文献分享--人体皮肤解剖结构的单细胞空间转录组学分析

作者，Evil Genius

相信大家都知道了，张雪峰去世了，年仅41岁。

昨天晚上知道这个消息，说实话，我真的被震惊了，连媳妇跟我说话，都没注意。

其实死亡是一件身边经常发生的事，上初中的时候有个同班同学因为白血病去世了，我们还捐款；初二的时候村里的一个小学同学在县里被捅死了；高中的时候，语文老师去世了，因为癌症；大学的时候，有同学在在酒店喝毒药死了；研究生的时候，有个同学半夜2点跳楼，早上6点多打扫卫生的阿姨发现的时候，已经死透了；当时我在食品院，有个博士想3年毕业，博导非让她再干一年，她一时想不开，走上天台，众目睽睽之下说不给毕业就跳楼，博导都跪下了，什么都答应了，后来这位博导再也不招生了。

还有就是我弟弟，我三姨家的孩子，出生没几个月就夭折了。

用张雪峰的话讲，活着真好。

但是93年的我，越来越相信这个世界是虚拟的，数字果蝇着实震撼了一把。

张雪峰、周立波都说过，能挣多少钱，都是命，命里有才行；周立波之前在节目上说，挣多少钱上帝都安排好了，如果一个人只有1000万的命，结果拼出来一个亿，上帝的账噶不平了，那上帝就只能把这个人抹去了。

今天我们分享文献

知识积累

人体皮肤承担着体温调节和抵御外界侵害等关键功能。在身体不同部位，皮肤在表皮厚度、毛囊密度、湿度、pH值、脂质组成和微生物群落等方面均表现出显著的功能和解剖学特化。这些差异反映了皮肤疾病在不同解剖部位的易感性差异，而这些疾病又对全球生活质量造成了沉重负担。

构建了正常人体皮肤的全器官单细胞MERFISH空间图谱，涵盖来自15个解剖部位、22名供体的120万个细胞，其中7名供体在12个部位进行了采样，从而能够在考虑个体间异质性的前提下进行部位特异性比较。分析揭示了不同部位间由不同细胞间通讯网络介导的多样化细胞组成和多细胞邻域结构。在这些结构中，鉴定出肿瘤坏死因子（TNF）是在一个类似于皮肤相关淋巴组织（SALT）的血管周围邻域中免疫-成纤维细胞互作的关键调节因子，并将邻域破坏与皮肤病联系起来。

结果1、正常人体皮肤的单细胞空间MERFISH图谱

MERFISH空间单细胞数据图谱。

MERFISH在成人皮肤中以与scRNA-seq相当的粒度识别并定位了45个独特的细胞群。

结果2、跨解剖部位的定型细胞分布模式

细胞多样性与密度的空间分布规律

高多样性与密度：毛发密集区域（头皮、面部、耳后）以及无毛的足底，细胞多样性和密度最高。

低多样性与密度：伸侧部位（肘部、膝部）多样性最低；躯干中心区域（臀部、腹部、背部）多样性也较低，呈现出从中心向周边（离心式）多样性递增的趋势。

屈侧与伸侧的差异：在四肢上，屈侧部位（肘前窝、腘窝）的多样性高于邻近的伸侧部位（肘部、膝部）。

细胞组成的部位特异性与稳定性

部位特异性组合：不同解剖部位具有独特但高度定型的细胞组成模式。例如，屈侧、伸侧、躯干、头皮内部各自组成相似，而面部和足底的组成则最为独特。

关键驱动细胞：

• 富集于特定部位：Spn KC II（头皮、足底）、Retic Fib II（足底）、毛囊/皮脂腺相关细胞（面部、头皮、耳后）。
• 富集于四肢：先天免疫细胞（单核/巨噬/树突状细胞）、血管相关细胞（血管内皮、周细胞等）。
• 稳定存在：表皮和小汗腺细胞在不同部位间丰度变化最小。

不同组织分区的贡献差异

真皮贡献最大：真皮是整体细胞多样性最主要的贡献者。

特殊部位的分区驱动：足底的高多样性并非来自真皮，而是由表皮和皮下组织的多样性驱动的，表明不同部位可通过不同组织分区来实现功能特化。

分区聚类：样本主要按组织分区（表皮、真皮、皮下）聚类，密度和多样性是区分它们的主要因素。

细胞组成与组织功能（厚度）的关联

预期关联：足底富集的细胞类型（Spn KC II， Retic Fib II）与表皮和角质层厚度呈正相关。

关键发现：乳头层成纤维细胞是除上述细胞外唯一与皮肤厚度显著相关的细胞类型，且在承受高机械应力的部位（足底、肘部、膝部）最为丰富。这表明它们可能是调控皮肤厚度的关键细胞。

