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骨骼肌的单细胞时空图谱揭示了细胞邻里协调再生和在衰老过程中被破坏

王宇欣、科林·a·霍尔布鲁克、詹姆斯·n·汉密尔顿、Jasmin Garoussian、Mohsen Afshar、苏士奇、Christian M. Schürch、迈克尔·李、尤里·戈尔采夫、安舒尔·昆达杰、加里·p·诺兰、海伦·m·布劳

预印本发布于2022年6月10日https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.06.10.494732v1

前进!尽管巨噬细胞减少,但活跃的肌肉再生

选择 杰西卡舍瓦

背景

骨骼肌的再生能力依赖于肌肉干细胞(MuSCs),这些干细胞在检测到损伤之前一直处于休眠状态。随着年龄的增长,骨骼肌的再生能力下降。musc的激活,以及由此产生的将融合形成肌纤维的肌源性祖细胞,依赖于周围生态位协调的各种细胞相互作用。在衰老过程中,这些协调活动被解除控制,从而破坏了musc激活和随后的肌肉修复所需的信号。

多项研究表明,骨骼肌干细胞生态位是由各种类型的细胞动态和高度调节的相互作用组成的,这些细胞负责维持MuSC的静止和再生反应。然而,目前的技术(如单细胞rna测序、流式细胞术等)限制了我们对干细胞生态位的理解,因为我们无法准确地评估细胞-细胞之间的空间相互作用。在本研究中,Yu Xin Wang等人使用多重成像技术在单细胞分辨率下描绘了肌肉再生过程中34种细胞类型的空间分布。在此过程中,他们发现了细胞间的相互作用事件,这些事件表征了不同的细胞邻居,并深入了解了这些相互作用在整个再生反应过程中以及面对巨噬细胞耗尽时的变化。

重要发现

肌肉修复过程中的细胞异质性

作者使用CODEX (Co-Detection by Indexing)技术创建了骨骼肌再生相关细胞亚群的单细胞空间图谱,该技术允许在一个组织切片中同时显示40多个蛋白标记的高度多位点分析。庾信王et al。首先,利用之前表征的细胞类型特异性标记构建CODEX抗体面板,这些标记代表肌源性、免疫性(即单核细胞、树突状细胞(DCs)、B细胞、T细胞和巨噬细胞)、血管、纤维源性和运动神经元细胞亚群和细胞状态。在幼龄小鼠胫骨前肌(TA)肌内注射诺texin (NTX),以诱导各种类似于运动或外伤时遇到的肌肉损伤。随后,在受伤后的第1、3、6和10天,对组织切片进行为期10天的CODEX,以生成单细胞多路成像数据。

分析CODEX生成的图像,以创建骨骼肌再生过程中的单细胞空间图谱。庾信王et al。开发了一种名为CRISP的图像处理管道,可以对每张图像进行注册、缝合和清除。在使用了CRISP之后,作者利用了深度学习模块CellSeg,该模块依赖于卷积神经网络(CNN)来分割图像中的细胞核。通过这样做,他们能够量化每个抗体在核和核周隔间的强度。肌纤维和细胞外基质(ECM)结构固有的多核特性使得这些特征难以用CellSeg进行表征。为了克服这些局限,王欣et al。开发了FiberNet,它依靠CNN来表征肌纤维状态和ECM特征。使用HFcluster管道进行细胞类型聚类和注释。HFcluster是由作者开发的,依靠学习不同细胞类型的抗体染色模式来识别数据集中共享相似模式的细胞。

CODEX协议和随后的数据处理解决了34个不同细胞子集的特定信号,这让王昱鑫获得了成功et al。观察NTX后损伤部位细胞数量和组织的动态变化。分析显示,在肌肉再生过程中,肌源性、免疫、血管和纤维源性细胞亚群不断涌入。第1天免疫细胞大量涌入,第3天内皮细胞和血管细胞亚群增加,第6天进一步增加。肌肉再生在第10天几乎完成。此外,研究发现,每个组织中各种细胞亚群的相对丰度可以用来表征和区分不同的时间点。未损伤的第1天、第3天和第6天的细胞类型明显不同。第3天的细胞亚群多样性最大,第1天和第6天的组织中也发现了大量第3天的细胞类型。第10天的组织含有第6天的细胞,但与未损伤的样本有最多的细胞亚群。

洞察细胞邻里动态

不同细胞类型的相关动态使得作者假设这些细胞在骨骼肌再生过程中组织成环境依赖的细胞邻居。采用两两相互作用分析王欣et al。确定了各种再生肌肉的细胞区域。损伤肌纤维附近特征显示,中性粒细胞、M1巨噬细胞、内皮细胞(ECs)和纤维脂肪生成祖细胞(FAPs)在损伤部位富集。有趣的是,提示毛细血管灌注的CD38+ ECs也在靠近心肌细胞富集。骨髓亚群,包括巨噬细胞和中性粒细胞,在先天免疫附近富集,负责招募单核细胞以及与树突状细胞相互作用。作者还发现,受伤的肌纤维不仅受先天免疫反应的影响,而且可能在再生过程后期也受抗体介导的适应性免疫反应的影响。事实上,损伤的肌纤维在由CD9+ dc和IgM+浆细胞组成的细胞社区中富集。

