La transcriptomique unicellulaire quasi-spatiale basée sur les propriétés physiques des tissus définit un nouveau microenvironnement associé au vieillissement précoce dans le foie

Redéfinir le microenvironnement du vieillissement précoce du foie : une transcriptomique mono-cellulaire quasi-spatiale révèle la formation du niche fibrotique et l’hétérogénéité cellulaire

Contexte et motivation de l’étude

Le vieillissement est une étape inévitable du cycle de la vie ; l’une de ses caractéristiques les plus marquantes est l’accumulation de cellules sénescentes au sein des tissus et organes. Ces cellules, souvent induites par des lésions tissulaires, deviennent avec l’affaiblissement de la surveillance immunitaire de plus en plus difficiles à éliminer. La présence de cellules sénescentes et leur sécrétion de molécules pro-inflammatoires (le phénotype sécrétoire associé à la sénescence, SASP) ont des effets complexes sur le microenvironnement tissulaire : elles peuvent à la fois participer à la réparation physiologique et induire une inflammation chronique qui perturbe l’homéostasie tissulaire. Pourtant, la capacité des technologies actuelles à cartographier la répartition, la diversité phénotypique et l’impact microenvironnemental de ces cellules reste limitée. Cela est d’autant plus vrai dans des organes sujets à la fibrose comme le foie, où la morphologie, la dynamique de développement et les interactions spatiales des niches sénescentes associées restent obscures.

Récemment, les technologies d’omique unicellulaire ont permis de stratifier les tissus complexes à l’échelle cellulaire. Cependant, les méthodes unicellulaires/spatiales dominantes, du fait de leurs limites techniques et des différences d’abondance cellulaire, tendent à négliger la composition du niche fibrotique, principalement parce que ces cellules hautement riches en ECM (matrice extracellulaire) sont difficiles à isoler avec les protocoles standards. Dès lors, développer une approche pour enrichir, localiser et profiler ces niches sénescentes fibrosantes à l’aide de multi-omiques est devenu un défi majeur pour décoder les mécanismes du vieillissement hépatique et ouvrir la voie à de nouveaux traitements anti-âge.

Source de l’article et contexte des auteurs

Cet article a été publié dans la revue internationale de référence Nature Aging, volume 5, numéro de mai 2025, pages 929-949. Les auteurs principaux incluent Kwon Yong Tak, Juyeon Kim, Myungsun Park, Wooseok Kim, Seoyeong Lee et d’autres, issus de KAIST, KRIBB (Corée du Sud) et de plusieurs instituts de recherche. Les auteurs correspondants sont kimchuna@kribb.re.kr et jp24@kaist.ac.kr. Ces institutions possèdent une base et une capacité d’innovation solides dans le domaine biomédical.

Conception de l’étude et innovations méthodologiques (a)

Modèles expérimentaux et organisation des groupes

Cette étude porte sur les niches fibrosantes hépatiques liées au vieillissement naturel chez la souris, utilisant des mâles jeunes (5-6 mois) et âgés (22-24 mois) comme modèles. Afin de comparer les microenvironnements cellulaires hépatiques à différents âges, les auteurs ont instauré un groupe contrôle conventionnel et un groupe enrichi par séquençage de niche fibrotique (fini-seq), chacun subdivisé en sous-groupes jeunes et âgés. Un total de 18 échantillons a été analysé, avec 3-4 souris pour les groupes jeunes et 5-6 pour les groupes âgés.

Processus technique et innovations

1. Innovation du processus d’enrichissement du niche
   L’équipe a commencé par localiser les régions de fibrose sur des coupes hépatiques de souris à l’aide d’une coloration Sirius Red spécifique et d’une immunofluorescence du collagène, confirmant qu’avec l’âge, une accumulation notable d’ECM et de collagène s’opère autour des gros vaisseaux portaux.
   Pour enrichir spécifiquement les cellules du niche, l’équipe s’est appuyée sur les propriétés physiques des régions à haute teneur en ECM, difficiles à digérer par les enzymes, en mettant au point une procédure de double digestion. Après une première digestion conventionnelle, les agrégats tissulaires non dissociés ont été digérés à nouveau, puis cultivés. Les cellules obtenues affichaient des morphologies diverses, une capacité d’expansion in vitro importante et sécrétaient de l’ECM plus dense. La microscopie à force atomique a montré que l’ECM était plus rigide ; la protéomique a révélé une surexpression de nombreuses protéines de l’ECM et de la chimiokine pro-inflammatoire CXCL12.
   Ce processus a été baptisé fibrotic niche enrichment sequencing (fini-seq), créant les bases pour les analyses de scRNA-seq et de snATAC-seq.

