GeoMx與CosMx空間轉錄組揭示動脈粥樣硬化中的免疫圖譜

一. 文章背景

動脈粥樣硬化并非單純的脂質沉積，而是一種免疫驅動的慢性炎癥性疾病。盡管已有大量研究證實先天和適應性免疫參與病程，但免疫細胞在不同血管層次中的空間分布及其隨病變進展的變化，仍缺乏系統認識。近年來，空間轉錄組技術開始被用于血管疾病研究，但多集中于頸動脈內膜切除樣本或不穩(wěn)定斑塊，且大多無法達到單細胞分辨率。此外，既往研究通常只覆蓋斑塊區(qū)域，難以同時解析內膜、中膜、外膜及血管周圍組織中的免疫微環(huán)境。

在此背景下，這項發(fā)表于 EMBO Molecular Medicine的研究，作者嘗試將 GeoMx DSP（空間區(qū)域劃分全轉錄組）與CosMx SMI（單細胞分辨率空間轉錄組）聯合應用于人冠狀動脈完整橫切面，系統刻畫動脈粥樣硬化進程中的免疫空間特征。

二. 研究設計

本研究選取3位心臟移植患者的冠狀動脈樣本，涵蓋從近正常-輕度-中度 -重度的病變連續(xù)譜，且保留血管全層結構及周圍脂肪組織。

1、GeoMx DSP

• 使用~18,000探針進行全轉錄組空間分析

• 選取CD45⁺免疫細胞以及CD4⁺ T細胞用于區(qū)分ROI

• 獲得空間區(qū)域水平的轉錄組全景

2、CosMx SMI

• 使用與GeoMx相鄰的連續(xù)切片

• 采用~970-plex RNA探針（含20個定制的基因）

• 實現單細胞空間分辨率

這種先廣后細的設計，使兩種平臺在信息深度與空間分辨率上形成互補。

實驗設計

三. 主要文章結論

1. GeoMx結果：免疫異質性具有明確空間層次

▶ 外膜與斑塊的免疫轉錄特征明顯不同

在CD45⁺免疫細胞中，外膜與斑塊呈現顯著差異的轉錄表達模式，提示不同血管層次具有功能分化的免疫微環(huán)境。

▶  隨病變進展，外膜免疫狀態(tài)發(fā)生重塑

將病變分為早期（近正常/輕度）與晚期（中度/重度）后發(fā)現，早期外膜中 APOD、ADH1B上調，晚期外膜中CXCR4、SPOCK2顯著增加。GO富集分析顯示，晚期病變外膜的免疫細胞呈現去分化/干性樣特征，并伴隨細胞骨架重組、脂質轉運相關通路變化。

▶  去卷積分析支持免疫組成變化

結合公開的人冠狀動脈scRNA-seq 數據進行去卷積，發(fā)現外膜中B細胞比例高于斑塊。隨病變加重，外膜中淋巴細胞比例上升、巨噬細胞比例下降。

使用GeoMx對動脈病變進行空間轉錄組分析

2.CosMx結果：單細胞尺度下的免疫重構

▶  單細胞層面識別11類主要細胞類型。UMAP顯示不同病變階段的細胞組成存在明顯分布差異。

▶  病變進展伴隨細胞狀態(tài)與比例變化。重度病變中：平滑肌細胞發(fā)生明顯表型調控；肌成纖維細胞顯著增加；適應性免疫細胞（B細胞、T細胞）顯著富集。這一趨勢與近期單細胞研究結論一致，但本研究首次在空間背景下得到驗證。

▶  ATLO結構的空間定位。在重度病變外膜區(qū)域，作者觀察到以B細胞+CD4⁺ T細胞為主的免疫細胞聚集，其形態(tài)與轉錄特征均符合動脈三級淋巴樣結構（ATLO）。

CosMx 數據集中的單細胞分型和目標表達

3. 細胞鄰域分析：免疫微環(huán)境不是隨機分布

作者基于20 μm距離定義細胞鄰域后，識別出10類細胞鄰域模式。近正常樣本中以內皮細胞、肌成纖維細胞鄰域為主。中重度病變中巨噬細胞鄰域、B細胞鄰域顯著增加。這些發(fā)現提示病變進展不僅改變有哪些細胞，也重塑了細胞如何彼此相鄰。

通過病變嚴重程度量化細胞微環(huán)境

四. 方法學價值，GeoMx × CosMx的互補意義

這項研究首次在人類冠狀動脈中，結合GeoMx與CosMx平臺，系統描繪了動脈粥樣硬化進程中的免疫空間圖譜。研究不僅揭示了免疫細胞在不同血管層次和疾病階段的動態(tài)變化，也為未來在血管疾病中應用多平臺空間組學聯合策略提供了可復用的范式。研究清晰展示了GeoMx適合假設驅動、通路級、全轉錄組探索；CosMx 擅長單細胞定位、細胞類型與鄰域解析。兩者聯合，為復雜組織提供從區(qū)域到單細胞的完整空間轉錄組框架。