M1巨噬细胞促进和协调肌肉修复

ECM结构(即基膜)可以作为选择性屏障,只允许某些类型的细胞通过。作者量化了肌外基质结构中发现的细胞亚群及其共现现象,以揭示肌肉再生过程中不同时间点的肌外基质结构中的细胞异质性。新王et al。研究表明M1巨噬细胞在ECM结构附近富集,它们是ECM结构内的主要细胞类型。此外,M1巨噬细胞伴有低水平的单核细胞、DCs、成纤维细胞、再生肌纤维和其他巨噬细胞亚群。ECM结构中Ly6G中性粒细胞、CD31 ECs和肌源性祖细胞的存在在不同时间点不同。更准确地说,作者观察到损伤后第1天ECM结构以中性粒细胞和M1巨噬细胞为主。第3天以巨噬细胞为主的ECM结构为标志,到第6天以巨噬细胞来源的dc为主。结果进一步强调了M1巨噬细胞作为肌肉修复的促进和协调者的重要性。

在ECM结构附近和内部存在M1巨噬细胞,使得作者推测M1巨噬细胞是一种关键的细胞类型,在肌肉再生过程中为肌源性细胞干预铺平了道路。为了评估M1巨噬细胞在再生反应中的重要性,损伤后第2天肌肉注射氯膦酸脂质体以局部耗尽巨噬细胞。M1巨噬细胞明显减少,M1巨噬细胞主导的ECM结构也明显减少。此外,在第10天,经氯磷酸钠处理的样品中含有IgM+肌纤维碎片,这表明M1巨噬细胞穿过ECM结构的运动在清除损伤的肌纤维中起着关键作用。与非氯磷酸腺苷处理的样品相比,氯磷酸腺苷处理的样品再生肌纤维较少(第6天和第10天),含有成熟再生肌纤维的ECM结构较少(第6天和第10天),含有MuSCs和肌细胞的ECM结构增多(第6天)。此外,由于肌纤维碎片的存在,在氯磷酸腺苷处理的样品中发现再生肌纤维的异常组织。

新王et al。利用时空细胞邻域分析来评估局部破坏(如M1巨噬细胞耗竭)对细胞空间排列和再生反应中某些事件发生时间的影响。在非氯膦酸盐处理的样本中,作者确定了26个空间区域,其中10个是随时间变化的时间簇。有趣的是,在研究中发现了氯膦酸盐处理过的样本所特有的一个细胞邻近区域。邻近区域包含紊乱的损伤肌纤维、不同阶段的肌源性细胞亚群、先天和适应性免疫细胞以及成纤维细胞。与非氯膦酸盐样品不同,这些细胞类型在氯膦酸盐处理的样品中以无序的方式出现并共存。此外,作者发现,在氯磷酸盐处理的样品中,在第3天出现了髓系亚群、MyoD+ MyoG+成肌细胞和CD38+ ECs的异常积累。总的来说,王欣证明了这一点et al。M1巨噬细胞在协调再生过程中起着关键作用。在肌肉修复过程中,它们的消耗导致细胞亚群进展和细胞邻近组织的中断,标志着肌管成熟在第10天的延迟。

WhY表示这项工作很重要

利用组织分离技术阻碍了研究人员在空间尺度上构建骨骼肌再生的全面图谱。王欣对《食典》的使用et al。使得研究人员生成了第一个单细胞肌肉修复的时空图谱。该图谱现在可以在科学界共享,以促进我们对细胞-细胞相互作用以及在肌肉修复过程中发生的细胞邻近形成和组织的理解。此外,这项研究显示,巨噬细胞消耗并没有停止肌肉再生,而是由于吞噬功能受损和细胞碎片堆积,在空间和时间尺度上影响其协调过程。总之,这项研究强调了时空分析的必要性,以理解细胞如何在病理生理条件下动态组织和各种过程的相互作用。

对作者的提问

  1. 您提到M1巨噬细胞的减少不会导致肌肉再生过程中不同类型细胞的停滞。你认为急性和慢性肌肉损伤都是这样吗?
  2. 你是否设想在老年小鼠中耗尽巨噬细胞,并进行时空细胞邻域分析,以评估氯膦酸钠治疗的幼龄小鼠特有的细胞邻域外观是否也出现在老年小鼠中?

标签:多路图像空间蛋白质组学

发布日期:2022年8月15日

doi:https://doi.org/10.1242/prelights.32523

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