人类乳腺组织由4个主要空间区域组成：（1）末端导管小叶单元（TDLU）和小叶密布的分支上皮细胞；（2）主要由双层上皮组成的管状导管；（3）富含细胞外基质（ECM）的结缔组织；以及（4）脂肪富集区。然而，以往的大量研究都集中在乳腺的上皮系统，对于非上皮研究甚少，且缺乏全面系统，无偏倚的细胞表达和空间组织图谱。

近期，安德森癌症中心的Nicholas Navin，加州大学的Kai Kessenbrock和Devon A. Lawson合作，在《Nature》上共同发表了题为“A spatially resolved single-cell genomic atlas of the adult human breast”的文章，构建了完整的单细胞空间分辨率的人乳腺细胞图谱（Human Breast Cell Atlas, HBCA）。

HBCA项目历时七年共收集了来自132例女性手术患者的220个乳腺组织样本，所采集到的样本一部分用于scRNA-seq和snRNA-seq检测，另一部分用于CODEX和空间转录组检测，共鉴定出12种主要的细胞类型和58种生物学细胞状态，发现了大量血管周围细胞、内皮细胞和免疫细胞群体，同时也发现了管腔上皮细胞的高度多样化，为乳腺生物学研究及乳腺癌等疾病提供参考。

图1 HBCA项目的实验流程方案

茵菲生物可提供空间蛋白组（IMC、CODEX、mIHC）、空间转录组（10x Visium）、scRNA-seq、单细胞免疫组库测序、CITE-seq等单细胞&空间技术完整解决方案。

01、确定乳腺组织中的主要细胞类型

scRNA-seq技术检测了126名女性的167个乳腺组织样本（无疾病n=111，预防性双侧乳房切除手术n=18，乳腺癌n=38）中收集到的71.4万个细胞，并通过聚类分析确定这些细胞由10个主要的细胞类型簇，这些细胞类型包括三种上皮成分：腔激素反应型(LumHR)、腔分泌型(LumSec)和基底肌上皮(Basal)；两种内皮细胞(淋巴管和血管)；三种免疫细胞(T细胞、B细胞和髓样细胞)；两种间充质细胞类型(成纤维细胞和血管周围细胞)。

图2 scRNA-seq聚类结果

scRNA-seq数据没有发现任何脂肪细胞，为了鉴定脂肪细胞，进一步通过snRNA-seq技术分析20名女性的24个组织样本得到了11.7万个细胞核的数据.snRNA-seq分析检测到scRNA-seq鉴定的大多数主要细胞类型，还包括脂肪细胞和肥大细胞。细胞-细胞相互作用分析，结果显示主要乳腺细胞类型之间通过配体-受体相互作用存在显著的串扰。总的来说，这些数据确定了成人乳腺组织中的12种主要细胞类型。

图3 snRNA-seq聚类结果

02、乳腺组织中细胞的空间分布和邻域分析

通过组织病理信息，将人类乳房组织划分为4个主要区域：脂肪组织，结缔组织，上皮丰富的小叶和导管区域。研究人员利用ST（10x Visium）、smFISH和CODEX检测乳腺组织中各种细胞亚群的空间分布情况。对10名患者进行ST并对数据进行整合，揭示了九个主要集群。邻域分析发现，乳腺上皮细胞和非上皮细胞之间存在紧密的空间相关性，三种上皮细胞类型与B细胞和T细胞共同定位，而成纤维细胞与血管和淋巴管细胞共同定位。

图4乳腺细胞类型的空间分析

03、导管和小叶中的上皮细胞

对24万个上皮细胞和5.6万个上皮细胞核的无偏聚簇识别出三种主要的上皮细胞类型：Basal、LumSec和LumHR。Basal高度同质性，表达ACTA2和TP63，以及低水平的EPCAM；在LumHR细胞中，鉴定出三种不同的细胞状态；LumSec细胞显示出最大程度的多样性，有七种不同的细胞状态。细胞增殖仅限于两个腔室，basal中没有检测到。空间上，大多数上皮细胞状态与分布没有显著的相关性，但某些状态还是存在区域特异性。LumSec-basal和LumSec-HLA主要定位于导管，而LumSec-KIT和LumSec-Major主要定位于小叶。

图5 人类乳房的上皮细胞

04、正常乳房的免疫生态系统

scRNA-seq数据集表明免疫细胞主要有3大类（髓系，NK细胞，T细胞和B细胞），它们在乳腺组织中的丰度都很高（占总细胞的16.7%，占总核的13.9%）。在NK和T细胞中鉴定了14个亚群；在B细胞中鉴定了三个主要亚群，包括记忆细胞、血浆细胞和初始细胞；在髓系细胞中解析了DC细胞、单核细胞、巨噬细胞和肥大细胞的不同亚群。在smFISH和CODEX平台上解析了7种免疫细胞类型(单核细胞、巨噬细胞、CD4+T、CD8+T、CD4+Treg、DC和B细胞)的空间组织，发现相对于结缔组织区域，导管和小叶区域含有更高密度的免疫细胞。

图6 人乳腺组织中的免疫细胞生态系统

05、乳房中成纤维细胞、血管和淋巴细胞、血管周围细胞

类似地，对成纤维细胞、血管和淋巴细胞、血管周围细胞都做了多样性解析和空间位置信息注释。最后，研究人员将细胞类型和细胞状态与临床数据对应起来，发现绝经后女性basal的上皮细胞类型大幅减少，而肥胖和过高的BMI（体重指数）人群则成纤维和髓系细胞增多。总体而言，种族、年龄和更年期与乳房细胞类型和细胞状态组成的变化最大相关。

图7 乳房中成纤维细胞、血管和淋巴细胞、血管周围细胞

总结

首次使用单细胞和空间组学联合绘制史上最大规模人类乳腺细胞图谱，增进了对人乳腺组织中上皮细胞和非上皮细胞类型的了解，为研究乳腺生物学、发育和乳腺癌等疾病提供了全面的参考。

【参考文献】Kumar T, Nee K, Wei R, et al. A spatially resolved single cell genomic atlas of the adult human breast. Nature. 2023.