molekulare Heterogenität der pulmonalen Hypertonie, Single-Cell-Omics

scRNA-seq hebt modellspezifische Veränderungen bei Nagetier-PAH hervorIn dieser Ausgabe des Journals haben Hong und Kollegen (S.  1006–1022  ) eine lungenweite Perspektive der Veränderungen im Anteil spezifischer pulmonaler und unterschiedlicher Immunzellpopulationen und ihrer molekularen Phänotypen angeboten, die zwischen ihnen gemeinsam oder unterschiedlich reguliert sind zwei weit verbreitete Tiermodelle von PAH (  4 ). Hong und Kollegen führten scRNA-seq an Sugen-Hypoxie- und MCT-behandelten Rattenlungen durch und identifizierten 28 verschiedene Zelltypen, die anerkannte Marker für vaskuläre, epitheliale, stromale, lymphoide und myeloide Zellpopulationen exprimieren. Eine der dominantesten Beobachtungen in diesem Datensatz ist die signifikante Verschiebung in der Zusammensetzung der Immunzellpopulationen zwischen beiden experimentellen PAH-Modellen, insbesondere der Anteil der Lungenmakrophagen-Subtypen. Eine signifikante Anreicherung von interstitiellen Makrophagen wurde bei MCT, aber nicht bei Sugen-Hypoxie gefunden. Im Gegensatz dazu waren Alveolarmakrophagen bei Sugen-Hypoxie signifikant erhöht, was in diesem scRNA-seq-Datensatz auch eine größere transkriptomische Verschiebung aufwies. In Bezug auf vaskuläre zellspezifische Veränderungen in Tiermodellen von PAH, Die Herunterregulierung von BMPR2 und seinem nachgeschalteten Ziel ID1 wurde ausschließlich in der endothelialen (EA1) Subpopulation bei MCT-PAH, aber nicht bei Sugen-Hypoxie festgestellt. Zusätzlich zu den gemeinsam regulierten Genen in beiden Modellen betont die differenzielle Expressionsanalyse weitgehend die Existenz sowohl modellspezifischer als auch zelltypspezifischer Dysregulation von Transkriptionssignaturen und damit verbundenen Signalwegen zwischen MCT oder Sugen-Hypoxie. In Anbetracht der unvermeidlichen Notwendigkeit dieser Tiermodelle für ein besseres Verständnis der pathologischen Folgen, ist es zwingend erforderlich, den Anteil der pathobiologischen Merkmale menschlicher PAH, die von den jeweiligen Tiermodellen von PAH rekapituliert werden, weiter über Einzelzell-Multiomik-Ansätze zu analysieren. Zusätzlich zu den gemeinsam regulierten Genen in beiden Modellen betont die differenzielle Expressionsanalyse weitgehend die Existenz sowohl modellspezifischer als auch zelltypspezifischer Dysregulation von Transkriptionssignaturen und damit verbundenen Signalwegen zwischen MCT oder Sugen-Hypoxie. In Anbetracht der unvermeidlichen Notwendigkeit dieser Tiermodelle für ein besseres Verständnis der pathologischen Folgen, ist es zwingend erforderlich, den Anteil der pathobiologischen Merkmale menschlicher PAH, die von den jeweiligen Tiermodellen von PAH rekapituliert werden, weiter über Einzelzell-Multiomik-Ansätze zu analysieren. Zusätzlich zu den gemeinsam regulierten Genen in beiden Modellen betont die differenzielle Expressionsanalyse weitgehend die Existenz sowohl modellspezifischer als auch zelltypspezifischer Dysregulation von Transkriptionssignaturen und damit verbundenen Signalwegen zwischen MCT oder Sugen-Hypoxie. In Anbetracht der unvermeidlichen Notwendigkeit dieser Tiermodelle für ein besseres Verständnis der pathologischen Folgen, ist es zwingend erforderlich, den Anteil der pathobiologischen Merkmale menschlicher PAH, die von den jeweiligen Tiermodellen von PAH rekapituliert werden, weiter über Einzelzell-Multiomik-Ansätze zu analysieren.scRNA-Seq enthüllt gefäßzelltypspezifische Störungen bei menschlicher PAHSaygin und Kollegen (  3 ) berichteten erstmals über Transkriptom-Profile menschlicher Lungenzellpopulationen aus drei IPAH- und sechs Kontroll-Lungenexplantaten mit Einzelzellauflösung. Die