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本研究通过整合健康皮肤及23种皮肤疾病的单细胞和空间转录组数据，构建了包含超过35万个成纤维细胞的高分辨率图谱，定义了6种健康状态和3种疾病特异性成纤维细胞亚型。研究发现F3:FRC样成纤维细胞(CCL19+CD74+HLA-DRA+)和F6:炎症性肌成纤维细胞(IL11+MMP1+CXCL8+IL7R+)在跨组织中保守存在，分别调控浅表血管周免疫微环境和介导中性粒细胞/单核细胞招募。该研究为理解成纤维细胞在疾病瘢痕形成中的作用提供了新视角。
皮肤作为人体最大的器官，其复杂的细胞组成和微环境调控机制一直是生物医学研究的热点。成纤维细胞作为皮肤基质的主要细胞成分，不仅负责维持组织架构，还通过调控免疫细胞微环境参与多种生理病理过程。然而，由于缺乏特异性表面标志物和体外培养易激活的特性，成纤维细胞异质性的研究一直面临挑战。近年来单细胞RNA测序(scRNA-seq)和空间转录组学技术的发展为解析人类组织中成纤维细胞的异质性提供了新机遇。
尽管已有研究描述了人类皮肤中的成纤维细胞状态，但这些研究未能空间解析其组织微解剖定位，很少在多样性疾病状态下研究皮肤成纤维细胞，更缺乏跨组织比较。因此，皮肤成纤维细胞在不同疾病（炎症、癌症和纤维化/瘢痕形成）中的组成和功能变化，以及这些群体与其他人类组织的关系仍不明确。
为此，研究人员整合了已发表的大规模scRNA-seq数据集，涵盖健康人类皮肤和23种皮肤疾病，并生成两种不同模式的空间转录组学数据，构建了包含超过35万个成人皮肤成纤维细胞的高分辨率空间解析图谱。研究提供了基于基因表达谱和空间位置的皮肤成纤维细胞共识注释，并将这些发现与其他健康和疾病人类组织中的成纤维细胞数据进行了关联分析。
研究采用的主要技术方法包括：单细胞变分推断(scVI)整合32个数据集251个供体的210万个细胞；scPoli深度学习模型识别新型细胞状态；10x Genomics Visium和Xenium空间转录组技术进行空间验证；Cell2location进行空间去卷积分析；RNA速率和PAGA轨迹推断分析细胞分化路径；跨组织整合分析涵盖肺、肠、滑膜、子宫内膜、心脏和鼻粘膜等组织的580万个细胞。
研究首先在健康皮肤中鉴定了六个主要成纤维细胞亚型：
F1:浅表（乳头层）成纤维细胞位于皮肤上皮附近的乳头真皮层，表达编码浅表真皮胶原(COL13A1、COL18A1和COL23A1)和Wnt信号抑制剂(APCDD1、WIF1和NKD2)的基因。F2:通用（网状层）成纤维细胞位于皮肤更深处，散布在网状真皮的大胶原纤维之间，表达通用PI16+成纤维细胞的标志基因(PI16、CD34和MFAP5)。
其余成纤维细胞亚群定位更集中，与血管或附件结构相关。F3:成纤维网状细胞(FRC)样成纤维细胞主要位于浅表血管周区域，靠近免疫细胞，转录组类似于淋巴器官/结构中维持免疫微环境的特化成纤维细胞，表达吸引和分隔免疫细胞的基因(CCL19、CXCL12和CH25H)，维持免疫细胞存活和功能的基因(IL33、IL15、TNFSF13B和VCAM1)以及 enable抗原呈递的基因(CD74和MHC-II分子)。
F2/3:血管周成纤维细胞也与免疫细胞共定位，但与F3:FRC样成纤维细胞不同，还富集于深血管周区域和其他部位，部分细胞显示PPARG表达升高，通路分析表明其在脂肪细胞分化中起作用。F4:毛囊相关成纤维细胞(ASPN+COL11A1+)包含三个与毛囊特定区域相关的亚簇。F5:雪旺样成纤维细胞(SCN7A、FMO2、FGFBP2和OLFML2A)包含两个亚簇(F5:NGFR+和F5:RAMP1+)，富集于神经支配的汗腺附近。
