Stereo-seq助力揭示牙周炎的免疫异常机制

Stereo-seq助力揭示牙周炎的免疫异常机制

牙周炎是人类常见的炎症性疾病，不仅会导致牙齿脱落，还与多种炎症相关疾病有关。目前的临床治疗方法效果不佳，因此，揭示牙周炎的发病机制对于开发创新疗法至关重要。近日，中山大学程斌院长研究团队联合首都医科大学王松灵院士研究团队等，在《SCIENCE CHINA Life Sciences》上发表重要研究成果，首次利用时空组学技术Stereo-seq揭示了牙周炎的免疫异常机制。

牙龈是重要的口腔屏障，可保护口腔组织免受各种刺激。牙龈稳态的丧失会导致牙周炎，这是人类常见的炎症性疾病。牙周炎不仅会导致牙齿脱落，还与多种炎症相关疾病有关。尽管目前的临床治疗包括机械清创和抗菌药物，但这些干预措施通常对牙周炎的治疗效果不佳。牙龈的免疫常驻细胞在空间上的相互作用及其促进牙周炎进展的分子机制仍不完全清楚。因此，了解牙周炎进展的机制并识别破坏牙龈稳态的因素对于开发针对这种常见疾病的创新疗法至关重要。

2023年12月，中山大学程斌院长研究团队联合首都医科大学王松灵院士研究团队等，在《SCIENCE CHINA Life Sciences》上发表了题为"The spatial transcriptomic landscape of human gingiva in health and periodontitis"的研究论文。该研究首次利用华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，结合单细胞技术探索了牙周免疫异常的机制，获取了牙周细胞的分子指纹并首次提出了牙周炎免疫分型。该研究进一步利用模型及临床样本，揭示了牙周炎特征性的免疫细胞及免疫分子的动态演变，建立了针对上牙周免疫细胞及分子的纳米颗粒靶向治疗体系，为基于多组学的牙周炎免疫分型及靶向免疫治疗策略提供了理论依据。

研究团队利用Stereo-seq结合scRNA-seq技术对牙周炎和健康样本进行比较分析，以研究牙周炎进展过程中牙龈的基因表达和细胞组成差异。具体而言，牙周炎样本采集自诊断患有牙周炎的患者，临床症状表现为牙龈红、肿、出血、退缩等，牙周袋深度大于4毫米，探诊时有出血；健康样本则采集自没有任何牙周病迹象的个体，具体表现为没有深牙周袋（深度小于3毫米），探诊时没有出血现象。

研究人员利用Stereo-seq绘制了牙龈组织的单细胞分辨率空间转录组图谱，并利用该图谱鉴定了牙龈的四种主要细胞类型，包括上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞和免疫细胞。通过对四种细胞类型的特异性标记基因进行基因本体（Gene Ontology，GO）富集分析，研究人员发现上皮细胞类型特异性标记基因在胶原纤维组织中富集。内皮细胞构成血管的内表面，这些细胞类型特异性标记基因在内皮细胞发育和分化中富集（图1）。免疫细胞主要位于上皮和结缔组织区域，这些细胞类型特异性标记基因主要在免疫球蛋白介导的免疫反应中富集（图1）。

图1. 空间转录组鉴定牙周炎和健康牙龈中的4种主要细胞类型

为了探索牙周炎的四种主要细胞类型的功能变化，研究人员通过GO分析研究了牙周炎患者牙龈与健康个体牙龈中差异表达基因（differentially expressed genes，DEG）的功能，发现与健康个体相比，牙周炎患者牙龈中四种主要类型的细胞表现出炎症相关和免疫反应途径的激活增加（图2）。

图2. 牙周炎牙龈的4种主要细胞类型中被激活的信号通路可视化

研究人员进一步对牙龈上皮细胞的空间异质性进行了深度分析，通过聚类分析确定了牙龈上皮细胞的3个亚群，发现与正常牙龈组织相比，发炎牙龈组织中基底层上皮细胞的比例有所增加（图3I）。此外，基底上皮细胞的特异性标记物KRT15的表达在发炎牙龈组织的上皮中显著高于正常牙龈组织（图3J）。总之，研究人员通过使用Stereo-seq实现了牙龈上皮细胞的空间定位，并发现发炎牙龈中的基底层扩张。

图3. 健康和牙周炎牙龈的上皮细胞亚群可视化

通过对Stereo-seq和scRNA-seq数据集的综合分析，研究人员研究了发炎牙龈中免疫细胞的浸润模式，包括浆细胞、单核细胞、T细胞、B细胞、中性粒细胞和肥大细胞（图4A）。发现与健康个体相比，牙周炎患者牙龈中浆细胞和T细胞的丰度显着增加（图4F-H）。此外，还发现成纤维细胞和浆细胞表达的CXCL12水平高于上皮细胞和内皮细胞。总之，该研究首次利用Stereo-seq揭示了牙龈中免疫细胞的空间模式，发现发炎牙龈中浆细胞的浸润显着增加。

图4. 牙龈细胞类型的Stereo-seq空间定位

研究人员利用PROGENy工具，评估了牙龈中每种细胞类型与炎症反应和组织再生密切相关的14条通路的活性。研究发现，与炎症相关的通路在发炎牙龈细胞中表现出比在健康牙龈细胞中更高的活性。研究人员还发现TGFβ、JAK-STAT和NF-κB信号通路在发炎牙龈的内皮细胞中激活程度最高（图5B）。总之，该研究利用Stereo-seq技术成功揭示了牙周炎期间不同信号通路的激活，并证明了发炎牙龈内皮细胞中JAK-STAT和NF-κB信号通路显著上调（图5D）。

图5. 牙周炎炎症反应相关信号通路的空间模式

Stereo-seq数据分析显示，牙周炎风险基因，如IFI16、TM9SF2和WNT5A，在牙龈中高水平表达（图6A）。研究人员利用Stereo-seq来研究全基因组关联分析（genome-wide association studies，GWAS）鉴定的健康和牙周炎牙龈中的牙周炎相关基因的表达模式（图6B），发现IFI16是牙龈中表达最高的牙周炎风险基因，在内皮细胞中表达尤其高。总之，该研究描述了牙龈中牙周炎危险基因的空间分布，并证实了IFI16在发炎牙龈的内皮细胞中显着上调。

图6. Stereo-seq揭示牙龈中与牙周炎相关的转录组特征

该研究利用Stereo-seq等技术，提供了全面的牙龈组织单细胞分辨率的空间转录组图谱，为牙周炎患者细胞组成的变化、炎症途径的激活和牙周炎风险基因的空间表达提供了有价值的见解。该研究结果对牙周炎诊断、预后评估和新药开发具有重要意义。通过了解牙周炎进展和牙龈稳态破坏的机制，有可能为这种常见炎症性疾病开发创新的治疗策略。

该研究2023年12月15日发表在《SCIENCE CHINA Life Sciences》上，中山大学沈宗杉副研究员、北京大学口腔医院张然副研究员为该文章的共同第一作者；中山大学程斌院长、首都医科大学王松灵院士为该文章的共同通讯作者。该文章数据由时空云平台STOmics Cloud提供技术支持。