结果3、定义人体皮肤中的多细胞邻域

分析方法

邻近性富集分析：首先通过分析细胞类型的空间邻近性，识别出彼此紧密关联的细胞群（如施万细胞与神经周围成纤维细胞共定位）。

空间聚类：利用CellCharter工具进行无监督空间聚类，识别出在所有样本中稳定存在的10个多细胞邻域，作为解析皮肤微解剖结构的最佳粒度。

十大多细胞邻域的构成

这十个邻域对应了皮肤中特定的解剖结构与功能区域：

界面与表皮：真皮-表皮连接处（DEJ）、分化的毛囊间表皮（DIFF IFE）。

血管周围：分为浅表/毛囊旁的血管周围区域（PERIVASC I）和深层血管周围区域（PERIVASC II）。

真皮与皮下：网状真皮（STROMA）、皮下组织（SUBCUTIS）。

附属器：上毛囊、下毛囊、小汗腺、皮脂腺。

细胞类型的邻域偏好

结构与功能细胞：表皮、毛囊、腺体细胞严格富集于各自对应的邻域。

免疫细胞的聚集：大多数免疫细胞（树突状细胞、T细胞、肥大细胞）与特定成纤维细胞（Perivasc Fib I/II）及血管相关细胞高度集中在PERIVASC I邻域，形成了类似“皮肤相关淋巴组织（SALT）”的结构。

深部血管差异：深层血管周围区域（PERIVASC II）则免疫细胞较少，以血管和淋巴管内皮细胞为主。

邻域的细胞多样性

不同邻域的细胞组成复杂度差异很大。

高多样性：血管周围区域（PERIVASC I）和真皮-表皮连接处（DEJ）。

低多样性：皮脂腺（SEB GLAND）和网状真皮（STROMA）。

邻域丰度的部位特异性

不同解剖部位的多细胞邻域丰度存在差异，并反映了主要的人体结构轴线：

聚类分组：头皮/耳后/面部、四肢和躯干各自形成 distinct 的聚类，而足底保持独特性。

富集模式：

头皮：富集三个毛囊皮脂腺相关邻域（上毛囊、皮脂腺、下毛囊）。

四肢（肘/膝）：富集网状真皮、真皮-表皮连接处、分化毛囊间表皮和深层血管周围区域。

稳定存在：浅表血管周围区域（免疫富集区）和皮下组织在不同部位间丰度变化最小。

邻域间的相互关系

通过计算邻域丰度相关性，发现：

强相关对：真皮-表皮连接处与分化毛囊间表皮高度相关（协同驱动表皮厚度）；网状真皮与深层血管周围区域相关。

相关模式：皮脂腺与上/下毛囊及浅表血管周围区域相关；小汗腺与其他邻域相关性低，提示其调控相对独立。

衰老相关的动态变化（以腹部样本为例）

随着年龄增长，组织组成发生显著转变：

减少：网状真皮邻域丰度下降（与胶原蛋白生成减少的已知现象一致），其主要构成细胞——网状成纤维细胞I数量减少。

增加：深层血管周围区域邻域丰度增加，其主要构成细胞——高内皮微静脉样内皮细胞、血管内皮细胞、周细胞和平滑肌细胞数量增加。

总体趋势：组织从网状真皮主导向深层血管周围区域主导转变。

核心结论

研究识别出十个多细胞邻域，它们定义了皮肤细胞的空间组织结构，包括一个免疫细胞富集的浅表血管周围区域（类似皮肤相关淋巴组织），并揭示了这些邻域在不同解剖部位及衰老过程中的动态重组规律。

结果4、Neighborhoods定义了不同的空间通信网络

PERIVASC I邻域是细胞间通讯的核心枢纽

最活跃的细胞类型：血管内皮细胞、CD4+/CD8+ T细胞、Perivasc Fib I/II成纤维细胞。

主要信号通路：通过CellChat和scRNA-seq模拟分析，识别出MIF、MK（中期因子）、CXCL/CCL趋化因子和TNF为PERIVASC I中最重要的信号通路。

