基于单细胞转录组学测序的巨噬细胞在肝硬化-肝癌疾病进展中的功能研究

摘要

背景 肝脏巨噬细胞在构建宿主防御机制及维持机体内环境稳定中发挥重要作用，也是参与肝脏损伤和修复的重要细胞成分。单核细胞来源的巨噬细胞在基因调控以及具体功能方面与肝脏固有巨噬细胞不尽相同。90%以上的原发性肝癌发生在肝硬化的基础上，巨噬细胞在肝硬化及肝癌疾病进展中的动态变化规律值得探讨。目的 解析不同来源肝脏巨噬细胞的转录组学差异，分析巨噬细胞在肝硬化-肝癌疾病进展中的动态变化规律，探索预防肝硬化进展为肝癌的潜在策略。方法 本研究通过从GEO数据库获取健康、肝硬化及肝癌组织的单细胞转录组学数据。健康及肝硬化数据来自GEO数据库GSE136103数据集，取自5例健康肝脏以及5例肝硬化肝脏的数据。肝癌数据来自GEO数据库GSE149614数据集，取自10例肝癌患者的数据。通过Seurat软件包分别对肝硬化及肝癌样本的数据进行聚类，鉴定各个细胞类型。将肝硬化样本中的3簇巨噬细胞亚群提取后，分析各个亚群前200个特异性表达基因，应用Metascape在线分析软件对各亚簇特异性表达基因进行功能分析。提取巨噬细胞亚群肝硬化特异性表达基因，通过KEGG功能分析探究巨噬细胞在肝硬化中的功能。将肝硬化以及肝癌单细胞转录组数据通过CellChat软件包进行细胞间相互作用分析，对比肝硬化与肝癌样本巨噬细胞的细胞通讯的差异。将健康对照、肝硬化以及肝癌三者不同来源的巨噬细胞通过Harmony软件包去批次效应，之后导入Monocle软件包进行伪时序分析，构建健康肝脏-肝硬化肝脏-肝癌巨噬细胞的演变轨迹。利用limma软件包找寻在健康肝脏-肝硬化肝脏-肝癌巨噬细胞的演变过程中连续上调以及下调的基因，并进行功能富集分析。结果 对所有细胞进行无监督聚类，根据标记基因表达情况，共提取出3个巨噬细胞亚簇（分别为Mac1,Mac2和Mac3）。其中Mac1起源于组织驻留巨噬细胞（Kupffer细胞），Mac2以及Mac3起源于血液单核细胞，并且其数量在肝硬化组织中明显增多。在肝硬化组织中的Mac1表现了适应性免疫系统相关功能的上调，Mac2以及Mac3亚群均表现出吞噬体相关功能以及抗原提呈功能的下调。肝硬化与肝癌样本中巨噬细胞与其他类型细胞的通讯存在巨大的差异。某些细胞间通讯仅发生于肝硬化巨噬细胞中，这包括干扰素Ⅱ（IFN-Ⅱ）以及CD40等信号通路的细胞通讯。经过去批次效应的处理后，对健康肝脏、肝硬化肝脏以及肝癌巨噬细胞进行伪时序分析，结果提示三组数据存在特定的时序关系。本研究发现81个在该过程中连续下调的基因，然而未发现在健康肝脏-肝硬化肝脏-肝癌巨噬细胞演变过程中连续上调的基因。功能分析提示连续下调基因存在对细菌免疫反应的功能富集。结论 肝硬化巨噬细胞可以分为3个亚群，其中Mac1来自肝脏固有Kupffer细胞，Mac2、Mac3来自血液单核细胞。肝硬化中诸多免疫相关细胞通讯例如IFN-Ⅱ以及CD40通路在肝癌中消失。健康肝脏-肝硬化肝脏-肝癌巨噬细胞演变过程存在对细菌免疫反应的持续下调，这可能加重了门脉高压造成的肠道菌群位移的危害。对于肝硬化患者，尽早地治疗门脉高压造成的肠漏，可能是重要的治疗策略。

关键词

巨噬细胞 / 肝硬化 / 肝纤维化 / 肝肿瘤 / 单细胞转录组学测序 / 细胞间相互作用

基金资助

河北省自然科学基金资助项目（H2021206314）; 河北省省级科技计划资助项目（22377703D）