肝脏功能的多样性，根植于其独特的空间结构。在肝小叶的“门静脉-中央静脉轴”上，肝细胞虽形态相似，却因位置不同而执行迥异的代谢任务——这便是“肝脏分区”的核心。但传统研究受限于转录组或少数蛋白染色，难以在蛋白质功能层面解析这一精妙布局。因此，高分辨率的空间蛋白质组学分析，成为理解肝脏生理与疾病的关键突破口。
2026年2月20日，德国马克斯·普朗克研究所 Matthias Mann团队在 Nature Metabolism（IF=20.8）上在线发表的题为“Single-cell spatial proteomics maps human liver zonation patterns and their vulnerability to disruption in tissue architecture”的研究结果。本研究利用单细胞深度视觉蛋白质组学技术，对18名个体的肝脏组织进行了高分辨率的空间蛋白质组分析，构建了首个单细胞水平的人类肝脏空间蛋白质组图谱。研究发现，约一半的肝细胞蛋白质呈区域化表达，揭示了肝脏代谢功能的精妙分工。通过与小鼠数据对比，团队进一步识别出跨物种保守的代谢特征与人类特有的区域化模式。更值得关注的是，在肝脏结构被破坏的样本中，蛋白质区域化显著丧失，其中中央静脉区域的蛋白质尤为脆弱[1]。
研究思路
研究团队运用升级版单细胞深度视觉空间蛋白质组学技术，对18例人类肝脏样本（14例健康，4例肿瘤转移致组织结构破坏）进行系统分析。核心目标：以最少细胞量，重建完整的空间蛋白梯度，实现肝脏蛋白质空间分布的高效、高分辨率解析。
技术流程：
空间标记与成像：四通道免疫荧光染色——GS标记中央静脉，ASS1标记门静脉。
AI单细胞切割：自动识别并勾勒出单个肝细胞的轮廓，构建空间坐标系。
战略性细胞选择（CellPick）：“最远优先遍历”算法，沿空间轴均匀选择约44个细胞，用更少细胞覆盖完整梯度。
单细胞空间蛋白质组学检测：激光显微切割+Orbitrap Astral质谱仪，实现单细胞中位鉴定2539种蛋白质的深度覆盖。
连续空间建模（关键创新）：突破传统“分区比较”的局限，将“空间位置”作为连续变量，直接拟合蛋白表达沿门静脉-中央静脉轴的变化趋势，避免人为分区造成的信息损失，还原生物学过程的真实梯度。
文章亮点
1.技术创新：CellPick战略采样算法+连续梯度建模（替代分箱），从“区域比较”升级为“空间函数建模”
2.数据深度：单细胞中位鉴定2539种蛋白质，最高近4000种，覆盖5175种独特蛋白质
3.资源开放：研究成果通过交互式网站（human-liver-dvp.streamlit.app）向全球开放
4.发现突破：① 人类特异性空间蛋白、核糖体蛋白富集于门静脉区（首次发现）；② 疾病空间脆弱性：中央静脉区蛋白更易受损
5.空间脆弱性：中央静脉区蛋白更易受损
研究结果
一、人类肝脏蛋白空间图谱构建
为应对人类肝脏样本的异质性挑战，研究团队开发了一套自动化战略细胞选择算法。该算法通过识别门静脉（ASS1⁺）与中央静脉（GS⁺）标志物，自动规划跨越肝小叶的采样轨迹，并沿轴均匀选取44个肝细胞进行激光显微切割。最终，团队成功分析了来自18例个体的792个单细胞，平均每个细胞鉴定超2500种蛋白质。主成分分析证实：空间位置是驱动肝细胞蛋白组变异的首要因素。
人类肝脏空间蛋白图谱构建
二、空间蛋白质组学揭示肝细胞的空间依赖性功能
本研究首创基于线性混合模型的连续蛋白梯度映射框架，将细胞空间位置作为连续变量，直接计算每种蛋白的表达梯度系数。结果显示，47% 的鉴定蛋白呈显著分区表达，其中171种具强分区特征：门静脉区富集氧化磷酸化蛋白（如CPS1），中央静脉区富集异生物质代谢蛋白（如CYP3A4）。相比传统方法，连续分析避免人为分区偏差，多检出近400种梯度蛋白，显著提升检测灵敏度。
单细胞蛋白梯度映射定义肝细胞的空间依赖性功能
三、跨物种比较：保守与差异并存
与已发表的小鼠单细胞深度视觉蛋白质组学数据比较（2829种同源蛋白共享），发现核心代谢功能的空间组织高度保守，如氧化磷酸化富集于门静脉周，外源物代谢富集于中央静脉周。
能模块高度保守：核心代谢功能的空间组织高度保守——氧化磷酸化相关蛋白在门静脉区富集、外源物代谢在中央静脉区富集的现象在人与小鼠中高度一致（通路水平Pearson r = 0.68）。
人类特异性发现：所有检测到的核糖体蛋白在人类肝脏中均呈现显著的门静脉区富集，而小鼠中无此模式。免疫荧光染色验证了RPS3的弱门静脉倾向。这一现象提示人类肝脏在氧气充足的门静脉区域可能存在更高的蛋白质合成需求，是首次报道的人类特有肝脏分区特征。
跨物种比较揭示保守与人类特异性分区特征
提示：动物模型不能完全替代人类研究
四、组织结构破坏：中央静脉周蛋白更脆弱
在肿瘤转移导致的结缔组织增生样本中，蛋白质的分区模式普遍减弱。中央静脉周蛋白的空间组织受损程度显著高于门静脉周蛋白——中央静脉周蛋白分区系数中位数变化Δ=0.71，门静脉周蛋白仅Δ=0.31。
仅有11.6% 的中央静脉周蛋白维持了分区特征，而门静脉周蛋白有41.2% 维持分区。受影响最严重的通路包括外源物代谢、蛋白酶体功能、过氧化物酶体途径和视黄醇代谢等中央静脉周特异性通路。
中央静脉蛋白在组织结构破坏中表现出更强的空间组织丧失
研究结论
空间蛋白质组学，让我们第一次从“功能层面”看见器官的空间秩序，以及疾病如何一步步打破这种秩序。
构建首个人类肝脏空间蛋白图谱：单细胞分辨率，高达50%蛋白具空间分布；
提出连续空间建模范式：从“分区”走向“梯度”，显著提升生物学解析能力；
揭示疾病新机制：空间结构破坏 ≠ 均匀影响，肝的中央静脉区更易失序；
建立通用技术框架：该体系可拓展至：肿瘤微环境、发育生物学、多组学整合。
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参考文献
[1] WEISS C A M, BROWN L A, MIRANDA L, et al. Single-cell spatial proteomics maps human liver zonation patterns and their vulnerability to disruption in tissue architecture [J]. Nature Metabolism, 2026.
