在《Nature》期刊发表的这篇文章中，加利佛尼亚大学的科研团队探讨了组织驻留记忆CD8 T细胞（TRM细胞）的多样性如何在小肠内的不同组织区域和时间点上形成。这些TRM细胞在屏障部位提供感染保护，尤其是在小肠中，TRM细胞至少存在两种不同的亚群：一种具有较高的效应分子表达，另一种则具有更大的记忆潜力。然而，这种多样性的起源尚不清楚。组织驻留记忆CD8 T细胞（TRM细胞）在屏障部位提供感染保护。在小肠中，TRM细胞至少存在两种不同的亚群：一种具有较高的效应分子表达，另一种具有更大的记忆潜力。然而，这种多样性的起源仍然未知。本文提出，不同的组织微环境驱动了TRM细胞的表型异质性。研究利用人类样本的空间转录组学、小鼠急性系统性病毒感染模型以及新建立的光学编码基因扰动策略，分析病原体特异性TRM细胞在单转录本分辨率下的定位、相互作用和转录组。研究开发了计算方法，以捕捉小肠三个解剖轴上的细胞位置，并可视化细胞类型和基因表达的时空分布。研究揭示了肠道结构的区域化信号支持两种不同的TRM细胞状态：分别位于上绒毛和下绒毛的分化TRM细胞和祖细胞样TRM细胞。这种多样性由不同的配体-受体活动、细胞因子梯度和专门的细胞接触介导。阻断抗原特异性CD8 T细胞对TGFβ或CXCL9和CXCL10的感知，揭示了一个与解剖学划分一致的早期命运指定模型。TRM细胞在适应性免疫反应中起着关键作用，通过持续的组织监视在非淋巴组织中提供局部的长期保护。TRM细胞的形成需要转录和代谢程序的参与，这些程序诱导组织特异性的适应。这些程序由淋巴组织中的初始事件启动，并通过细胞相互作用和组织进入时对环境因素的感知而得到加强，如TGFβ，它在小肠等上皮屏障中增强了保留分子的上调。最近的研究表明，肠道TRM细胞表现出功能异质性，在小肠急性感染中至少识别出两种不同的状态：一种更终末分化的TRM细胞群体和一种祖细胞样的群体。这些亚群显示出不同的细胞因子产生和次级记忆潜力，突显了TRM细胞在组织中发展和功能的细微性质，以提供长期免疫力。事实上，最近对小鼠和人类小肠结构的研究揭示了空间组织的转录和代谢程序，这些程序建立了复杂的肠道区域化。然而，这些组织微环境如何影响TRM细胞的分化和功能尚未得到解决。这在一定程度上是因为捕捉不同CD8 T细胞转录状态和围绕它们的多种非免疫细胞表型所需的细粒度，这需要高度多重的亚细胞分辨率成像技术。空间转录组学使得能够在整个组织切片中的细胞中同时分析数百种不同的mRNA分子，结合蛋白质和组织学读数。研究利用空间转录组学并开发了一个计算框架来表征指导肠道TRM细胞分化的细胞和配体-受体相互作用。研究进一步展示了在体内环境中使用多重、光学编码的空间CRISPR敲除实验探索免疫细胞分化过程中的细胞因子梯度的可行性，并扩展了在小肠中T细胞分化的模型。组织驻留记忆CD8 T细胞的空间多样性：研究揭示了小肠内的组织驻留记忆CD8 T（TRM）细胞存在两种不同的状态：一种是分化的TRM细胞，位于绒毛的上部；另一种是类似祖细胞的TRM细胞，位于绒毛的下部。这种多样性是由不同的配体-受体活动、细胞因子梯度和特化的细胞接触介导的。通过阻断TGFβ或CXCL9和CXCL10的感知，研究建立了一个与解剖学划分一致的早期命运指定模型，表明T细胞的位置和功能状态是密切相关的。空间转录组学和细胞相互作用的分析：通过空间转录组学技术和计算方法，研究团队能够在单个转录本分辨率下分析病原体特异性TRM细胞的分化过程。研究发现，小肠的区域化信号支持TRM细胞的两种不同状态，并且这些状态的形成与细胞在组织中的位置密切相关。研究还指出，TRM细胞的功能和基因表达的异质性主要取决于其在组织中的位置，尤其是沿着隐窝-绒毛轴的分布。
增强免疫监测和感染防护：TRM细胞在屏障位置提供免疫监测，理解其空间分布和功能状态有助于提高针对肠道感染的免疫防护策略。
指导疫苗研发与免疫治疗：了解TRM细胞如何根据组织微环境进行分化和功能化，可以为疫苗开发提供依据，特别是针对肠道病原体的疫苗。此外，这些信息还可以用于设计更有效的免疫疗法，以增强特定部位的免疫响应。
疾病治疗的靶向策略：研究揭示了TGFβ和CXCL9/CXCL10等信号在TRM细胞定位与分化中的作用，这可以为免疫疾病（如炎症性肠病）提供新的治疗靶点，通过调节这些信号通路，可能有效地控制局部免疫反应。
个体化治疗的潜力：由于人类和小鼠的TRM细胞在组织中的定位和功能状态显示出相似的模式，这为将小鼠模型的研究成果转化为人类治疗提供了潜力。这种转化可能有助于开发个体化医学策略，特别是在免疫系统相关疾病的治疗中。
