导语
骨髓是一个复杂的器官，容纳来自造血、间充质、内皮、血管平滑肌和神经谱系的不同细胞。其中许多非造血细胞是骨髓生态位的重要组成部分，相对罕见的非造血细胞对造血有关键贡献。但非造血细胞在骨髓细胞中的比例少于0.5%，分离出足够的活非造血细胞是一个巨大的挑战。此外，特定的细胞分离方法也可能会极大地影响捕获的细胞类型的多样性。总之，目前关于骨髓微环境非造血细胞组成的研究相对缺乏。
2024年6月有研究团队在Cell （IF=45.4）期刊上发表了题为“Mapping the cellular biogeography of human bone marrow niches using single-cell transcriptomics and proteomic imaging”的文章。该研究采用scRNA-seq和CODEX多重成像技术，阐明了人体骨髓微环境的细胞和空间结构，绘制了人类骨髓的空间单细胞图谱。
研究方法
1. 样本：收集了16例52岁-80岁接受髋关节置换手术病例的新鲜股骨头的骨髓
2. 细胞数量：53,417个造血细胞和29,325个非造血细胞
3. 单细胞捕获平台：10x Genomics
4. 研究方法：研究思路见下图
主要研究结果
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人骨髓的单细胞转录组图谱
研究对53,417 个造血细胞和29,325个非造血细胞进行了单细胞转录组测序。在非造血细胞确定了三种主要细胞谱系，血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cell，VSMC）、内皮细胞（Endothelial cell，EC）和间充质细胞（mesenchymal cells，MC），其中MC包括间充质干细胞（Mesenchymal stem cell，MSC）和成骨细胞。研究发现骨髓中这些细胞内的细胞多样性远大于先前研究中多报道的，这些酶促释放的细胞具有高度异质性。
图1 人骨髓造血和非造血细胞的单细胞转录组图谱
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EC和MSC的转录多样性
MSC存在显著异质性，可进一步分为骨细胞、脂肪细胞和成纤维细胞。研究发现了一些独特的MSC亚群，包括Adipo-MSC亚群、Fibro-MSC亚群和THY1-MSC亚群，其中Fibro-MSC亚群是MSC亚群中最原始的。另外研究还发现了两类骨髓内皮细胞，即动脉内皮细胞和静脉内皮细胞。
图2 人骨髓非造血细胞组成
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MSC、EC和骨系细胞协同产生多种造血支持因子
探究对MSC异质性是否会导致造血支持因子的转录水平差异进行了分析。研究结果发现不同MSC类型会产生特定的支持因子，例如CXCL12在Adipo-MSC和THY1+ MSC中表达最高，而 IGF1主要在Fibro-MSC中表达。接着进行的细胞通讯分析结果显示，大多数经典支持因子由MSC亚群产生，尤其是Adipo-MSC和THY1+MSC，它们会高表达 CXCL12、KITLG、CSF1 和 IL-7 等关键生态位因子。
图3 造血细胞和非造血细胞类型之间的不同信号传导模式
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CODEX多重成像技术揭示了人骨髓生态位的解剖结构
为了解析scRNA-seq图谱中骨髓细胞类型的单细胞解剖结构，作者研究设计了一个54-plex panel，共识别出32种细胞类型，包括一些罕见细胞，个体之间的总体细胞类型分布相似。此外，在手动注释的422个骨质充质干细胞中，有53%的细胞与成簇的骨内膜细胞重叠，表明骨内膜群体富含骨系细胞。此外，研究发现CODEX 细胞类型的蛋白质表达谱与scRNA-seq数据高度匹配。
图4 54-plex CODEX成像揭示了人类骨髓的空间细胞分布
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早期髓系祖细胞和粒细胞单核细胞祖细胞定位于高氧-动脉骨内微环境
为了解析造血细胞和间充质细胞如何组织成细胞邻域，研究通过无监督的邻域分析鉴定了15个细胞邻域。研究发现小动脉细胞比预期的更靠近小梁骨，这表明骨内生生态位实际上可能与小动脉生态位结合。其次，研究发现早期髓系祖细胞和粒细胞单核细胞祖细胞中的HIF1A水平较低，表明这些细胞没有经历缺氧，与它们位于供氧血管附近相关。而骨髓基本上是一个缺氧的环境，这说明与早期髓系发育相关的生长环境相对富含氧气。
图5 细胞邻域分析揭示了早期髓系祖细胞和粒细胞单核细胞祖细胞的高氧动脉/骨内膜生态位
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HSPC的脂肪细胞周围定位
作者研究对六种关键微环境进行研究，包括脂肪细胞、小动脉、骨骼、巨噬细胞及其突起、窦状体和CXCL12+基质。结果发现小动脉最接近骨骼，这支持了邻域分析的发现，即骨内生位富含小动脉。早期髓系邻域靠近小动脉和骨骼，进一步证明了动脉-骨内膜生态位。研究还发现造血干细胞和祖细胞（hematopoietic stem and progenitor cells，HSPC）接近脂肪细胞和巨噬细胞，成熟的髓系细胞最接近血窦，而非小动脉或骨骼，这揭示成熟过程发生在中央、血窦周围生态位。
图6 骨髓微环境的综合结构分析揭示了谱系非特异性的脂肪细胞定位-固定HSPC
小结
本研究报告了迄今为止最全面的健康人类骨髓参考图谱，涵盖了造血和非造血细胞类型及其空间组织。研究将scRNA-seq和CODEX数据进行整合，揭示了早期骨髓生成的高氧动脉-骨内膜邻域，以及早期造血干细胞和祖细胞 的脂肪细胞定位。总的来说，这些研究结果将为未来人类骨髓生态位研究的重要参考。
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