞測序結(jié)果一致，結(jié)合RCTD算法精準定位細胞類型，揭示肉芽腫不同區(qū)域的細胞協(xié)同作用，為靶向干預(yù)提供空間分子基礎(chǔ)。
圖1?2種空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)平臺解析CGD肉芽腫結(jié)構(gòu)特
此外，基于BMKMANU S1000空間轉(zhuǎn)錄組平臺及RCTD算法，聯(lián)合單細胞測序數(shù)據(jù)，解析小鼠肺部病變的空間細胞分布。CGD模型小鼠的肉芽腫核心區(qū)：以單細胞測序鑒定的Neu6中性粒細胞亞群為主，高表達促炎相關(guān)基因(Nos2、Mif、Il1a/Il1b)，驅(qū)動局部炎癥。肉芽腫外周區(qū)：以Mac1巨噬細胞和活化的成纖維細胞為主，Mac1巨噬細胞同時表達M1標志物(Nos2)、M2標志物(Arg1)及促纖維化基因(Mmp12和Fn1)，兼具促炎與促纖維化功能。Neu6中性粒細胞主導(dǎo)肉芽腫核心炎癥，外周Mac1巨噬細胞與成纖維細胞協(xié)同促進纖維化包囊形成，揭示肉芽腫病變中炎癥-纖維化協(xié)同演進的分子空間特征。
基于單細胞轉(zhuǎn)錄組測序揭示小鼠模型中系統(tǒng)性炎癥誘導(dǎo)髓系造血偏倚
CGD模型小鼠外周血(PB)、脾臟(SP)及骨髓(BM)中觀察到髓系細胞顯著積累與淋巴細胞減少，提示造血異常。
CGD小鼠造血系統(tǒng)在促炎因子及復(fù)雜轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動下，發(fā)生髓系偏倚性重塑，表現(xiàn)為髓系擴增與非髓系造血抑制。
圖2?Morbid基因缺陷可減輕CGD小鼠的全身炎癥和髓系細胞偏倚
1.?通過受控的環(huán)境暴露成功構(gòu)建慢性肉芽腫病小鼠模型；
2.?肉芽腫核心區(qū)NOS2高表達的中性粒細胞呈現(xiàn)促炎特征；
3.?肉芽腫外周MMP12陽性單核來源巨噬細胞呈現(xiàn)促纖維化特性；
4.?靶向抑制MIF或Morrbid基因可緩解慢性肉芽腫病相關(guān)的過度炎癥反應(yīng)。
Yu, Hanzhi, et al. "Single-cell and spatial transcriptomics reveal the pathogenesis of chronic granulomatous disease in a natural model." Cell Reports 44.5 (2025): 115612..