人类发育细胞图谱（HDCA）的构建是理解人类发育过程、健康和疾病的关键工程。无论是罕见病和先天性疾病，还是再生医学和组织工程都离不开对器官发育的研究。但在过去的研究中，研究人员对于肺部发育的理解很大程度上依赖动物模型和转录组分析，动物与人类在生理上存在的显著差异限制了这些动物研究直接应用于人类的可能性，因此对于人类肺脏中细胞信息的探究意义重大。

近期来自瑞典的研究团队在《Nature Communications》发表了题为“High-parametric protein maps reveal the spatial organization in early-developing human lung”的研究。本研究通过PCF空间单细胞蛋白组技术分析了人类产前肺组织中超过200万个单细胞的蛋白质数据，覆盖了从受孕后6周到13周的五个不同时间点，揭示了发育中人类肺脏主要细胞类型的空间动态，同时发现了免疫细胞在发育中的动脉内皮附近的富集现象。

为了描绘发育中的人肺组织的细胞异质性和空间组织，研究人员确定了30个指标作为检测的组合。分别定义上皮细胞，内皮细胞，间充质细胞，免疫细胞及细胞增殖（图1A-B）。结果显示在发育中的人类肺脏中最丰富的细胞类型是间充质细胞，其次是内皮细胞，其中上皮细胞可以分为SOX2high上皮细胞和SOX9high上皮细胞（图1D）。研究人员也同步展示了不同细胞类型在受孕后6周到受孕后13周在人肺样本中的分布情况（图1C）。

图1 人类肺脏发育的图谱构建

在确定人肺组织在发育过程中的细胞类型变化后，研究人员描绘了发育中的人肺组织细胞的邻接模式，临近细胞的通讯协调了整个器官的发育，解析细胞的临近关系至关重要。在所有发育阶段的样本中，细胞主要与自己类型的细胞相邻，其中内皮细胞、免疫细胞和间充质细胞在所有发育阶段中表现出更频繁的通讯。这表明三种细胞在发育早期就广泛分布在整个组织空间中，同时研究人员还观察到，从第8.5周开始，气道平滑肌细胞与SOX2high近端上皮细胞的临近频率高于SOX9远端上皮细胞。这种特殊现象突出了平滑肌细胞在介导上皮细胞分支中的特殊作用。此外研究人员发现神经细胞与气道平滑肌细胞的邻接增靠（图2A-B）。这种细胞内部和细胞间的邻接模型为我们提供了肺部发育的关键信息。

图2 人肺组织的细胞邻接模式

肺在发育过程中，细胞类型的增殖对于肺部结构的形成和功能的成熟至关重要。在此研究人员分析了单个细胞类型的Ki67表达情况作为其增殖的标志。伴随着发育时间的推移，增殖的细胞比例逐渐减少，第6周有36%的细胞增殖，而第13周仅有14%的细胞增殖。尽管所有细胞类型都表达Ki67，但多数增殖细胞由间充质细胞和内皮细胞组成。在发育早期SOX9high上皮细胞有60%-70%均为增殖细胞，其次是SOX2high上皮细胞（图3A-C）。通过比较SOX2high近端气道区域和SOX9远端尖端区域的增殖程度，研究人员发现，与SOX2high近端气道区域相比，SOX9high远端尖端含有更高的增殖细胞比例，这些结果表明，大部分增殖发生在远端区域，但近端的细胞更加稳定（图3D-E）。这表明发育中的上皮网络呈现层次结构，而近端气道中的增殖细胞可能有助于其直径的扩大，这些空间上的差异增殖模式为人类早期肺脏发育过程中气道分支和延长的机制提供了有价值的见解。

图3 发育肺脏的增殖模式

在肺脏的正常发育、成熟以及后续的免疫防御中，免疫细胞是不可或缺的。接下来研究人员通过对免疫细胞进行亚聚类来深入分析肺脏的免疫景观。在受孕后第6周到第8.5周之间，巨噬细胞开始表达MRC1（CD206），这预示着巨噬细胞开始出现异质性。ILC＆T细胞从发育8.5周开始出现，B细胞和树突状细胞在第11周出现，其中B细胞的增殖比例最高，且伴随着时间的推移巨噬细胞和ILC＆T细胞的增殖比例开始下降（图4A-B）。从邻接模式上来看，B细胞和NK细胞更倾向于同型细胞邻接，而巨噬细胞、ILC＆T细胞和树突状细胞彼此之间接触更多（图4C），这可能与组织稳态相关。

从第11周开始，CD45+免疫细胞围绕人类发育肺组织的动脉血管的现象引起了研究人员的兴趣，通过比较动脉临近免疫细胞和动脉远端免疫细胞，研究人员发现临近动脉的免疫细胞表达高水平的CD90、CD31和HLA-DR，而CD163和MRC1表达水平相对较低（图4D-F）。这也预示着免疫细胞所释放的抗原呈递或组织修复信号与人类肺发育过程中血管生长和重塑息息相关。

图4 发育肺组织的免疫景观

|   总结与讨论

对于多种细胞类型的精准鉴定以及组织原位单个细胞的识别是绘制人类器官细胞图谱的关键，本研究通过使用PCF空间单细胞蛋白组揭示了早期人类肺发育中细胞类型的时空变化，其中对于细胞的定位以及细胞间互作关系的解释为研究肺脏发育提供了全新思路。空间单细胞蛋白组的应用，使得研究人员能够在单细胞分辨率下解析复杂的细胞微环境，对于揭示组织发育及功能异质性具有重大意义。

| PCF空间单细胞蛋白组优势