研究人员通过scPoli深度学习模型识别疾病相关的成纤维细胞状态，发现两个"疾病适应性"和三个"疾病特异性"成纤维细胞亚型。
疾病适应性成纤维细胞类似于健康成纤维细胞亚型对应物，在疾病环境中扩展。第一个疾病适应性成纤维细胞亚型类似于健康皮肤中的F1:浅表成纤维细胞，上调提示再生功能的基因(CRABP1、CYP26B1和WNT5A)。第二个疾病适应性成纤维细胞亚型类似于F3:FRC样成纤维细胞，上调CXCL9和/或ADAMDEC1。
疾病特异性成纤维细胞(F6:炎症性肌成纤维细胞、F7:肌成纤维细胞和F8:筋膜样肌成纤维细胞)没有健康皮肤成纤维细胞对应物，高表达肌成纤维细胞基因特征，包括收缩性(ACTA2)、细胞外基质(ECM)(COL3A1、COL5A1、COL8A1、POSTN和CTHRC1)和其他肌成纤维细胞相关基因(LRRC15、SFRP4、ASPN、RUNX2和SCX)。F6:炎症性肌成纤维细胞还表达免疫相关基因如白细胞介素(IL11和IL24)和趋化因子(CXCL8)。F7:肌成纤维细胞和F8:筋膜样肌成纤维细胞通过更高表达的ECM和TGFβ信号基因以及机械传感器PIEZO2区分。
研究利用皮肤疾病的多样化临床特征评估了成纤维细胞亚型是否提供关于瘢痕形成疾病内型的分子见解。将23种皮肤疾病分为三个临床确定的瘢痕形成风险组：低瘢痕形成风险、中度瘢痕形成风险和已形成瘢痕/纤维化。
低瘢痕形成风险疾病以高流行的F1:浅表(CRABP+CYP27B1+)和F3:FRC样成纤维细胞(CXCL9+/ADAMDEC1+)为特征，没有显著的F6-F8肌成纤维细胞群体。有瘢痕形成风险的疾病独特地具有高流行的F6:炎症性肌成纤维细胞，这在低瘢痕形成风险或已形成纤维化中未观察到。F7:肌成纤维细胞在有瘢痕形成风险和已形成纤维化的疾病中流行相似。这些数据表明F6:炎症性肌成纤维细胞是影响瘢痕形成结果的群体，但在已形成纤维化中基本缺失。
研究人员通过两种进一步的方法证明了不同成纤维细胞亚型在预测瘢痕形成风险中的作用。首先训练随机森林分类器，发现F6:炎症性肌成纤维细胞和F7:肌成纤维细胞是预测瘢痕形成风险类别最重要的成纤维细胞亚型。其次在蛋白水平分析了一个公认的肌成纤维细胞标志物(LRRC15)，发现在有瘢痕形成风险的炎症中明显，但在非炎症皮肤或无瘢痕形成风险的炎症皮肤中不明显。
研究还使用空间转录组学验证了这些成纤维细胞群体在不同瘢痕形成风险间质中的存在。与scRNA-seq数据一致，F3:FRC样成纤维细胞在炎症性特应性皮炎皮肤（低风险）中扩展，没有主要肌成纤维细胞。在黑色素瘤（瘢痕形成风险）中，除了F1，整个间质由F6:炎症性肌成纤维细胞和F7:肌成纤维细胞组成。
研究人员探究了健康成纤维细胞向肌成纤维细胞的分化过程，重点关注疾病中发现的成纤维细胞群体，然后利用时间解析的人类伤口数据验证间质组成的动态变化。
F7:肌成纤维细胞是终末分化的肌成纤维细胞状态，与其在已形成纤维化中的存在一致。观察到F7:肌成纤维细胞在皮肤中的两个潜在来源：一个轨迹直接从F2:通用谱系产生，第二个轨迹起源于F1:浅表成纤维细胞，通过中间F6:炎症性肌成纤维细胞状态过渡到F7:肌成纤维细胞。
为了在实时研究中调查这些预测轨迹，研究人员利用了一个人类皮肤伤口数据集。在基线（伤口前）时不存在肌成纤维细胞，但在伤口后第1天观察到少量F6:炎症性肌成纤维细胞。到第7天，F6:炎症性肌成纤维细胞成为主要群体。到第30天，F7:肌成纤维细胞成为主要群体，与在已形成纤维化/瘢痕形成中的作用一致。
研究进一步调查了皮肤成纤维细胞亚型是否在其他人类组织中保守。通过评估跨组织成纤维细胞亚型的标志基因在皮肤数据中的表达，发现先前报道的跨组织群体可能对应于人类皮肤中的F2:通用、F3:FRC样、F6:炎症性肌成纤维细胞和F7:肌成纤维细胞亚型。
