骨髓是一个复杂的器官，包含造血细胞、间充质细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞和神经细胞等多种细胞谱系。其中，稀有的非造血细胞对造血过程的调控至关重要，它们构成了所谓的"造血微环境"（niche）。为了构建一个全面的、具有空间单细胞分辨率的人类骨髓图谱，《Cell》期刊发表了一项题为"Mapping the cellular biogeography of human bone marrow niches using single-cell transcriptomics and proteomic imaging"的研究论文。该研究利用scRNA-seq发现和鉴定了骨髓中主要细胞类型的转录组特征，特别是罕见的非造血细胞，并结合P hen oCycler-Fusion(PCF) 空间单细胞蛋白组（ CODEX ）技术在单细胞水平上解析了细胞的空间位置和邻域关系。这项研究创建了一个骨髓的参考图谱，为理解人类骨髓微环境在健康和疾病状态下的结构和功能提供了前所未有的详细蓝图，是造血和骨髓相关疾病研究领域的一个里程碑式资源。
0 1 构建全面的scRNA-seq图谱，揭示非造血细胞的巨大异质性
研究人员从16名接受髋关节置换术的患者（52-80岁）的新鲜股骨头中获取骨髓。通过酶消化释放所有细胞，并采用磁珠分选策略富集了罕见的造血干细胞/祖细胞（HSPCs）和非造血细胞，然后将不同富集群体的细胞混合进行10x Genomics单细胞RNA测序。最终对来自12个个体的82742个高质量细胞进行了分析。
除了完整的三系造血细胞（髓系、淋系、巨核/红系）和HSPC亚群，该研究鉴定出3大类非造血细胞：血管平滑肌细胞（VSMCs）、内皮细胞（ECs）和间充质细胞（MSCs和成骨细胞）。最突出的发现在于MSCs，与以往认为骨髓MSCs相对同质且呈脂肪细胞特征的观点不同，本研究发现了至少6个转录学上截然不同的MSCs亚群。
Fibro-MSCs（纤维样MSCs）： 表达PDPN（Podoplanin）、DPT等，具有最强的克隆形成能力和多向分化潜能（成骨、成脂、成软骨），最符合国际细胞治疗学会（ISCT）对间充质干细胞的定义。
THY1+ MSCs： 高表达THY1（CD90）和LBP，也具有较高的增殖能力。
Adipo-MSCs（脂肪样MSCs）： 高表达CXCL12以及脂肪生成相关基因（如PPARG, LPL）。
Osteo-MSCs/Osteoblasts（成骨样MSCs/成骨细胞）： 表达成骨标志物（如BGLAP, SPP1）。
APOD+ MSCs： 一个新发现的亚群，高表达APOD，功能未知。
RNAlo MSCs： 因质量控制指标不佳（可能为高度分化的细胞或假象）而被排除在后续分析之外。
通过流式细胞术分选这些MSCs亚群并进行功能实验，证实了Fibro-MSCs和THY1+ MSCs确实具有更强的干性/祖细胞特性。研究者也提出了PDPN或许是骨髓中间充质干细胞的特征性marker。
0 2 MSCs亚群的功能 特性分析
为了揭示不同MSCs亚群对造血过程的影响，研究通过关键造血支持因子及细胞通讯分析发现了MSCs是骨髓中信号输出的主要来源。不同的MSCs亚群"专精"于产生不同的造血支持因子。Adipo-MSCs和THY1+ MSCs 是关键造血因子（如CXCL12, KITLG, CSF1, IL7）的主要生产者，提示它们在支持HSPCs和淋巴细胞生成中起核心作用。Osteo-MSCs/Osteoblasts 则更倾向于表达与HSC静息相关的因子（如TGFB1, CDH2）。内皮细胞（尤其是动脉内皮细胞AECs）和VSMCs 是Notch信号配体（如JAG1, DLL4）的主要来源，该信号对淋系发育至关重要。
0 3 PCF 空间单细胞蛋白组（ CODEX ）揭示骨髓微环境的结构特征
