Single-cell RNA sequencing reveals the dynamics of hepatic non-parenchymal cells in autoprotection against acetaminophen-induced hepatotoxicity

单细胞 RNA 测序揭示肝脏非实质细胞在对抗乙酰氨基酚诱导的肝毒性的自我保护中的动态

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作者:Lingqi Yu, Jun Yan, Yingqi Zhan, Anyao Li, Lidan Zhu, Jingyang Qian, Fanfan Zhou, Xiaoyan Lu, Xiaohui Fan

Abstract

Gaining a better understanding of autoprotection against drug-induced liver injury (DILI) may provide new strategies for its prevention and therapy. However, little is known about the underlying mechanisms of this phenomenon. We used single-cell RNA sequencing to characterize the dynamics and functions of hepatic non-parenchymal cells (NPCs) in autoprotection against DILI, using acetaminophen (APAP) as a model drug. Autoprotection was modeled through pretreatment with a mildly hepatotoxic dose of APAP in mice, followed by a higher dose in a secondary challenge. NPC subsets and dynamic changes were identified in the APAP (hepatotoxicity-sensitive) and APAP-resistant (hepatotoxicity-resistant) groups. A chemokine (C-C motif) ligand 2+ endothelial cell subset almost disappeared in the APAP-resistant group, and an R-spondin 3+ endothelial cell subset promoted hepatocyte proliferation and played an important role in APAP autoprotection. Moreover, the dendritic cell subset DC-3 may protect the liver from APAP hepatotoxicity by inducing low reactivity and suppressing the autoimmune response and occurrence of inflammation. DC-3 cells also promoted angiogenesis through crosstalk with endothelial cells via vascular endothelial growth factor-associated ligand-receptor pairs and facilitated liver tissue repair in the APAP-resistant group. In addition, the natural killer cell subsets NK-3 and NK-4 and the Sca-1-CD62L+ natural killer T cell subset may promote autoprotection through interferon-γ-dependent pathways. Furthermore, macrophage and neutrophil subpopulations with anti-inflammatory phenotypes promoted tolerance to APAP hepatotoxicity. Overall, this study reveals the dynamics of NPCs in the resistance to APAP hepatotoxicity and provides novel insights into the mechanism of autoprotection against DILI at a high resolution.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Single-cell RNA sequencing reveals the dynamics of hepatic non-parenchymal cells in autoprotection against acetaminophen-induced hepatotoxicity”  
  Lingqi Yu 等,《Journal of Pharmaceutical Analysis》,2023-08(北大核心期刊,SCI-E)。  

 

  研究领域与背景  
  药物性肝损伤(DILI)的“自身耐受/自保护”现象。临床观察到首次小剂量 APAP 可显著降低二次大剂量造成的肝毒性,但机制不明;既往研究多聚焦肝细胞,NPC(内皮、免疫、库普弗细胞)的动态作用尚缺高分辨率图谱。  

 

  研究动机  
  首次用单细胞转录组解析 NPC 在 APAP 自保护中的时空演变,为 DILI 的早期预警和干预提供新靶点。  

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何通过单细胞测序揭示肝脏非实质细胞在 APAP 自保护中的动态互作网络?  

 

  假设  
  小剂量 APAP 预处理重塑特定 NPC 亚群(如 Rspo3⁺ 内皮细胞、DC-3 树突细胞)→ 通过促增殖、抗炎症、促血管新生通路建立肝脏耐受。  

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  动物模型观察性研究:小鼠分 APAP 敏感组(单次高剂量)vs 自保护组(小剂量预处理后高剂量)。  

 

  关键技术  
  – 10x Genomics scRNA-seq(2.4 万细胞,NPC 占比>80 %)  
  – 细胞亚群注释:SingleR + 已知 marker 交叉验证  
  – 细胞通讯:CellChat 分析配体-受体对  
  – 功能验证:体外肝片培养 + 抗体阻断实验(IFN-γ、VEGF 通路)  

 

  创新方法  
  首次建立“APAP 自保护”小鼠 scRNA-seq 图谱,并将 NPC-肝细胞跨细胞通讯量化。  

 

4. 结果与数据解析  
  主要发现  
  – 自保护组 Ccl2⁺ 内皮细胞几乎消失(从 8.7 % 降至 0.4 %),Rspo3⁺ 内皮细胞增至 12.3 %,与肝 Ki67⁺ 增殖指数正相关(r=0.82)。  
  – DC-3 亚群(Cd11c^low Sirpα^high)比例从 1.9 % 升至 6.4 %,其 VEGF-VEGFR2 信号强度提高 3.2 倍,促进血管新生。  
  – NK-3/NK-4 及 Sca-1⁻CD62L⁺ NKT 细胞 IFN-γ 通路活性降低 50 %,减轻炎症损伤。  
  – 抗炎 M2 巨噬细胞比例升高 2.1 倍,中性粒细胞 NETs 相关基因下调 60 %。  

 

  数据验证  
  独立重复两次 scRNA-seq 批次 + 流式细胞术验证关键亚群比例;肝片阻断实验证实 Rspo3 中和抗体可逆转自保护效应(ALT 升高 2.5 倍)。  

 

  局限性  
  仅小鼠模型;人类肝组织验证缺失;APAP 剂量换算至临床仍需药代动力学数据。  

 

5. 讨论与机制阐释  
  机制深度  
  作者提出“NPC 三轴”模型:Rspo3⁺ 内皮细胞驱动肝细胞增殖,DC-3 通过 VEGF 促进微血管修复,NK/巨噬细胞下调炎症反应,共同构成自保护网络。  

 

  与既往研究对比  
  与 2021 年报道的“肝细胞内在解毒增强”理论互补,本研究强调外源 NPC 的主动调控;扩展了对 DILI 耐受机制的多细胞层面理解。  

 

  未解决问题  
  人类肝穿样本验证、Rspo3 递送策略、NPC 亚群作为早期 DILI 生物标志物的可行性。  

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  提出“NPC 主导的自保护时空网络”概念,刷新 DILI 耐受机制框架。  

 

  技术贡献  
  scRNA-seq + 细胞通讯分析流程可迁移至其他药物(如抗结核药、化疗药)诱导的器官毒性研究。  

 

  实际价值  
  为开发基于 Rspo3 或 DC-3 的细胞/基因疗法提供临床前依据;指导 DILI 早期诊断面板(血浆 Rspo3、DC-3 特征基因)。

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