目的 通过分析单细胞测序数据(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq),构建急性肺损伤(acute lung injury, ALI)中肺微血管内皮细胞(pulmonary microvascular endothelial cells, PMVECs)的单细胞动态变化图谱,解析损伤进程中细胞异质性及通讯特征。
方法 从基因表达综合数据库(gene expression omnibus, GEO)获取单细胞RNA测序数据集(GSE148499)。利用Seurat软件包进行质量控制、降维聚类和细胞注释。通过基因本体(gene ontology, GO)和京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes, KEGG)进行差异基因富集分析。采用Monocle3包和CellChat包分别进行拟时序轨迹推断和细胞间通讯分析。利用GSE207651数据集及体外细胞实验进行验证。
结果 PMVECs共鉴定出5种功能亚群,其中先天免疫-气细胞型微血管内皮细胞(innate immune aerocytes, IIAerocytes)和增殖型微血管内皮细胞(proliferative capillary, PCap)是关键调控亚群。ALI早期(6 h~24 h),高表达Car4、Prx、Sox9和Ptgse的IIAerocytes迅速扩增,第1天达峰值(细胞占比13.4%)。该亚群共鉴定出338个差异基因(adj. P<0.05, |log2FC|>1),显著富集于先天免疫激活与病原体应答通路,功能上可通过ESAM信号增强内皮间连接,调控炎症反应与血管通透性。ALI修复期(3 d),高表达Gpihbp1、Tm4sf1、Cdk1、E2f1和Cdk4的PCap扩增至细胞占比32.7%。该亚群共鉴定出441个差异表达基因(adj. P<0.05, |log2FC|>1),显著富集于细胞周期与DNA修复。拟时序分析显示IIAerocytes源自Aerocytes的分化轨迹,PCap起源于GCap。脓毒症模型中同样鉴定出类似IIAerocytes亚群(高表达Car4、Prx、Ltbp2及Higd1b),功能集中于趋化因子信号、白细胞迁移调控及中性粒细胞募集。体外脂多糖刺激实验中,人PMVECs的Cdk4蛋白表达在刺激后第1天达峰值(P<0.0001),E2f1在第2天达峰值(P<0.0001)。细胞免疫荧光染色结果与蛋白印迹分析趋势高度一致,Cdk4和E2f1细胞内荧光强度分别于刺激后第1天、第2天达到峰值(P<0.0001),与PCap增殖标志物的时序表达特征相符。
结论 基于scRNA-seq揭示了ALI下PMVECs功能特征由促炎向促血管生成转换,为ALI病理机制解析及靶向干预提供新见解。