Autoren identifizierten 18 unterschiedliche Zellcluster sowohl aus der Kontroll- als auch aus der IPAH-Lunge, einschließlich der wichtigsten Zelltypen des Lungengefäßsystems (ECs, lymphatische ECs, SMCs, Perizyten und Fibroblasten), des respiratorischen Epithels und der Immunzellpopulationen. Interessanterweise zeigten die EC- und Perizyten/SMC-Cluster die unterschiedlichsten exprimierten Gene und dysregulierten Signalwege unter allen profilierten Lungenzelltypen im menschlichen Datensatz. Die Analyse der Transkriptomsignaturen ergab unterschiedliche Gene und Signalwege, die an dem Zellcluster beteiligt sind, der ECs (Entwicklung des kardiovaskulären Systems und der Blutgefäße) und Perizyten/SMCs (Entwicklung des Kreislaufsystems und extrazelluläre Matrix und Strukturorganisation) umfasst. Weitere Analysen identifizierten SOX18 als einen wichtigen Transkriptionsfaktor, der in IPAH-ECs erhöht ist und möglicherweise das EC-Transkriptom reguliert. Kurz gesagt, der humane scRNA-seq-Datensatz bot die erste Perspektive der zelltypspezifischen Transkriptionslandschaft in IPAH-Lungen und hob die signifikanten transkriptomischen Veränderungen in IPAH-ECs hervor.HerausforderungenEin bemerkenswerter Unterschied zwischen den scRNA-seq-Datensätzen, die in humanen IPAH- (  3  ) und Ratten-PAH-Modellen (  4 ) ist die variable Darstellung von Gefäß- und Immunzelltypen in beiden Datensätzen. Eine Haupteinschränkung, mit der die Einzelzellstudien konfrontiert werden, ist die unerwünschte Variabilität oder Verzerrung in der Zelltypzusammensetzung von Einzelzellsuspensionen, die aus inhärent komplexen Geweben wie Lungen hergestellt werden. Diese Probleme ergeben sich aus Gewebedissoziationsprotokollen, die für bestimmte Zelltypen suboptimal sind, was die Analysen und die anschließende Interpretation dieser wertvollen Datensätze erheblich verfälschen kann. Vor allem gibt es auch große Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit von molekularen Markern, die zur Annotation und Identifizierung von Zelltypen in Einzelzellstudien zugewiesen werden, die umgehend harmonisiert werden müssen.ZukunftsperspektivenInsgesamt haben die ersten transkriptomischen Einzelzell-Datensätze, die sowohl in menschlichen (  3  ) als auch in Tiermodellen (  4  ) generiert wurden, einen Maßstab für zukünftige Studien gesetzt, die weiter überzeugen, die artspezifische und modellspezifische Variabilität in der zellulären Zusammensetzung von zu untersuchen und zu verstehen der Lunge und des rechten Ventrikels bei PH (  6  ). Abgesehen von der krankheitsbedingten Variabilität in der zellulären Zusammensetzung der PH-Lunge (  Abbildung 1A ) können die molekularen Signaturen, die der beobachteten phänotypischen Heterogenität zugrunde liegen, kartiert werden, indem die Datensätze integriert werden, die durch Einzelzellansätze generiert wurden, die regulatorische Modifikationen in DNA, Chromatinzustände (  7  ), quantitative Veränderungen in RNA und Protein mit einer Einzelzellauflösung untersuchen. Die Analyse zellspezifischer molekularer Signaturen kann potenzielle zelluläre Marker aufdecken, die mit den unterschiedlich repräsentierten Subpopulationen in PH-Lungen assoziiert sind (  Abbildung 1B ). Räumliche Profilierungsmethoden wie fluoreszierende in situ -RNA-Sequenzierung (  8  ), zielgerichtete Barcode - in situ -Sequenzierung (  9  ), räumliche Transkriptomik (  10  ) oder Multiplex-Immunfluoreszenzfärbungen (  11  ) können eingesetzt werden, um die räumliche Verteilung von zellulären Subpopulationen in zu verstehen die Entwicklung angioobliterativer Gefäßläsionen. Durch die Integration der Datensätze, die durch Multiomics-Einzelzellansätze bei Nagetier-PH und verschiedenen