《npj Parkinson's Disease》：Spatial single-cell multiomics reveals peripheral immune dysfunction in Parkinson’s and inflammatory bowel disease
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本研究针对帕金森病(PD)与炎症性肠病(IBD)的流行病学关联，利用空间单细胞多组学成像技术，首次在结肠黏膜水平揭示了两种疾病共享的铁代谢紊乱和外周免疫功能障碍机制。研究人员发现PD与IBD患者结肠上皮细胞均存在铁重链蛋白1(FTH1)表达异常和铁输出蛋白(SLC40A1)下调，并伴随关键趋化因子CCL22的耗竭，这为理解“肠-脑轴”在PD发病中的作用提供了新视角，对PD的早期干预具有重要启示。
帕金森病是当今全球增长最快的神经退行性疾病，而高达80%的患者在运动症状出现前数十年就已出现胃肠功能紊乱。更引人注目的是，流行病学研究显示，炎症性肠病患者发展为帕金森病的风险增加了30%。这两个看似不相关的疾病之间究竟存在怎样的生物学联系？长期以来，科学界将研究焦点集中于大脑，但对连接肠道与大脑的外周机制知之甚少。
近年来，“肠-脑轴”假说逐渐受到重视，特别是“外周起始型帕金森病”的概念认为，病理过程可能始于肠道等外周器官，通过某种尚未完全阐明的机制，最终影响到大脑。然而，连接IBD肠道炎症与PD风险增加的具体分子机制始终是一个未解之谜。一个主要障碍在于肠道本身的细胞异质性和炎症的复杂性，使得在单细胞分辨率下解析肠道微环境变得极具挑战性。
为了解决这一难题，由Malú Gámez Tansey教授领导的一个国际研究团队在《npj Parkinson's Disease》上发表了一项开创性研究。他们运用最前沿的空间单细胞多组学技术，对帕金森病、处于内镜缓解期的炎症性肠病以及神经健康对照者的乙状结肠活检组织进行了深入分析，旨在揭示两种疾病在肠道黏膜这个人体最大的免疫-抗原界面是否存在共享的、独特的免疫和分子特征，从而为理解它们之间的流行病学关联提供机制性解释。
研究人员主要采用了以下几项关键技术：利用NanoString CosMxTM空间分子成像技术对结肠活检组织进行单细胞水平的多组学分析；通过Mesoscale Discovery平台对血浆和粪便样本进行多重免疫分析以检测细胞因子和趋化因子；并运用生物信息学方法进行细胞类型注释、差异基因表达、基因本体富集分析以及细胞间通讯分析。研究队列包括PD患者12例、内镜缓解期IBD患者13例和神经健康对照8例。
细胞聚类分析揭示PD和IBD结肠活检组织中独特的细胞类型丰度与空间分布
研究人员首先通过空间分子成像对结肠组织中的细胞进行了精细鉴定，识别出上皮细胞、B细胞/浆细胞、基质细胞、T细胞和髓系细胞等主要细胞类型，并进一步细分为更精确的亚群。空间分布分析显示，这些细胞在组织中的定位符合乙状结肠的典型特征，但其分布模式在IBD、PD和健康对照中表现出疾病特异性。细胞丰度分析发现，与健康对照相比，IBD和PD患者的结肠细胞均显著增多，这可能反映了慢性损伤与修复的循环。此外，IBD患者结肠中CD4+T细胞显著减少，而PD患者中CD8+T细胞则显著增加。
差异基因表达分析识别出PD和IBD结肠中与免疫信号功能障碍相关的炎症通路