通讯强度：PERIVASC I和ECCRINE邻域具有最高的相互作用量，且PERIVASC I拥有最多独特的信号通路，反映了广泛的异质性免疫-基质互作。

免疫-基质双向互作的分子机制

基质→免疫：主要L-R对包括 CXCL12–CXCR4、MDK–CD74、MIF–CD74、PTN–NCL。

免疫→基质：主要L-R对包括 TNF–TNFRSF1A、PPIA-BSG、NAMPT–ITGA5+ITGB1。

空间验证：通过Tangram插值，TNF–TNFRSF1A信号在PERIVASC I、真皮-表皮连接处和皮下组织中高表达，提示其在稳态中的广泛作用。

功能验证：TNF维持CCL19+血管周围成纤维细胞

实验设计：使用人体皮肤外植体，给予重组TNF处理。

结果：

TNF处理使浅表血管周围区域的 PDGFRA+/CCL19+ 细胞（Perivasc Fib I） 数量增加约4倍。

qPCR证实CCL19表达同样上调约4倍。

乳头层成纤维细胞（PDGFRA+）即使经TNF处理也不表达CCL19。

结论：TNF信号在PERIVASC I邻域中维持CCL19+ Perivasc Fib I的细胞身份，是免疫-成纤维细胞稳态互作的关键调控因子。

部位特异性的分子差异

屈侧部位（肘前窝）：高表达MHC I/II类分子、趋化因子（CXCL2/3/8/12, CCL2）及MIF–CD74+CD44，可能增强T细胞的招募与滞留。

伸侧/承重部位（足底、膝、肘）：真皮-表皮连接处富集ECM组分及其受体（COL1A1/2, COL6A1/2, COMP），为表皮增厚提供分子基础。

结果6、疾病中的皮肤邻域重塑

数据来源：整合了正常皮肤及五种皮肤病（特应性皮炎、银屑病、化脓性汗腺炎、基底细胞癌、鳞状细胞癌）的81个Visium样本。

邻域映射：将Visium数据中的斑点聚类成功映射到MERFISH定义的十个正常稳态邻域，覆盖上皮、基质、附属器和血管周围区域，并通过特征评分和反卷积验证了映射的准确性。

疾病相关的新邻域与共享程序

疾病富集的聚类：识别出四个疾病中普遍扩增的聚类（C1、C3、C4、C15）：

• C1（KC应激）：表达KRT6系列和S100A8/A9，在鳞状细胞癌、特应性皮炎、基底细胞癌非肿瘤区中均增加，反映广泛的角质形成细胞应激反应。
• C4（分化毛囊间表皮）：在鳞状细胞癌、化脓性汗腺炎、特应性皮炎中增加，富集角化相关基因。
• C15（PERIVASC I）：在鳞状细胞癌、基底细胞癌、化脓性汗腺炎、特应性皮炎中均扩增，富集T细胞、血管周围成纤维细胞和趋化因子。
• C3（浆细胞/TLS）：富集浆细胞标记和趋化因子，对应组织学上的三级淋巴结构。

疾病特异性聚类：

• 基底细胞癌：特有C13和C19（肿瘤区域）。
• 化脓性汗腺炎：特有C14（对应疾病标志性结构“上皮隧道”）、C8（弱TLS样信号）和C0（真皮-表皮连接处+网状真皮）。

PERIVASC I邻域是疾病中最广泛重塑的区域

• 普遍扩增：PERIVASC I（C15）是所有疾病中扩增最广泛的邻域，类似于诱导性皮肤相关淋巴组织（iSALT）。
• 功能改变：该邻域内趋化因子、细胞因子和细胞外基质因子表达上调，提示其是免疫招募与活性的关键空间区域。

邻域重塑模式：皮肤病同时伴随着稳态邻域的扩增（如PERIVASC I）和转录组重塑。 治疗启示：PERIVASC I作为核心的免疫调节空间区域，靶向调节血管周围的细胞动力学可能为皮肤病治疗提供新策略。 共享与特异并存：不同疾病既有共同的邻域改变（如PERIVASC I扩增、KC应激），也有独特的病理结构（如HS的上皮隧道、BCC的肿瘤特异聚类）。

最后，来看看方法

空间临近通讯

visium数据分析

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