2. Multi-omiques unicellulaires et analyses de données
   Les cellules isolées par fini-seq ont été soumises à des analyses scRNA-seq et snATAC-seq, les groupes contrôle (digestion unique) servant à quantifier l’enrichissement des cellules rares du niche. Au total, 84 351 cellules (RNA) et 22 377 noyaux (ATAC) ont été explorés.
   L’analyse des données a impliqué la correction de batchs par harmony, un clustering Leiden et l’annotation avec des marqueurs de lignée connus. L’équipe s’est appuyée sur la décomposition en matrice non-négative (NMF) pour identifier et exclure les gènes sensibles à l’effet de dissociation. Côté spatial, une batterie de techniques a été employée : hybridation in situ RNA (RNAscope), transcriptomique spatiale (Visium, Stereo-seq), IF/flow cytometry, permettant une cartographie exhaustive et multidimensionnelle.

3. Innovations et avantages techniques

   • Enrichissement basé sur les propriétés physiques pour isoler efficacement des cellules du niche difficiles à récupérer avec les méthodes classiques d’unicellulaire.
     
   • fini-seq couplé aux multi-omiques permettant une caractérisation intégrée du microenvironnement de la niche (phénotype, transcriptomique et épigénétique).
     
   • Approche spatiale synergique (transcriptomique + hybridation in situ), localisant précisément les cellules du niche dans la zone portale du foie.

Principaux résultats et constatations détaillées (b)

1. Remodelage des lignages cellulaires spécifiques du niche fibrotique hépatique avec l’âge

Le groupe enrichi représentait mieux le microenvironnement du niche sénescent que le contrôle, particulièrement chez les souris âgées où une forte accumulation de cellules fibrosantes, d’endothéliales et immunitaires a été observée. Les échantillons fini-seq produisaient un ECM plus dense et rigide ; la protéomique montrait une augmentation de Collagène XIV (Col14a1), sans variation marquée des Collagènes I/III classiques.

2. Identification de sous-populations cellulaires vieillissantes hautement hétérogènes

• Cellules endothéliales (EC)
  Dans les niches fibrosantes des souris âgées, les LSEC (cellules endothéliales sinusoïdales du foie) chutent fortement, remplacées par de nouveaux sous-types dits“fibrotic EC”. Ces dernières perdent leur identité transcriptionnelle hépatique et ressemblent, d’après leur signature, à des EC d’intestin/cœur. Fonctionnellement, ces EC affichent une forte expression de gènes de chimiotaxie, d’inflammation et de sénescence (CXCL10, IL6, CDKN1A, CDKN2A), tout en voyant diminuer leurs capacités d’endocytose : cela pourrait aggraver l’inflammation chronique et le remodelage pathologique du foie.
  Parmi les quatre sous-types de fibrotic EC, “ec_sema3g” (marqueur Sema3g) domine (>50%) et présente une activité Notch, P53, MAPK et une forte signature sénescente. L’hybridation in situ a montré leur localisation spécifique autour de la veine porte, avec davantage de cellules double-marquées Sema3g/CDKN1A chez les vieux animaux.

• Cellules musculaires lisses vasculaires (vSMC)
  Les vSMC_il6high (forte expression d’IL6) sont 2,2 fois plus nombreuses dans le niche de souris âgées. Elles activent aussi les voies inflammatoires, p53, angiogéniques et immunomodulatrices, ainsi qu’un score sénescence élevé (SenMayo+).

