《Inflammation》：Combining Spatial Transcriptomics and Machine Learning Unravels Fibroblast-Related Biomarkers in Ulcerative Colitis
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本刊推荐：溃疡性结肠炎（UC）的精准诊疗和机制研究面临挑战。为解决此问题，研究人员围绕“成纤维细胞在UC中的作用”展开多组学研究。他们结合单细胞测序、空间转录组学和机器学习，成功鉴定出ANGPTL2和PHLDA1作为高诊断性能（AUC分别达0.917和0.935）的潜在生物标志物，并揭示了ANGPTL2作为潜在治疗靶点的新机制。这项研究为UC的无创诊断和靶向治疗开辟了新思路，具有重要的临床转化价值。
在肠道深处，一场无声的“慢性战火”正在持续燃烧，这就是溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）。UC作为一种慢性炎症性肠病，其核心特征是结肠粘膜层经久不愈的炎症，患者常经历腹痛、腹泻、血便等反复发作的痛苦。尽管医学不断发展，UC的诊断仍依赖侵入性的结肠镜检查，其治疗也常常效果有限，易复发。科学家们一直试图揭开这场“战火”背后的深层分子机制，以期找到更精准的诊断方法和更有效的治疗靶点。
近年来，研究者们将目光投向了肠道中一类并不起眼但却至关重要的细胞——成纤维细胞。传统上，成纤维细胞被认为是组织修复和纤维化过程中的“建筑工人”，负责产生细胞外基质，构建和修复受损组织。然而，在UC复杂的病理环境中，越来越多的证据暗示，成纤维细胞可能不再是中立的“修复者”，而是炎症的“煽动者”和“参与者”。它们在炎症驱动和组织结构重塑中究竟扮演何种角色？是否存在源自成纤维细胞的关键分子，能够作为疾病诊断的“信号灯”或治疗干预的“开关”？为了回答这些问题，一项整合前沿多组学技术与人工智能分析的研究应运而生。
研究人员开展了一项系统性研究，最终成果发表在《Inflammation》杂志上。这项研究的意义在于，它不仅从新的细胞视角（成纤维细胞）深化了对UC发病机制的理解，更重要的是，通过跨技术平台的整合分析，为UC的临床实践提供了具有高潜力的新型生物标志物和干预靶点，有望推动该疾病向无创诊断和精准治疗迈进。
关键技术方法概览
本研究综合利用了多种组学和实验技术。研究首先利用公共数据库中的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集（GSE114374， GSE231993）对UC组织进行细胞图谱解析和细胞间通讯分析。通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）识别与成纤维细胞浸润相关的核心基因模块。继而，运用机器学习模型（LASSO和SVM-RFE）从模块基因中筛选诊断性生物标志物。在验证层面，通过免疫荧光（IF）、酶联免疫吸附试验（ELISA）和蛋白质印迹（WB）在临床UC患者样本中验证候选标志物的表达。体内实验使用葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的UC小鼠模型，评估标志物表达及对候选药物GDC-0152的治疗反应。最后，利用空间转录组学数据集（GSE189184）分析了组织区域化、细胞类型空间分布及目标分子的定位表达。
研究结果
1. 单细胞分析鉴定UC中的关键细胞类型
通过对UC和正常结肠组织的单细胞RNA测序数据进行分析，研究成功解析了组织的细胞组成。分析发现，与正常组织相比，UC组织中成纤维细胞的丰度显著增加，并且其转录组状态发生显著改变，表明成纤维细胞是UC病理过程中的一个关键细胞类型。进一步的细胞间通讯分析揭示，UC中的成纤维细胞与其他细胞（如免疫细胞、上皮细胞）之间的相互作用网络异常活跃，提示其在介导炎症信号传导和组织微环境失调中起着核心作用。
