《Frontiers in Immunology》：Understanding heterogeneity in the pathogenesis and drug responses of ulcerative colitis through single-cell and spatial transcriptomics
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本文系统性综述了近年来单细胞RNA测序(scRNA-seq)和空间转录组学/蛋白质组学技术在溃疡性结肠炎(UC)研究中的应用。文章从临床视角出发，梳理了现有证据，揭示了UC在免疫细胞(如Th17细胞、炎症相关成纤维细胞(IAF)、IgG+浆细胞)、基质细胞和上皮细胞等多个层面的异质性改变，并探讨了这些改变与疾病发病机制和治疗反应(尤其是对TNF抑制剂和维得利珠单抗)的关联。文章不仅总结了当前研究的核心发现，也指出了该领域样本量小、表型异质性高等局限性，并为未来如何设计更具临床转化价值的研究提出了方向性建议。
近年来，生命科学领域的技术革新为我们窥探复杂疾病的微观世界打开了新窗口。对于溃疡性结肠炎(UC)这种慢性的、致残性的炎症性肠病(IBD)，传统的研究方法往往像用望远镜观察森林，只能看到整体的“炎症”茂密，却难以分辨其中每一棵“树木”（细胞）的种类、状态以及它们之间的“交流”网络。单细胞RNA测序(scRNA-seq)和空间转录组学/蛋白质组学技术的出现，就像给了科学家们一副高倍显微镜和一张精细的地图，让我们得以在单个细胞分辨率和其原生空间位置上，解码UC肠道黏膜中发生的复杂故事。
理解溃疡性结肠炎的细胞“社会”
健康的结肠黏膜是一个高度有序的“社区”，各类免疫细胞、上皮细胞和基质细胞（如成纤维细胞、内皮细胞）各司其职，维持着黏膜屏障的完整和免疫耐受的平衡。然而，在UC患者的肠道中，这个“社区”陷入了持续的“炎症风暴”。scRNA-seq研究像进行了一次大规模的“人口普查”，揭示了这场风暴中各类“居民”的深刻变化。
在先天免疫系统中，髓系细胞（如巨噬细胞、单核细胞）被广泛激活。它们高表达S100A8/A9、IL1B等炎症介质，并分泌趋化因子CXCL1、CXCL5等，像吹响了“集结号”，大量招募中性粒细胞到炎症部位。这些浸润的中性粒细胞和活化的巨噬细胞构成了组织损伤的核心力量。一些研究还发现了独特的巨噬细胞亚群，如表达SPP1（骨桥蛋白）的炎症相关巨噬细胞，它们可能通过分泌基质金属蛋白酶(MMP)参与组织重塑。
适应性免疫系统的“失调”同样显著。一个标志性的发现是肠道黏膜中浆细胞的“类转换”：从主要负责免疫排斥、维持耐受的IgA+浆细胞，转变为更具炎症潜能的IgG+（尤其是IgG1+）浆细胞。这种转变伴随着内质网应激相关基因（如XBP1）的上调，反映了抗体过度生产带来的细胞压力。在T细胞方面，研究观察到调节性T细胞(Treg)数量的增加，但有趣的是，这些Tregs却显示出促炎症的基因特征，甚至成为肿瘤坏死因子(TNF)的重要来源，这提示了在慢性炎症环境中Treg功能的“失常”或“转化”。此外，产生IL-17A的Th17细胞、产生CXCL13的T外周辅助细胞(TPH)以及细胞毒性CD8+T细胞等效应细胞亚群也显著扩增，共同驱动了炎症和组织损伤。
以往容易被忽略的基质细胞，在这次“普查”中被发现是炎症“社区”中活跃的“组织者”和“煽动者”。一类被称为炎症相关成纤维细胞(IAF) 的细胞亚群在UC组织中大量扩增。它们不“安分”于提供结构支持，反而变身炎症信号的“放大器”，大量分泌CXCL1、CXCL2、CXCL3、CXCL5、CXCL8等一系列趋化因子，形成强大的“化学梯度”，持续吸引中性粒细胞聚集。这些IAFs还表达IL11、IL13RA2、WNT2等与纤维化、组织重塑相关的基因，将急性炎症与慢性病理改变联系起来。