研究重点关注了铁代谢相关基因，因为铁吸收失调是PD大脑中的已知改变，也是外周免疫细胞炎症和自身免疫功能障碍的标志。分析发现，在IBD患者的结肠上皮细胞中，铁储存关键蛋白铁重链1的基因FTH1表达显著富集；而在PD患者的上皮细胞中，FTH1以及负责铁输出的铁转运蛋白基因SLC40A1表达均显著降低。对结肠细胞的分析进一步揭示，IBD患者中SLC40A1表达降低，而与细胞增殖迁移相关的基因如MTOR、LGALS3、TIMP1表达增加；PD患者结肠细胞中FTH1和SLC40A1同样显著降低。金属硫蛋白2A在IBD和PD结肠细胞中均呈耗竭状态。基因本体富集分析表明，IBD上皮细胞参与细胞趋化、细胞因子活性和白细胞迁移的基因表达下降，而PD上皮细胞则在与神经发生、胶质细胞发育相关的通路上出现富集。
空间转录组学分析揭示IBD和PD乙状结肠水平的细胞间通讯和微环境失调
通过分析FTH1阳性与阴性结肠细胞与其他细胞的相互作用，研究发现IBD和PD患者的FTH1阳性结肠细胞与其他细胞类型的相互作用显著多于健康对照。进一步分析FTH1阳性结肠细胞的差异表达基因发现，IBD患者中CRIP1、MT2A、FOS等应激反应基因显著耗竭；PD患者中参与抗原呈递的MHC I类分子显著耗竭。此外，两种疾病患者的FTH1阳性结肠细胞中，紧密连接蛋白CLDN4和铁输出基因SLC40A1均显著下调，而已知在铁过量时会减少的CCL20也显著耗竭，提示铁可能被困在这些细胞中。
炎症因子免疫分析揭示IBD和PD队列相对于健康对照的免疫功能失调表型
对血浆和粪便中细胞因子/趋化因子的分析发现，在PD患者血浆中，CCL22显著耗竭，且其水平与PD病程持续时间呈负相关。在IBD患者粪便中，CCL22同样显著耗竭。线性回归分析显示，在IBD和PD样本中，CCL22含量与铁蛋白丰度之间存在显著正相关关系，而这种关系在健康对照中不存在。
单细胞靶向蛋白质组学分析与scRNA-seq成功整合，描绘了人结肠活检多种生物学层面的多模式免疫失调
通过整合蛋白质组数据和已有的单细胞RNA测序数据，研究实现了高质量的细胞类型注释。丰度分析确认了PD或IBD患者中上皮细胞、浆细胞和T细胞的显著富集。细胞间通讯分析显示，与健康对照相比，IBD和PD患者中T细胞与上皮细胞之间的通讯增强。对免疫检查点分子的分析发现，PD患者结肠T细胞中PD-1、CTLA4、GITR、GZMA、Ki-67、LAG3和TIM3表达与健康对照有显著差异；而缓解期IBD患者T细胞仅在PD-1、GZMA、LAG3和TIM3上存在差异。
研究结论与意义
本研究通过高分辨率的空间多组学技术，首次在单细胞水平上系统揭示了PD和IBD在结肠黏膜微环境中共享的免疫失调特征，特别是铁代谢紊乱的关键作用。研究发现，两种疾病患者均表现出结肠上皮细胞铁处理异常，即FTH1表达改变和SLC40A1下调，导致铁可能在肠道滞留。同时，伴随关键趋化因子CCL22在外周循环和肠道水平的耗竭，以及T细胞功能状态的改变，共同描绘了一幅外周免疫应答受损的图景。
这些发现为理解“肠-脑轴”在PD发病中的作用提供了新的机制见解。研究人员提出一个模型：慢性的肠道炎症、菌群失调等因素导致肠道屏障功能受损和铁代谢紊乱，进而引起系统性的免疫功能障碍。这种长期的、低度的外周免疫激活和功能失调，可能改变肠道与大脑之间的免疫信号传导，为α-突触核蛋白的异常聚集和传播创造了条件，最终加速了PD的病理进程。
该研究不仅为PD和IBD的流行病学关联提供了分子层面的解释，更重要的是，指出了肠道免疫表型分析作为PD风险早期评估指标的潜在价值，以及针对肠道黏膜屏障完整性进行干预作为PD预防新策略的可能性。未来对活动期IBD患者或有特定肠道功能障碍的PD患者的研究，将有助于进一步验证这些发现，并为基于预防的PD临床试验提供新的思路和靶点。
