多组学揭示矽肺中一个新型Cxcr4+肺泡巨噬细胞亚群及AMD3100对小鼠的治疗作用

《Clinical and Translational Medicine》：Multi-omics reveals a novel Cxcr4+ subpopulation of alveolar macrophages and therapeutic effect of AMD3100 in mice with advanced silicosis

　　

背景：矽肺是一种因吸入结晶二氧化硅（SiO₂）颗粒引起的职业病，其特征是肺部持续炎症和异常的修复机制。研究人员前期的研究证明，使用普乐沙福（AMD3100）抑制Cxcr4能显著减轻肺纤维化。
方法：通过整合单细胞RNA测序（scRNA-seq）与空间转录组学（ST），研究人员分析了尘肺病小鼠模型的肺组织。利用稳健细胞类型分解（Robust Cell Type Decomposition）算法对空间转录组学数据进行反卷积，研究人员鉴定出Cxcr4⁺巨噬细胞和Cxcl12⁺成纤维细胞是驱动肺纤维化进展的核心因素，并揭示了这些细胞群之间独特的空间共定位模式。为了进一步阐述巨噬细胞在矽肺进展过程中的异质性和功能特化，研究人员重点关注了关键的巨噬细胞亚群。
结果：AMD3100动态重塑了肺泡巨噬细胞（AMs）的微环境，促进了AMs稳态的恢复，并显著降低了巨噬细胞内Cxcr4/转化生长因子-β（TGF-β）信号的共表达和空间共定位，从而调节了纤维化免疫微环境。从机制上讲，体外二氧化硅粉尘刺激会上调巨噬细胞系MH-S中Cxcr4的表达，进而促进TGF-β和促炎因子的释放，驱动成纤维细胞活化。活化的成纤维细胞通过分泌Cxcl12进一步增强巨噬细胞的促纤维化表型，强化了Cxcr4信号轴，并建立了一个稳定的正反馈环路。
结论：研究人员的发现表明，矽肺相关纤维化通过涉及Cxcr4⁺ AM巨噬细胞与Cxcl12⁺成纤维细胞相互作用的正反馈环路而进展。这些发现突显了靶向Cxcl12/Cxcr4轴与AMD3100作为矽肺治疗创新方法的治疗前景。

矽肺是一种由长期吸入结晶二氧化硅颗粒引起的不可逆且常致命的纤维化肺病，目前尚无疾病修饰疗法。尽管巨噬细胞来源的失调因子被认为是重要贡献者，但驱动纤维化起始和持续的具体细胞间相互作用仍不清楚。本研究综合运用scRNA-seq和ST技术，揭示了巨噬细胞与成纤维细胞之间存在一个由Cxcl12/Cxcr4趋化因子轴驱动的自我放大的促纤维化环路，从而推动了矽肺的进展。该研究发表于《Clinical and Translational Medicine》。

研究团队首先建立了二氧化硅诱导的矽肺小鼠模型，并使用Cxcr4拮抗剂AMD3100进行治疗。通过计算机断层扫描（CT）、肺功能测试和组织病理学分析证实，AMD3100能显著减轻二氧化硅诱导的肺损伤和纤维化。接着，通过对对照组、矽肺模型组和AMD3100治疗组小鼠肺组织进行scRNA-seq分析，绘制了细胞图谱，发现二氧化硅暴露导致肺内单核巨噬细胞和中性粒细胞增多，而AMD3100治疗减少了这些炎症细胞的积累。ST分析进一步证实，在纤维化区域，巨噬细胞与成纤维细胞存在显著的空间共定位现象。对巨噬细胞亚群的深入分析发现，二氧化硅暴露后，间质巨噬细胞（IMs）显著增多，而AMD3100治疗能减少IMs的积累；特别地，研究人员鉴定出一个Cxcr4⁺肺泡巨噬细胞（AM）亚群，其在模型组中高表达TGF-β，而在AMD3100治疗组中表达降低。细胞通讯分析揭示，单核巨噬细胞与成纤维细胞之间主要通过Cxcl12/Cxcr4轴进行相互作用。免疫荧光染色和体外跨孔迁移实验证实，成纤维细胞分泌的Cxcl12能够趋化表达Cxcr4的AMs。机制研究表明，二氧化硅刺激AMs后通过Cxcr4信号通路上调TGF-β分泌，TGF-β进而作用于成纤维细胞，促进其活化并表达α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）和Cxcl12；活化的成纤维细胞分泌的Cxcl12又进一步招募更多的Cxcr4⁺巨噬细胞，形成一个自我维持的促纤维化环路。AMD3100治疗能有效打破这一环路，它既直接阻断Cxcl12/Cxcr4的相互作用，又能够下调成纤维细胞中Cxcl12的表达，从而减轻TGF-β信号传导，抑制IMs招募，最终缓解纤维化和矽肺结节的形成。

本研究运用的关键技术方法包括：利用小鼠气管内滴注二氧化硅建立矽肺模型；获取对照组、模型组和AMD3100治疗组小鼠肺组织样本，进行scRNA-seq和ST测序；通过生物信息学分析（包括细胞聚类、差异基因分析、空间反卷积、细胞通讯推断）解析细胞组成、空间分布和相互作用；通过流式细胞术、免疫荧光染色、组织病理学染色（H&E、Masson三色）以及体外细胞迁移实验进行验证。

研究结果主要得出以下结论：第一，二氧化硅暴露导致肺内巨噬细胞与成纤维细胞在空间上紧密共定位，并伴随显著的炎症反应和纤维化。第二，scRNA-seq和ST分析共同识别出一个由纤维化微环境中Cxcr4⁺ AM巨噬细胞和Cxcl12⁺成纤维细胞构成的关键促纤维化细胞亚群。第三，通过细胞通讯分析和实验验证，阐明了Cxcl12/Cxcr4信号轴介导了巨噬细胞与成纤维细胞之间的致病性对话：成纤维细胞分泌的Cxcl12招募Cxcr4⁺巨噬细胞，而这些巨噬细胞通过释放TGF-β进一步激活成纤维细胞，形成一个自我强化的正反馈环路。第四，Cxcr4拮抗剂AMD3100在体内能有效打破这一环路，通过减少促纤维化巨噬细胞的招募、抑制TGF-β信号和下调成纤维细胞Cxcl12表达，显著减轻肺纤维化和矽肺结节形成，展现了良好的治疗潜力。

在讨论部分，研究人员总结指出，本研究通过多组学方法揭示了矽肺纤维化进展中的一个核心致病环路。该环路由Cxcl12/Cxcr4轴驱动，涉及巨噬细胞与成纤维细胞的相互放大作用。研究人员识别的Cxcr4⁺巨噬细胞亚群及其空间共定位特征，为理解矽肺的细胞病理机制提供了新见解。AMD3100的治疗效果证实了靶向该轴的可行性，其作用机制包括直接阻断趋化因子受体相互作用和间接下调配体表达。研究也指出了局限性，如样本量较小、未涵盖疾病晚期阶段等，并展望了未来需深入探究Cxcr4⁺巨噬细胞的功能亚群、完整的相互作用网络以及与其他纤维化通路的联合治疗策略。

结论部分明确指出：总的来说，本研究的多组学分析揭示了在矽肺中由Cxcl12/Cxcr4轴驱动的一个自我维持的巨噬细胞–成纤维细胞环路。利用AMD3100破坏这一环路能显著减轻纤维化，这使得Cxcr4成为该疾病一个有前景的治疗靶点。