《Frontiers in Immunology》：Amplification cycles through innate lymphoid cells at the onset of lupus nephritis
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本综述聚焦系统性红斑狼疮（SLE），特别是其危及生命的肾脏表现——狼疮性肾炎（LN），提出了一种创新的免疫-组织细胞互作数学模型。文章基于狼疮易感NZB/W F1小鼠的单细胞转录组学数据，揭示了组织相关固有淋巴细胞（tILC）和血管相关自然杀伤细胞（vNK）的多样化景观及其在疾病起始阶段的关键放大器作用。研究者构建了一个可扩展的数学框架，量化分析了以ILC为核心的细胞间相互作用网络，阐明了在自身抗体存在下，正反馈回路如何驱动高度异质性的疾病动力学，并评估了耗竭疗法的时机依赖性疗效，为量化自身免疫病严重程度和预测生物治疗反应奠定了基础。
2.1 单细胞转录组学揭示了肾炎小鼠中存在多样化的、活化的ILC群体
为了评估狼疮性肾炎（LN）发病时的固有淋巴细胞（ILC）群体，研究分析了狼疮易感NZB/W F1小鼠在经多聚肌苷酸:胞苷酸（poly(I:C)）免疫刺激后获得的数据。绝大多数小鼠表现出蛋白尿，而在通过aAGM1治疗（主要在组织中耗竭NKp46+细胞）后，蛋白尿发生率降至23%，在无poly(I:C)刺激的情况下，在此时间段内发生率仅为13%。这些结果支持了NKp46+ILC在疾病起始中的重要作用。
通过对单细胞数据的聚类分析，并应用一套精选的10个谱系和活化标志物，研究者注释了13种细胞状态，揭示了自然杀伤（NK）细胞和辅助性ILC（包括ILC1和ILC3）区室内的功能异质性。在NK细胞群体中，两个高表达Mki67的簇表现出增殖能力，而另两个表达高水平Gzma的NK细胞大簇则反映了细胞毒效应表型。此外，还发现了一个高表达免疫检查点受体Tigit的离散NK细胞簇。在辅助性ILC区室中，一个簇显著表达激活标志Tnfrsf9，另一个大亚群则高表达与组织驻留相关的转录因子Zfp683。分析还发现了细胞间通讯关键分子，如Ifng和Ccl5的差异表达，突显了疾病起始时激活状态的多样性。
在血管中，NK细胞在数量上超过辅助性ILC，但在组织中，辅助性ILC占据主导地位。因此，后续分析聚焦于组织中的辅助性ILC（tILC）和血管中的NK细胞（vNK）。伪时序轨迹分析表明，Gzma+NK亚群位于NK细胞激活轨迹的末端。通过基因模块评分量化效应潜能发现，vNK细胞的效应潜能在激活轨迹上渐进增加。在tILC中，轨迹分析中的第三个激活状态显示出最高的效应潜能，但在轨迹的最终状态，效应潜能又回落到与组织驻留的Zfp683+亚群相似的水平。重要的是，在患病样本中，具有最高激活水平的vNK细胞状态得到富集，而在健康样本中，具有低效应潜能的组织驻留tILC状态得到富集。对来自LN患者的已发表单细胞RNA-seq数据集进行再分析，应用相同的激活特征框架，也观察到了类似的NK和ILC亚群激活模式，尽管分辨率略低，但整体趋势与小鼠数据一致。
综上所述，在狼疮性肾炎中识别出具有多种效应功能的多样化ILC群体，支持了活化的tILC和vNK细胞在自身免疫病起始中的关键作用。
2.2 驱动狼疮性肾炎慢性炎症的细胞-细胞相互作用数学模型
为了对驱动疾病起始的复杂相互作用进行量化理解，研究者建立了一个数学建模框架。这个框架扩展了已建立的细胞-细胞相互作用网络基序，包含了细胞浸润、通过细胞因子的细胞通讯，以及代表诸如免疫复合物形成等跨区室过程的延迟生产项。后者通过基于线性链技巧的响应时间建模框架来实现，允许考虑中间过程而无需详细描述所有中间物种。
该框架的核心是一个包含细胞状态xi和细胞因子物种cj的联立方程系统。其中，细胞数量的变化受到细胞浸润（用Erlang分布描述的延迟过程R[β, n]）、细胞状态转换（α）、增殖（γ，受细胞因子调节并受承载能力ω限制）和死亡（δ）的影响。细胞因子的变化则由细胞分泌、受体介导的内吞（通过Hill型函数h[c, K]描述）和降解（η）决定。通过无量纲化，模型以细胞类型和细胞因子组的内在单位表示，从而减少参数空间，便于集中分析网络拓扑结构。