• Fibroblastes et cellules étoilées hépatiques (HSC)
  Le sous-typing raffiné a identifié plusieurs sous-populations de fibroblastes, en particulier fb_wif1 et fb_smoc1 (fibroblastes immuno-interacteurs) enrichis dans la niche. fb_smoc1 participe à la synthèse de l’ECM, à l’activation PI3K/AKT et à la sénescence. Leur co-localisation avec les fibrotic ECs dans la région portale est confirmée par la coloration spatiale.

3. Remodelage de l’immunité : recrutement et exhaustion des lymphocytes T

Environ 80 % des cellules de la niche sont immunitaires, et les lymphocytes T en représentent plus de la moitié. L’analyse fine montre que le vieillissement entraîne une augmentation majeure des CD8+ T résidents mémoires (TRM), en particulier du sous-type épuisé PD-1^high. Analyses d’interactions et cytométrie valident la forte attraction des T dans la niche et l’augmentation de leur exhaustion, probablement liée à la surexpression de PD-L1 par les fibrotic EC et à la fuite des cellules sénescentes face à la surveillance immunitaire.

4. Mécanismes épigénétiques et hétérogénéité spatiale

L’analyse fini-ATAC-seq montre que les régions d’accessibilité de la chromatine des fibrotic EC sont enrichies en sites pour NF-κB, HIF1a, suggérant que l’hypoxie et l’inflammation chronique sont déterminantes dans la genèse et le reprogrammation du niche. Les fibrotic EC affichent aussi un accès accru à des facteurs OSKM (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc).
L’analyse spatiale révèle une répartition en patchs/mosaïques autour de la veine porte, chaque type cellulaire montrant une hétérogénéité spatiale : fb_wif1 domine la phase aiguë, fb_smoc1 la phase chronique de remodeling.

Conclusions et valeur académique (c-d)

Ce travail propose et met en œuvre pour la première fois une approche intégrée d’enrichissement physique et de multi-omiques (fini-seq) pour cartographier l’évolution dynamique du microenvironnement vieillissant du foie, le remodelage des lignées cellulaires et ses moteurs moléculaires. Ses principales contributions :

1. Première cartographie intégrale spatiale des niches fibrosantes hépatique sénescentes naturelles, apportant une base pour mieux comprendre et cibler le vieillissement hépatique.
2. Découverte des sous-populations fibrotic EC, fb_smoc1 et autres : des populations rares, négligées par les technologies conventionnelles, valorisées ici par une méthode d’isolement efficace.
3. Mise en évidence de mécanismes autour de l’hypoxie, de l’inflammation chronique et des axes d’interaction cellule-cellule (PD-L1/PD-1), proposant de nouvelles cibles contre le vieillissement/fibrose.
4. Définition d’un modèle fonctionnel multi-étapes pour les fibroblastes immuno-interacteurs, affinant les fenêtres temporelles de recrutement immunitaire et de remodeling matriciel dans la progression des niches et des maladies.
5. Dévoilement via omique spatiale d’une distribution en patchs hétérogènes des niches, apportant un éclairage neuf sur les origines, l’extension et l’évolution des lésions tissulaires.
6. fini-seq apparaît comme une plateforme prometteuse, adaptable à d’autres organes/pathologies (fibrose précoce, cirrhose, tumeurs, etc).

Limites et perspectives

Les auteurs relèvent que la détection/quantification de certaines sous-types (comme les hépatocytes) demeure limitée avec fini-seq, en particulier pour les cellules volumineuses et fragiles qui sont perdues lors de la double digestion. Des stratégies complémentaires comme le snRNA-seq pourraient y remédier. En outre, les propriétés de digestion physique utilisées pour l’enrichissement pourraient être influencées par la rigidité régionale anatomique, nécessitant des validations biophysiques fines.

Résumé

Ce travail, guidé par la technologie fini-seq, combine une approche multi-omique, multidisciplinaire et spatiale pour créer un paradigme de recherche intégral sur les niches sénescentes hépatiques. Il surmonte les limites classiques de l’unicellulaire et éclaire la complexité des interactions précoces entre micro-environnement pathologique et immunité. À l’avenir, cette approche systémique promet des avancées pour la compréhension, la détection précoce et l’intervention ciblée contre le vieillissement hépatique, ouvrant la voie à de nouveaux progrès en biologie du vieillissement et en médecine translationnelle.