Untergruppen der menschlichen PH generiert wurden, wurde die integromische Analyse (  12 ) wird uns helfen, die gemeinsamen, artspezifischen, zellspezifischen molekularen Netzwerke und Signalknoten zu entschlüsseln, die den translationalen Wert für prospektive präklinische Studien besitzen (  Abbildungen 1D und 1E ). Insbesondere Transdifferenzierungswege und die Plastizität von Gefäßzelltypen, die mit dem Gefäßumbauprozess verbunden sind, können durch die Kopplung von In-vivo -Einzelzelltechniken mit transgenen Strategien zur Abstammungsverfolgung kartiert werden (  Abbildung 1F ). Jüngste Beweise haben das Vorhandensein von pharmakologisch modulierbaren Signalisierungsknotenpunkten, Transkriptionsregulatoren und epigenetischen Enzymen aufgedeckt, die in PH-Gefäßzellen spezifisch dysreguliert sind (  13  ,  14  ). Darüber hinaus können die PH-spezifischen molekularen Signaturen mit den pharmakologischen Störungssignaturen (  15  ) verglichen werden, um potenzielle Kandidaten für die Neupositionierung von Arzneimitteln vorherzusagen (  Abbildung 1G ) und therapeutische Ansätze zu entwerfen, die auf krankheitsspezifische Subpopulationen bei PH abzielen.

Abbildung 1.Aufklärung der zellulären Heterogenität und der molekularen Signaturen, die der Pathogenese der pulmonalen Hypertonie (PH) zugrunde liegen, unter Verwendung von Einzelzellansätzen. ( A ) Die zelluläre Zusammensetzung und die molekularen Signaturen, die der beobachteten phänotypischen Heterogenität zwischen normaler und PH-Lunge zugrunde liegen, können kartiert werden, indem Einzelzellansätze verwendet werden, um die DNA-, RNA-, Protein- und Chromatinzustände bei Einzelzellauflösung zu untersuchen. ( B ) Unter Verwendung der molekularen Signaturen und neuen Oberflächenmarker, die durch Einzelzell-Profiling-Ansätze identifiziert wurden, können die unterschiedlich repräsentierten zellulären Subpopulationen in PH durch fluoreszenzaktivierte Zellsortierung weiter isoliert und einer weiteren Validierung subpopulationsspezifischer molekularer Signaturen unter Verwendung eines benutzerdefinierten Gens unterzogen werden Ausdruckstafeln. ( C) Die räumliche Verteilung der molekularen Signaturen spezifischer Subpopulationen auf Gewebeebene kann mit räumlicher Transkriptomik oder fluoreszierender In-situ -RNA-Sequenzierung erreicht werden. ( D ) Die integrale Analyse der Daten, die durch Multiomik-Ansätze (Genomik, Epigenomik, Transkriptomik, Proteomik und Metabolomik) generiert werden, wird es uns ermöglichen, die zellspezifischen molekularen Netzwerke hervorzuheben, die den phänotypischen Übergängen während des Gefäßumbauprozesses zugrunde liegen. ( E ) Die durch Multiomics-Ansätze in verschiedenen Untergruppen der menschlichen PH generierten Daten können weiter mit Nagetier-Datensätzen verglichen werden, um die artspezifischen molekularen Signaturen aufzudecken, die den translationalen Wert für prospektive präklinische Studien besitzen. ( F) Der krankheitsinduzierte phänotypische Zustandsübergang und die gesamte phänotypische Plastizität von Gefäßzelltypen während nachfolgender Stadien des Gefäßumbauprozesses können durch die Kopplung transgener In-vivo -Strategien zur Abstammungsverfolgung und Einzelzelltechniken in Tiermodellen von PH kartiert werden. ( G ) Die krankheitsspezifischen molekularen Signaturen von PH-assoziierten Subpopulationen (vaskuläre oder pulmonale oder Immunzellen) können weiter mit den pharmakologischen Störungssignaturen aus den Connectivity Map-Datenbanken verglichen werden, um potenzielle Kandidatenmedikamente vorherzusagen, die auf die therapeutisch lebensfähigen PH-spezifischen zellulären Subpopulationen abzielen in vivo . Abbildung herunterladen  |  PowerPoint herunterladen