第二种方法是整合已发表的人类皮肤、肺、肠、滑膜、子宫内膜、心脏和鼻粘膜数据集。在跨组织整合数据集中，能够辨别跨组织共享的成纤维细胞状态以及特定于某些组织的成纤维细胞。除了上述已知的跨组织群体外，还发现了F2/3:血管周(CXCL12、APOC1和PPARG)和F5:NGFR+（雪旺样；SCN7A、NGFR、ITGA6和EBF2）成纤维细胞在人类组织（包括肺、肠和鼻粘膜）中存在的证据。
研究发现F3:FRC样成纤维细胞在炎症性疾病和具有免疫介导病理的纤维化过程中都存在，包括肺（COVID-19和间质性肺病）和肠（炎症性肠病(IBD)）。虽然FRC样成纤维细胞在人类肺细胞图谱(HLCA)中未报道，但通过重新聚类在肺中识别出了F3:FRC样群体。还证实了F3:FRC样成纤维细胞与IBD中的T网状细胞（FRC亚集）等效。
F6:炎症性肌成纤维体在癌症和炎症中丰富，但在已形成纤维化中相对少见，与皮肤数据一致。炎症性肌成纤维细胞在IBD中有很好描述，并证实了这些细胞与皮肤F6:炎症性肌成纤维细胞等效。为了进一步评估F6在IBD中的临床相关性，使用了具有临床元数据的scRNA-seq数据集。F6:炎症性肌成纤维细胞在炎症组织中显著升高，其流行与临床炎症严重程度评分相关。
受体-配体分析表明，F6:炎症性肌成纤维细胞在皮肤中招募和维持中性粒细胞(CXCL5/6/8-CXCR2和CSF3-CSF3R)、巨噬细胞/单核细胞(CCL5/26-CCR1和CSF3-CSF3R)和B细胞(CXCL13/CXCR5)。这些基因在伤口愈合、痤疮和化脓性汗腺炎期间的皮肤中高表达，也在IBD和肺癌中高表达，表明跨组织招募免疫细胞的类似机制。
研究还探讨了成人皮肤F3:FRC样成纤维细胞的发育起源，发现成人F3:FRC样成纤维细胞与 prenatal皮肤CCL19+成纤维细胞相关。 prenatal皮肤CCL19+细胞表达已知的间充质LTo标志物，包括CCL21、CXCL13、MADCAM1、FDCSP和TNFSF11(RANKL)，表明 prenatal皮肤CCL19+细胞可能以类似于肠LTo细胞的方式产生成人皮肤F3:FRC样细胞。
研究发现LTo基因程序（包括CXCL13和FDCSP）在健康成人皮肤中不表达，但在特定皮肤疾病中可上调，特别是化脓性汗腺炎。三级淋巴结构(TLS)在成人人类皮肤中未得到很好认识，表明LTo基因程序有助于这一过程。
研究还通过比较分析显示，成人F3:FRC样细胞对应于小鼠Ccl19+成纤维细胞。小鼠Ccl19+成纤维细胞主要存在于淋巴器官，但也存在于其他组织如肺，而F3:FRC样成纤维细胞在健康人类皮肤中相对丰富，等效的Ccl19+成纤维细胞在健康小鼠皮肤中明显更罕见。
该研究通过统一健康和疾病中的皮肤成纤维细胞亚型命名，空间解析不同的成纤维细胞解剖微环境，并识别在影响多个组织的人类疾病中保守的成纤维细胞亚型，为理解成纤维细胞异质性提供了重要资源。研究发现强调了F3:FRC样成纤维细胞和F6:炎症性肌成纤维细胞在调控免疫微环境和瘢痕形成中的关键作用，为开发针对纤维化疾病和炎症性疾病的新治疗策略提供了重要理论基础。
研究的局限性在于依赖scPoli中纳入的不确定性机制来识别疾病相关群体。使用半监督整合的跨组织分析可能低估了成纤维细胞之间的组织特异性差异，使用对比分析等方法进行进一步调查可能有价值。 prenatal皮肤中的LTo样细胞很少，需要更明确的谱系追踪方法来理解 prenatal到成人的成纤维细胞转变。
总之，这项注释的皮肤成纤维细胞数据集提供了健康和跨不同疾病类别的皮肤组织中成纤维细胞转录状态的基础资源，为未来研究成纤维细胞在人类疾病中的作用提供了重要参考。
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