空间转录揭示人Stanford A型主动脉夹层细胞转录特征

来源 :新疆医科大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:OSEric
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目的:本研究旨在探索性分析Stanford A型主动脉夹层中细胞空间转录特征,建立Stanford A型主动脉夹层疾病状态下的基因表达和细胞图谱,探索性精细描述主动脉不同部位(升主动脉、头臂干动脉、左锁骨下动脉、左颈总动脉)、升主动脉不同严重程度中细胞充当的角色、发挥的作用,以及细胞间的相互作用。方法:对新鲜的主动脉组织行OCT冰冻包埋采用先进的空间转录组学技术、多重免疫荧光标记和生物信息分析方法对主动脉不同部位、升主动脉不同严重程度的细胞空间转录进行分析,对原始数据进行标准转换采用多种标准化、主成分分析、降维聚类方法进行比较,探索适合主动脉的分析管道。运用Space Ranger、Seurat、Loupe Browser、R分析软件、Python及多种在线软件进行差异表达基因分析、功能注释、GSEA富集分析、加权基因共表达网络分析、构建蛋白互作网络、细胞通讯分析、生物过程分析。应用Phenoptics多重免疫荧光技术对组织中细胞类型进行标记,单细胞水平定量研究细胞类型分布特征。结果:(1)依据金标准明确诊断为Stanford A型主动脉夹层并且行人工血管置换术患者,制定纳入排除标准收集主动脉组织15例筛选8例样本,其中6例为升主动脉样本(1例样本既有升主动脉组织,又有左锁骨下动脉组织和左颈总动脉组织,1例既有撕裂部位,又有未撕裂部位)、2例头臂干动脉样本,共计切片19片用于空间转录测序,随机选取1片升主动脉夹层样本切片进行生物信息学基本分析方法建立,摸索适合主动脉组织的分析管道:SCTransform标准化方法+PCA dim30主成分分析+UMAP降维聚类。该样本有1873个被组织覆盖的斑点区域,有效的UMI数占总的reads的比例为99.9%,比对到唯一基因转录组上reads覆盖在组织区域的Spot上的比对率为78.6%。主动脉三层膜上初步鉴定到41种细胞类型,不同层膜上细胞类型不同,分别发挥与免疫相关、血管结构、血管再生和发育、维持氧稳态的作用,初步探索Stanford A型主动脉夹层发病机制为多种因素共同作用的结果,包括高血压、动脉粥样硬化、炎症反应、氧化应激等。(2)综合所有样本切片19片测得空间转录数据建立Stanford A型主动脉夹层病理状态下基因表达和细胞图谱。一共检测到33,201个Spot,每个Spot平均检测到19202个基因,428,338,634个reads,平均每个Spot的基因中位数为1370,测序饱和度达90%以上。通过对细胞类型鉴定、细胞比例、细胞数量的统计建立细胞全景,对升主动脉不同阶段的样本进行共有和特有差异基因表达分析、功能注释,建立蛋白表达网络,主动脉不同部位差异基因表达分析、GSEA富集分析、加权基因共表达网络分析、构建蛋白互作网络,建立主动脉不同部位、升主动脉不同严重程度基因表达模式。主动脉不同部位撕裂处与升主动脉相比,不同部位对基因表达和细胞类型的影响远小于撕裂处本身。(3)通过对升主动脉不同阶段的细胞通讯进行分析,Stanford A型主动脉夹层的发生与细胞位置密不可分,细胞-细胞间、细胞-细胞内都有不同程度的相互作用,随着升主动脉最宽直径的增加,主动脉中不同细胞发挥不同作用,功能状态也不同,在第一阶段细胞发出者主要是成纤维细胞,参与维持血管形态和血管发育;第二阶段细胞发出者主要是基质细胞,调节细胞成分移动,促进细胞迁移等生物学活动;第三阶段细胞发出者主要是巨噬细胞,参与免疫反应,对主动脉炎症、损伤作出免疫应答。(4)通过多重免疫荧光标记不同类型细胞,定量分析细胞分布特征,对空间转录组学中的细胞统计方法在单细胞水平进行验证。结论:(1)空间转录组学技术可以应用于低细胞密度、高纤维的多层结构的主动脉组织,摸索的生物信息分析管道初步适用于样本分析,该方法初步描述了Stanford A型主动脉夹层中与位置特异相关的基因,初步探索了其发病机制,为未来研究Stanford A型主动脉夹层提供新的方向。(2)建立Stanford A型主动脉夹层病理状态下完整的主动脉基因表达和细胞图谱,对主动脉不同位置、升主动脉不同阶段的细胞类型详细分析,阐述病理状态下各类细胞充当的角色、发挥的作用和功能状态。(3)细胞不是孤立的,Stanford A型主动脉夹层的发生发展与细胞的位置、细胞交流的活跃程度密切相关,升主动脉不同阶段中细胞发出者和接收者不同,分别参与不同的生物学活动,对机体发挥不同作用。
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