李虹团队发表万字综述：单细胞及空间组学技术在肝脏领域的应用

肝脏是脊髓动物体内最重要的代谢器官之一，肝功能的运作在很大程度上依赖于其精妙的解剖学结构【1】。全世界受肝病影响的人数众多。肝病的发生发展与细胞状态、细胞间相互作用以及空间结构的变化密切相关【2-4】。因此，对肝病发病机制的解析亟需从单细胞以及组织空间的角度入手。

单细胞转录组测序及空间组学作为新兴技术，已被越来越多地运用于肝脏的研究，极大地推动了领域的发展【5-8】。随着肝脏单细胞及空间组学数据的积累，计算生物学分析策略及工具也不断地丰富完善，展现出了多元的特征。多样化的实验及分析方案加快了肝脏研究的进程，但也为设计目的导向型的单细胞或空间组学实验及策略提出了新的挑战。

近期，HEPATOLOGY杂志发表中国科学院上海营养与健康研究所李虹团队的综述文章Single-cell and spatially resolved transcriptomics for liver biology。文章系统介绍了前沿的单细胞及空间组学技术，重点阐述了这些新兴技术在肝脏研究各个子领域中的前沿进展，总结归纳了常见的四种分析场景以及相关计算生物学策略，并对未来的发展方向提出了新思考。

单细胞图谱的构建、重塑细胞状态转换并鉴定关键因子、组织微环境解析以及治疗靶点的探究是常见的四种单细胞及空间组学技术在肝脏研究中的应用场景（图一）。这四种场景贯穿了肝脏研究的各个领域，帮助研究者在稳态肝，肝脏胚胎发育、肝再生、非酒精性脂肪肝以及肝癌领域取得许多突破性的进展。

首先，单细胞转录组技术的应用促进了细胞基因标志物的鉴定。文章集合了熟知的肝脏细胞标志物以及单细胞研究的最新进展，整理出了人以及小鼠各类常见肝脏细胞的标志基因列表（图二），为其他肝脏单细胞研究提供了重要的参考。

图一、单细胞以及空间组学技术在肝脏研究中的常见应用场景及总体分析思路

图二、小鼠常见肝脏细胞类型及基因标志物

另外，单细胞及空间组学技术极大地促进了肝脏分区的重塑。文章详细呈现了基于单细胞组学技术，肝稳态条件下，肝细胞、内皮细胞以及肝星状细胞转录组特征的解析方法。而借助空间组学技术，科学家们也得以窥见其他细胞类型在肝小叶的空间分布（图三）。需注意的是，部分分区特征在肝损伤或疾病条件下可能发生变化。能稳定指示肝小叶分区而不随条件变化的地标基因仍需进一步探究。有意思的是，分区差异在一些肝病模型中同疾病的发生发展相关，这说明肝脏分区的研究十分重要，深入挖掘人类慢性疾病中肝小叶空间变化非常必要。

图三、小鼠肝脏细胞在稳态条件及NAFLD条件下肝小叶的分布示意图

单细胞以及空间组学也越来越多地被运用于肝损伤、慢性肝病以及肝癌的研究当中。非酒精性脂肪肝病（Nonalcoholic Fatty Liver Disease, NAFLD）是最常见的慢性肝病，影响大约四分之一的人口，已经成为肝癌患病人数增加的第一大原因[9]。它的病程包含单纯脂肪肝、脂肪肝炎（NASH）以及肝纤维化，严重的还会导致肝硬化乃至肿瘤的发生[9]。近年来，针对肝脏微环境，单细胞以及空间组学技术揭示了多种与疾病发生进展相关的细胞亚型、细胞状态变化以及互作失调（图四）。其中，肝星状细胞（hepatic stellate cell, HSC）的激活与纤维的产生密切相关，经过单细胞技术的解析，研究者们揭示了激活型HSC的异质性。除了直接产生胶原的肌成纤维母细胞（myofibroblast），激活型HSC还包含一种中间表达低丰度胶原的中间状态，提示HSC的激活是分步的过程。微环境中的巨噬细胞也被发现与NAFLD相关。研究者们借助单细胞或空间组学技术在单纯脂肪肝中发现了七个物种中保守的脂质相关的巨噬细胞亚群（lipid-associated macrophage）；小鼠AMLN饲养模型中发现NASH相关巨噬细胞亚群（NASH-associated macrophage）；人及小鼠肝纤维化微环境中发现瘢痕相关的亚群（scar-associated macrophage）。有意思的，这些亚群有着非常形似的基因标志物 (Trem2、Cd9、Spp1) ，暗示着它们可能是同一细胞亚群，且在NAFLD的进展过程中持续发挥作用。