综上所述，这项研究不仅对基础免疫学研究有重要贡献，也为临床应用提供了新的视角和潜在的治疗方法。通过深入理解TRM细胞在肠道的分布和功能状态，我们可以更好地设计针对性强的免疫干预策略。1. 空间转录组学分析：利用空间转录组学技术，对人类样本和小鼠模型的TRM细胞进行空间转录组分析，以了解其在小肠中的位置和基因表达模式。2. 小鼠模型研究：通过急性系统性病毒感染的小鼠模型，研究TRM细胞在感染后的动态变化过程。3. 基因扰动策略：开发了一种新的多重光学编码CRISPR敲除实验策略，以探索细胞因子梯度对免疫细胞分化的影响。4. 计算方法开发：设计计算方法以捕捉细胞在小肠三个解剖轴上的位置，并可视化细胞类型和基因表达的时空分布。
图1：利用空间转录组学表征小鼠小肠中抗原特异性CD8 T细胞对急性病毒感染的空间和转录状态
Figure 1 旨在通过空间转录组学技术，研究小鼠小肠中抗原特异性CD8 T细胞在急性病毒感染后的空间分布和转录状态。A. 为了研究急性病毒感染对小鼠小肠中CD8 T细胞的影响，作者利用空间转录组学技术对感染后的小鼠小肠组织进行了分析。结果显示，CD8 T细胞在感染后的小肠中呈现出特定的空间分布模式，并且其转录状态发生了显著变化。B. 通过进一步分析，作者发现CD8 T细胞在急性病毒感染后表现出特定的基因表达特征，这些特征与其功能状态密切相关。具体来说，某些与免疫应答相关的基因在感染后显著上调。结论：通过空间转录组学分析，研究揭示了急性病毒感染后小鼠小肠中抗原特异性CD8 T细胞的空间分布和转录状态的变化，提供了对其在免疫应答中作用的新见解。
图2：肠道区域化沿关键轴线揭示小鼠肠道中组织驻留记忆T细胞（TRM细胞）的多样性
Figure 2 旨在探讨小鼠肠道不同区域的区域化如何影响组织驻留记忆T细胞（TRM细胞）的多样性。A. 为了研究小鼠肠道不同区域的TRM细胞分布，作者对小鼠肠道的不同区域进行了细胞分选和流式细胞术分析。结果显示，TRM细胞在小肠和大肠的不同区域中呈现出不同的分布模式。B. 为了进一步验证TRM细胞在肠道不同区域的功能差异，作者对分离自不同肠道区域的TRM细胞进行了基因表达分析。结果表明，不同区域的TRM细胞在基因表达上存在显著差异，提示其功能可能不同。C. 通过免疫荧光染色，作者观察了TRM细胞在肠道组织中的定位。结果显示，TRM细胞在肠道上皮和固有层中的分布存在区域性差异。结论：研究揭示了小鼠肠道中TRM细胞的多样性与肠道的区域化密切相关，不同区域的TRM细胞在分布和功能上存在显著差异。
Figure 3 探讨了肠道不同区域中细胞因子梯度和细胞群落的差异，以揭示这些区域在免疫调节中的不同角色。A. 为了分析肠道不同区域中细胞因子的分布，作者对小鼠肠道样本进行了细胞因子浓度的测量。结果显示，不同肠道区域中细胞因子的浓度存在显著差异，表明这些区域可能具有不同的免疫功能。B. 通过单细胞RNA测序技术，作者对肠道不同区域的细胞群落进行了分析。结果揭示了这些区域中存在不同的细胞群落构成，进一步支持了不同区域在免疫调节中可能扮演不同角色的观点。结论：研究发现肠道不同区域中存在显著的细胞因子梯度和细胞群落差异，这可能与这些区域在免疫调节中的不同功能相关。
图4：CXCR3促进短命效应细胞在固有层、绒毛下部区域和肌层的早期积累Figure 4 研究了CXCR3在短命效应细胞积累过程中的作用，重点关注其在肠道不同区域的影响。A. 为了研究CXCR3对短命效应细胞积累的影响，作者通过免疫荧光染色分析了CXCR3缺失小鼠和野生型小鼠在固有层中效应细胞的分布。结果显示，CXCR3缺失小鼠的固有层中效应细胞积累显著减少。B. 通过流式细胞术，作者检测了CXCR3缺失小鼠和野生型小鼠在绒毛下部区域的效应细胞数量。结果表明，CXCR3缺失小鼠的效应细胞数量显著低于野生型小鼠。C. 作者使用免疫组化分析了肌层中效应细胞的分布，结果显示，CXCR3缺失小鼠的肌层中效应细胞积累显著减少。结论：CXCR3在促进短命效应细胞在肠道固有层、绒毛下部区域和肌层的早期积累中起关键作用。
图5：人类回肠中CD8 T细胞表型多样性具有空间印记Figure 5 探讨了人类回肠中CD8 T细胞的表型多样性及其空间分布特征。A. 为了研究回肠中CD8 T细胞的表型多样性，作者对不同区域的回肠组织进行了单细胞RNA测序分析。结果显示，CD8 T细胞在不同区域具有不同的基因表达谱，提示其表型多样性与空间位置相关。B. 通过免疫荧光染色技术，作者进一步验证了CD8 T细胞在回肠不同区域的分布情况。结果表明，CD8 T细胞在回肠的不同区域表现出不同的分布模式，支持其表型多样性与空间位置相关的结论。C. 作者利用流式细胞术分析了回肠中CD8 T细胞的表型标志物表达情况。结果显示，不同区域的CD8 T细胞在表型标志物的表达上存在显著差异，进一步证实了其表型多样性与空间位置的关系。结论：人类回肠中CD8 T细胞的表型多样性与其空间分布密切相关，提示空间印记在CD8 T细胞功能和分化中的重要性。