基于scRNA-seq发现的细胞marker，研究者设计并验证了一个包含53种抗体的检测panel，对另外12个股骨头样本（其中8个与scRNA-seq重叠）进行了全切片成像。通过对超过120万个细胞进行分割和注释，最终定义了32种细胞类型在空间中的精确位置。
PCF鉴定了HSPC及其他谱系的造血细胞，还鉴定了稀有的免疫型HSC（Lin-CD34+ CD38-CD45RA-CD90+）和施万细胞（PLP1+ CD271+）。非造血细胞鉴定了动脉内皮细胞（AEC）、血窦内皮细胞（SEC）、血管平滑肌细胞（VSMC）、脂肪细胞、骨内膜细胞和MSC亚群等。
特别注意的是在MSC亚群分析时，无监督聚类注释了Adipo-MSC和THY1+MSC，而Fibro-MSC和Osteo-MSC可能是在骨组织处理过程中丢失导致细胞非常稀有。研究者手动注释了这两种MSC亚型。结果证实了在空间原位上Fibro-MSC和Osteo-MSC位于骨内膜表面或骨小梁内部。并且手动注释的这两种细胞在无监督簇上也和骨内膜细胞簇重叠。最后对比PCF和scRNA-seq的MSC亚型marker，结果呈现高度一致性。
0 4 细胞邻域分析发现功能性的微环境单元
空间细胞邻域分析识别了15个反复出现的细胞类型组合。动脉内皮细胞和骨内膜细胞会共定位在相同的邻域中，HSPC和早期髓系细胞分布在不同邻域中。分析感兴趣的早期髓系/动脉/骨内衬邻域，结果发现了该邻域中富含早期髓系祖细胞（EMPs/GMPs）、动脉内皮细胞（AECs）、血管平滑肌细胞（VSMCs）和骨内衬细胞。这些区域的早期髓系细胞低表达缺氧诱导因子HIF1A，表明它们处于一个相对富氧的微环境。这与传统认为骨髓整体缺氧的观点不同，提示早期髓系生成需要特定的氧供应。
0 5 微观结构分析揭示HSPCs与脂肪细胞的意外关联
研究者进一步依据PCF空间单细胞蛋白组的成像结果，手动注释了关键的骨髓宏观结构，如脂肪细胞区域、动脉、窦状隙、骨、巨噬细胞和CXCL12+基质。
通过计算分析不同细胞邻域和细胞类型与这些结构的空间邻近性，发现了最原始的SPINK2+ HSPCs 以及其他HSPCs，都显示出与脂肪细胞显著的空间邻近性。这意味着在人类成年骨髓中，HSPCs倾向于位于脂肪细胞周围。早期髓系祖细胞与骨和动脉的邻近更显著之外，也和脂肪细胞具有强的邻近关系。但是成熟髓系细胞和窦状隙显著相邻。
研究者根据这些细胞的空间互作关系提出了髓系生成的空间动态模型：
HSPCs在脂肪细胞微环境中维持，早期髓系祖细胞（EMPs/GMPs）被指定并迁移到富氧的动脉-骨内衬邻域进行增殖和早期分化，更成熟的髓系细胞则靠近窦状隙，可能为进入血液循环做准备。
最后研究者将健康的PCF空间单细胞图谱作为参考，通过计算映射方法，自动注释了3个诊断期（Dx）和2个治疗后（PostTx）的急性髓系急性髓系白血病（AML）患者活检样本，以及3个作为对照的阴性淋巴瘤分期骨髓（NSM）样本。发现了在AML样本中，Adipo-MSCs和THY1+ MSCs的频率显著增加。细胞邻域分析表明了白血病细胞与基质细胞之间存在密切的空间相互作用，可能与治疗耐药有关。
总结与讨论
这项研究通过巧妙结合单细胞组学和最前沿的空间单细胞蛋白组，为我们绘制了一幅详尽的"人类骨髓微环境地图"。它不仅深化了我们对正常造血维持机制的理解，也为研究和治疗骨髓相关疾病（如白血病、骨髓衰竭等）奠定了坚实的基础。
华盈生物空间多模态研究体系
PCF空间单细胞蛋白组成像示例
相关文献
Bandyopadhyay S, Duffy MP, Ahn KJ, Sussman JH, Pang M, Smith D et al. Mapping the cellular biogeography of human bone marrow niches using single-cell transcriptomics and proteomic imaging. Cell. 2024;187(12):3120-3140.e29.