i)) up to a carrying capacity (ω), cytokine secretion and feedback. (B) Response-time modelling framework. The unfilled arrow represents a delayed input process described by Erlang-distributed stochastic variables, which can be replaced by a linear chain of reactions reaction rate β. (C) Visualization of non-dimensionalization and scaling to intrinsic units for groups of cell-types and cytokines.">
接下来，研究者推导出了一个针对狼疮性肾炎起始时天然免疫细胞相互作用的具体数学模型。模型由两个区室构成：肾炎组织和血管相关细胞。模型设计聚焦于干扰素-I（IFN-I）和免疫复合物介导的正反馈回路，这些回路将免疫细胞募集与进行性组织损伤联系起来。具体而言，在poly(I:C)刺激诱导IFN-I释放后，具有低效应潜能的组织驻留tILC（tILClow）转化为更活跃的群体（tILC），刺激的单核细胞（MO）到达血管。NK细胞随着MO数量增加而迁移到肾炎血管区室，tILC驱动组织中单核细胞来源的巨噬细胞（MOMA）增加。在疾病状态下，出现了狼疮肾炎相关中间壁层上皮细胞（LN-iPEC）和毛细血管内皮细胞（LN-cEC）群体，它们产生趋化因子，被认为在巨噬细胞和单核细胞的募集中起作用。这些免疫细胞共同直接导致组织损伤。为反映狼疮易感个体的疾病起始，模型还考虑了自身抗体存在和损伤相关免疫复合物沉积的遗传倾向。
模型模拟了在4周时间内poly(I:C)诱导IFN-I产生的情况。模型在野生型（WT）和NZB/W条件下的模拟显示，poly(I:C)注射在两种条件下都导致IFN-I浓度的第一个峰值（第19-23周）。但在WT条件下，IFN-I随后衰减到基线水平；而在NZB/W条件下，由于免疫复合物形成和系统自放大，IFN-I在去除外部供给后（第25-27周）出现与损伤相关的第二个峰值，这与实验数据一致。伴随IFN-I的第二个峰值，免疫复合物沉积、MOMA、MO、vNK、tILC和细胞因子浓度均增加。在WT条件下（即无自身抗体介导的免疫复合物沉积），模拟仅产生组织损伤的短暂增加，并在poly(I:C)去除后恢复到基线。
模型包含了五个正反馈机制（F1-F5）。消除单个反馈回路在很大程度上可被模型中的其他分支补偿，但单独消除F3和F5已有显著影响。消除免疫复合物对组织和血管区室的反馈组合（F3/5），几乎将损伤水平降至WT条件（等同于F3/4/5）。额外消除直接损伤诱导的IFN-I释放（F1），在所有情况下都进一步降低了组织损伤，这重现了临床观察到的IFN-I高水平驱动严重疾病进展的重要性。模型对参数变化的敏感性分析表明，降低免疫细胞浸润率或增加死亡率可防止终末期肾病（ESRD）的发生，反之，升高的免疫复合物水平则会促进ESRD的快速发生。
总之，该数学模型分析表明，在具有免疫复合物沉积遗传倾向的个体中，天然免疫细胞群体之间的自放大循环，结合损伤相关的IFN-I释放，可以决定慢性自身免疫病的起始。
2.3 自发性炎症事件可诱导慢性炎症高度异质、延迟的起始时间
由于易感免疫复合物沉积，NZB/W小鼠即使在无poly(I:C)治疗的情况下也会发展出狼疮性肾炎，其发病时间在20-44周龄之间高度异质。为探究此现象，研究者构建了一个混合模型，即在原有的确定性模型基础上，加入了一系列由电报过程描述的急性炎症事件，该过程在平均时间为τon, τoff的随机时间间隔内在“开”和“关”状态之间切换。为描述急性炎症事件消除和恢复至基线的复杂多步骤过程，模型使用具有可变标准差σon的Erlang分布来描述“开”状态时段。在自发性炎症事件存在期间，免疫复合物沉积会增加，如果免疫复合物水平偶然升高超过有效降解能力，它们就会累积。
这种机制与ILC介导的正反馈回路驱动的疾病起始模型相结合，导致了免疫复合物沉积的自发性增加，随后获得组织损伤。虽然无poly(I:C)强初始刺激的确定性模型本身就能解释该场景下延迟的损伤获取，但混合模型的疾病动力学介于有和无poly(I:C)的确定性模型之间，反映了环境条件或急性炎症事件导致的更早疾病起始。重要的是，混合模型解释了观察到的疾病起始动力学的强异质性。增加随机过程的总“开”时间会使疾病起始更快，而异质性（标准差）几乎保持不变；调节随机过程的变异系数（CV）则同时影响速度和异质性。在总“开”时间和CV不变的情况下，调节切换频率则指示了一个随机共振现象。
因此，将自发性炎症事件与免疫复合物清除动力学以及下游的ILC介导放大循环相结合，提供了一个机制框架，来解释为何在狼疮性肾炎等自身免疫条件下，尽管存在强烈的遗传易感性，疾病起始时间仍高度可变。