作为风暴中心的上皮细胞同样发生了深刻重编程。具有吸收功能的BEST4+结肠细胞、分泌黏液的杯状细胞等特化上皮细胞减少，而上皮干细胞/祖细胞特征（如OLFM4）的表达范围异常扩大，提示修复与分化过程紊乱。一些具有免疫感知功能的细胞，如微褶细胞(M细胞)增多，可能加剧了抗原的异常递呈。
绘制炎症的“空间地图”
单细胞技术虽然精细，但将细胞从其原生组织中“解离”出来，也丢失了关键的“位置”信息。细胞之间的相互作用往往依赖近距离的“邻里关系”。空间转录组学/蛋白质组学技术正好弥补了这一缺陷，它允许我们在保留组织架构的同时分析基因或蛋白表达，就像在细胞“社会”的宏观地图上标注每个“街区”的特征。
利用这些技术，研究者们直观地看到了UC黏膜中免疫细胞的空间聚集模式。例如，研究发现由CD4+T细胞、中性粒细胞和髓系抗原呈递细胞组成的免疫细胞聚集体，就定位在紧邻上皮层下方的区域。中性粒细胞尤其聚集在隐窝脓肿和溃疡处，生动地展现了其破坏性作用。空间分析还证实，IgG+浆细胞不仅存在于固有层，也浸润到了上皮层内，这与它们局部产生致病性抗体的功能相符。
更重要的是，空间技术使解析细胞间“对话”成为可能。通过分析配体-受体对的共定位，研究揭示了UC组织中活跃的信号网络。例如，上皮细胞和CD8+T细胞之间可能存在IL18-IL18R1/IL18RAP和TNF-TNFRSF1A的相互作用。在基质-免疫互作中，Oncostatin M (OSM)-OSMR 轴备受关注：OSM由炎性单核细胞和树突状细胞产生，而其受体OSMR则在IAFs上高度富集。这种空间上邻近的“髓系细胞-成纤维细胞”对话，被认为是驱动和维持炎症的关键环路之一。
寻找治疗反应的“预测密码”和“新靶点”
面对临床上UC患者对生物制剂（如抗TNF药、抗整合素药）约40-50%的无应答率，理解治疗抵抗的机制至关重要。单细胞和空间研究正试图找出其中的“密码”。
多项研究指出，治疗前组织中特定的细胞特征与不良治疗反应相关。例如，对抗TNF药物（如阿达木单抗）无应答的患者，其黏膜中炎症相关成纤维细胞(IAF) 和炎性髓系细胞的富集程度更高，且OSM-OSMR信号通路更为活跃。对维得利珠单抗无应答者，也显示出类似的巨噬细胞/单核细胞炎症特征。相反，治疗有应答者则常表现出更好的上皮修复特征（如REG1A, OLFM4高表达）和结肠细胞成熟标志（如BEST4, CA2）。
Friedrich等人的研究进一步提出了“病理型”的概念。他们发现一种以深层溃疡、大量中性粒细胞浸润和特定IAFs激活为特征的“M4/M5-high”病理型，对多种治疗（激素、抗TNF、抗整合素）均抵抗。该病理型的核心是IL-1R驱动的“成纤维细胞-中性粒细胞”募集通路，提示靶向IL-1信号可能是克服此类治疗抵抗的新策略。
空间蛋白组学研究还观察到了治疗后的免疫微环境重塑。例如，抗TNF治疗能有效减少富含适应性免疫细胞（如T、B细胞）的淋巴聚集体，但一些富含中性粒细胞、表达TNFR2和TNFRSF9的“先天免疫细胞微环境”却可能持续存在，这或许是部分患者炎症无法完全消散的原因。
挑战与未来方向
尽管这些新技术带来了前所未有的见解，但当前研究领域仍面临挑战。最主要的限制是样本量小和患者临床表型异质性强（疾病范围、活动度、病程、合并用药各异），这影响了研究结果的普适性和可重复性。此外，如何从海量复杂的数据中提炼出真正具有临床指导意义的生物标志物或靶点，仍需更多努力。
未来，该领域的研究需要向更稳健的队列设计和精细的样本分层发展。在开展大规模“组织图谱”式研究以全面绘制疾病细胞图谱的同时，应精心设计“假设驱动”的研究，在临床特征明确、同质化的患者队列（如特定治疗前后的配对样本）中验证关键发现。通过整合多个单细胞数据集构建“整合图谱”，能增强统计效能，发现稀有但重要的细胞类型。最终目标是利用这些高分辨率的技术，推动UC诊疗向真正的“精准医疗”迈进，为每位患者找到最有效的治疗路径。