图四、NAFLD相关细胞亚群、细胞状态转变以及相互作用

在肝癌的研究中，基于单细胞及空间组学技术，研究者们不仅鉴定到了诸多与肝癌相关的细胞亚群，还剖析了肿瘤内部细胞组成的空间结构（图五）。值得注意的是，这些细胞亚群在肿瘤微环境中的比例并不是固定的，而是随着治疗而发生变化。在空间组成上，肿瘤内部存在类正常区域、多纤维区域以及高度增殖的区域；并且存在十分复杂的细胞间相互作用。这些都为我们进一步了解肝癌的发生发展以及候选药靶的筛选提供了详细的资料。

图五、单细胞及空间组学技术揭示的肝癌相关细胞亚型、空间拓扑结构以及相互作用

最后，文章对当前单细胞及空间组学技术在肝脏方面运用存在的挑战、可能的解决方案以及未来的发展方向做出了展望。该文章为读者全面了解单细胞及空间组学技术在肝脏中的应用提供了途径，能够帮助读者快速把握单细胞及空间组学新兴技术的核心分析思路，系统了解细胞亚群和空间结构在肝脏发育、再生和疾病中的作用，启发读者设计针对肝脏生物学问题需求的单细胞或空间组学实验及分析策略。

中国科学院上海营养与健康研究所博士后林平为该论文第一作者，李虹研究员为该论文通讯作者。该工作得到了中科院上海营养与健康研究所李于、章海兵研究员，清华大学古槿教授的大力支持。

通讯作者李虹博士，中国科学院上海营养与健康研究所，研究员，博士生导师，系统生物学研究组组长。国家优青获得者，中科院青促会优秀会员。研究组根据发展需要，现面向国内外招聘博士后数名，诚邀具有生物信息学、数学、或计算机科学等相关背景的优秀青年学者加入。有意向者请投递简历。

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https://journals.lww.com/hep/Abstract/9900/Single_cell_and_spatially_resolved_transcriptomics.365.aspx

制版人：十一

参考文献

1. Paris, J. and N.C. Henderson, Liver zonation, revisited.Hepatology, 2022.

2. Wallace, S.J., et al., Understanding the cellular interactome of non-alcoholic fatty liver disease.JHEP Rep, 2022. 4(8): p. 100524.

3. Kisseleva, T. and D. Brenner, Molecular and cellular mechanisms of liver fibrosis and its regression.Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 2021. 18(3): p. 151-166.

4. Zhang, Q., et al., Landscape and Dynamics of Single Immune Cells in Hepatocellular Carcinoma.Cell, 2019. 179(4): p. 829-845 e20.

5. Saviano, A., N.C. Henderson, and T.F. Baumert, Single-cell genomics and spatial transcriptomics: Discovery of novel cell states and cellular interactions in liver physiology and disease biology.J Hepatol, 2020. 73(5): p. 1219-1230.

6. Ramachandran, P., et al., Single-cell technologies in hepatology: new insights into liver biology and disease pathogenesis.Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2020. 17(8): p. 457-472.

7. Guilliams, M., et al., Spatial proteogenomics reveals distinct and evolutionarily conserved hepatic macrophage niches.Cell, 2022.

8. Li, L., et al., Kupffer-cell-derived IL-6 is repurposed for hepatocyte dedifferentiation via activating progenitor genes from injury-specific enhancers.Cell Stem Cell.

9. Loomba, R., S.L. Friedman, and G.I. Shulman, Mechanisms and disease consequences of nonalcoholic fatty liver disease.Cell, 2021. 184(10): p. 2537-2564.