2. WGCNA识别成纤维细胞相关基因模块与通路
为了深入探索成纤维细胞相关的分子事件，研究对批量转录组数据进行了WGCNA分析。结果发现一个标记为“绿松石色（turquoise）”的基因模块与组织中的成纤维细胞浸润水平呈现出极强的正相关性。对该模块基因进行功能富集分析显示，这些基因显著富集于多个与炎症和免疫反应密切相关的通路，包括“细胞因子-细胞因子受体相互作用”、“肿瘤坏死因子（TNF）信号通路”以及“细胞外基质受体相互作用”等。这从分子通路层面证实了成纤维细胞深度参与UC的炎症和纤维化进程。
3. 机器学习筛选并验证高精度诊断生物标志物
基于WGCNA识别的“绿松石色”模块基因，研究采用两种机器学习算法——最小绝对收缩和选择算子（LASSO）回归以及支持向量机递归特征消除（SVM-RFE）——进行特征筛选，以寻找最佳的诊断生物标志物组合。两种模型共同鉴定出两个基因：PHLDA1和ANGPTL2。随后的诊断效能评估显示，这两个生物标志物在区分UC患者与健康对照者方面表现出极高的准确性，其受试者工作特征曲线下面积（AUC）分别达到0.935和0.917。研究特别聚焦于ANGPTL2（血管生成素样蛋白2）进行后续验证。
4. 实验验证ANGPTL2在UC中的表达及其诊断潜力
通过多层次的实验验证，研究证实了ANGPTL2在UC中的关键作用。在蛋白质水平，免疫荧光和蛋白质印迹实验表明，ANGPTL2在UC患者结肠组织，尤其是活化的成纤维细胞中，表达显著上调。更重要的是，血清ELISA实验发现，UC患者血清中的ANGPTL2蛋白水平也显著高于健康对照，这强烈支持了ANGPTL2作为非侵入性血液诊断生物标志物的巨大潜力。在动物模型中，使用DSS诱导的小鼠结肠炎也再现了ANGPTL2的上调，而施用潜在的治疗性化合物GDC-0152能够逆转这种上调并缓解结肠炎症状，提示ANGPTL2可能是一个有效的治疗靶点。
5. 空间转录组学揭示ANGPTL2与成纤维细胞的共定位
研究利用空间转录组学技术，突破了传统测序技术丢失空间信息的局限。分析将UC组织精细地划分为13个具有不同转录特征的解剖区域。空间分析直观地显示，成纤维细胞在UC炎症区域中分布显著。尤为关键的是，ANGPTL2的表达在空间上呈现出高度异质性，其高表达区域与成纤维细胞富集区域存在显著的空间共定位。这提供了ANGPTL2主要由病灶局部活化的成纤维细胞产生和分泌的直接空间证据，进一步夯实了其作为成纤维细胞相关靶点的生物学基础。
研究结论与意义
本研究通过整合单细胞转录组、空间转录组学、生物信息学网络分析和机器学习，系统性地阐明了成纤维细胞在溃疡性结肠炎发病机制中的核心地位。研究得出结论：活化的成纤维细胞是驱动UC炎症和后续纤维化过程的关键细胞类型；源自成纤维细胞相关基因模块的分子ANGPTL2和PHLDA1是极具潜力的高精度诊断生物标志物，其中ANGPTL2还显示出作为治疗靶点的前景；空间转录组学证据首次在组织原位证实了ANGPTL2与成纤维细胞的空间共定位关系。
这项研究的讨论部分强调了其多方面的重要意义。在理论层面，它超越了将成纤维细胞视为单纯效应细胞的传统观点，确立了其作为UC病理“协调者”和“驱动者”的主动角色，并为“细胞因子-细胞因子受体相互作用”及“TNF信号通路”等如何在成纤维细胞中失调提供了新的见解。在转化医学层面，研究的主要贡献在于发现了ANGPTL2这一双重潜力分子：其血清水平的升高为开发无创、便捷的UC血液诊断试剂盒提供了全新的分子靶标；其在动物模型中对干预措施的反应，则为其成为新的药物靶点（例如GDC-0152或类似物作用的靶点）提供了临床前依据。总之，该研究为理解UC的复杂机制打开了新的窗口，并为未来开发基于成纤维细胞和ANGPTL2的精准诊疗策略奠定了坚实的科学基础。
