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骨髓微环境非常复杂，含有不同的细胞类型，包括了造血、间充质、内皮、血管平滑肌和神经谱系细胞等。非造血细胞对于骨髓造血非常关键。然而，这些细胞在人骨髓中的异质性和空间定位在很大程度上仍未被表征。来自佩雷尔曼医学院的研究者使用scRNA-seq全面表征了造血和非造血细胞类型的转录组学特征，预测了细胞间通讯模式，并鉴定了介导的信号分子。同时，研究者使用了Phenocycler-Fusion(PCF)空间单细胞蛋白组(原名CODEX)检测了 53个抗体，系统地表征了所有主要骨髓细胞类型和微环境结构。相关研究成果近期发表于Cell杂志。
01 骨髓细胞scRNA-seq
研究者分别捕获了造血细胞、造血干/祖细胞（HSPCs）和非造血细胞，混合所有细胞类型开展了scRNA-seq。总共12个捐献者的样本用于scRNA-seq，结果是鉴定了3种主要的造血谱系细胞以及不同亚型的HSPC，另外鉴定了血管平滑肌、间充质（MSC）和成骨细胞为主的非造血细胞类型。这些非造血细胞展现了转录水平的异质性，例如MSC细胞具有多种亚型，包括成骨亚型、成脂亚型、成纤维亚型等，内皮细胞也包括了动脉内皮细胞和窦状动脉内皮细胞类型。
接着研究者利用CellChat分析发现了不同非造血细胞和HSPC之间的通讯关系，发现了不同类型的MSC细胞可以表达不同谱系造血发生的支持因子，特别是，Adipo-和THY1+ MSCs通过高表达关键生态位因子(如CXCL12、KITLG、CSF1和IL-7)支持造血发生，成为转录特异性最强的MSCs。
02 PCF空间单细胞蛋白组(CODEX)分析骨髓微环境结构
研究者依据scRNA-seq结果，结合经典的细胞表型marker，设计了53个抗体panel，通过PCF空间单细胞蛋白组进行组织原位检测。总共分析了12个样本(其中8个样本与scRNA-seq来源一致)，诠释了32种细胞类型。特别是包括了一些稀有细胞，例如免疫类型的造血干细胞(Lin-CD34+ CD38-CD45RA-CD90+)和Schwann cells (PLP1+ CD271+)。
PCF空间单细胞蛋白组诠释的细胞类型和scRNA-seq的结果具有很强的一致性，这也为整合两种技术联合分析特定空间定位的骨髓细胞类型中的基因表达谱成为了可能性。
研究者通过细胞邻域(CN)分析发现了动脉内皮细胞和骨内膜空间上存在互作，特别是髓系祖细胞(EMP)定位于小动脉内皮细胞和骨内膜细胞邻域内，一致于scRNA-seq的细胞通讯分析结果。同样类似于scRNA-seq发现的EMP细胞表达低水平的缺氧信号，这些EMP表达低水平的HIFA，说明了定位于小动脉内皮细胞周围的EMP细胞不像成熟的缺氧性的髓系细胞。这些说明了即使骨髓整体上是缺氧环境，但是小动脉内皮和骨内膜区域形成的空间生态位提供了早期髓系发生所需的有氧微环境。
研究者整合了scRNA-seq的CellChat数据和PCF的细胞共定位数据，定义了不同互作细胞对的CellChat-CODEX effect size (CCES) 分值。其中成骨细胞和血管平滑肌细胞之间的互作分值最高，他们在空间上共定位形成了低缺氧的小动脉-骨内膜生态位。
通过细胞空间邻近分析，研究者描绘了髓系细胞从HSPC细胞分化的空间分布路径：HSPCs定位于脂肪细胞生态位中，最早的髓系祖细胞从这些HSPC分化出来，迁移到相对高氧的小动脉内皮-骨内膜生态位区域，最后迁移到窦状动脉附近并分化成熟，它们利用窦状动脉从骨髓进入血液。
最后研究者分析了几个急性髓系白血病(AML)患者的骨髓样本，通过PCF空间单细胞蛋白组发现了AML患者样本中髓系细胞显著增多，细胞邻域分析揭示了小动脉-骨内膜区域中恶性细胞和MSC细胞产生互作，这个空间生态位对于治疗耐受非常关键。
总结与讨论
本研究联合scRNA-seq和空间单细胞蛋白组深度解析了骨髓微环境。特别是空间单细胞蛋白组对于scRNA-seq结果的空间解读，从细胞通讯的推测提升到了组织原位真正的可视化，诠释了非造血细胞和HSPC之间的相互作用，对于理解这些间充质细胞、内皮细胞、骨膜细胞形成的空间微结构区域对于造血发生的作用提供了新的见解。
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相关文献
Bandyopadhyay S, Duffy M, Ahn KJ, Pang M, Smith D, Duncan G et al. Mapping the cellular biogeography of human bone marrow niches using single-cell transcriptomics and proteomic imaging. Cell. 2024:187, 1–21.
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