《Frontiers in Immunology》：Multi-omics insights into spondyloarthritis and psoriatic arthritis: integrating genomics, transcriptomics, proteomics, and the microbiome for immunological and clinical translation
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摘要：
脊柱关节炎(SpA)和银屑病关节炎(PsA)是密切相关、具有显著临床异质性的免疫介导炎症性疾病。早期鉴别诊断、准确评估疾病活动度及制定个体化治疗策略仍是重大的临床挑战。单组学方法仅能提供对此复杂性的有限视角，凸显了对整合策略的需求。本综述系统性地综述了
摘要：
脊柱关节炎(SpA)和银屑病关节炎(PsA)是密切相关、具有显著临床异质性的免疫介导炎症性疾病。早期鉴别诊断、准确评估疾病活动度及制定个体化治疗策略仍是重大的临床挑战。单组学方法仅能提供对此复杂性的有限视角，凸显了对整合策略的需求。本综述系统性地综述了SpA和PsA多组学研究（包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和微生物组学）的发现。研究人员重点关注其在三个关键领域的应用：(i)阐明共享和独特的免疫病理机制，(ii)促进鉴别诊断，(iii)发现新型生物标志物。通过比较它们的分子图谱，研究人员探讨了SpA和PsA共同和不同的免疫学基础。此外，研究人员批判性地评估了整合多组学策略在推进早期诊断、精准监测、预测治疗反应和识别新治疗靶点方面的转化潜力。这个整合的多组学框架有望完善疾病分类学并指导个体化治疗决策，为SpA和PsA的精准医疗铺平道路。
论文主体内容总结：
1 引言
SpA代表了一组具有共同临床和遗传特征的免疫介导炎症性疾病家族。PsA是SpA谱系中一个独特的主要亚型，与强直性脊柱炎(AS)、非放射学中轴型SpA(nr-axSpA)、反应性关节炎和肠病性关节炎并列。这些疾病共享共同的免疫病理通路，最显著的是白介素-23(IL-23)/白介素-17(IL-17)轴，并可出现重叠的肌肉骨骼表现，包括中轴受累（骶髂关节炎和脊柱炎）、外周关节炎、附着点炎和指趾炎。然而，这些特征在不同亚型中的相对频率和显著性差异很大。它们在遗传易感性、皮肤表现、关节受累模式和疾病进展方面表现出显著差异。全球流行病学数据显示，SpA和PsA的患病率在不同人群中存在很大差异。这些流行病学差异，连同最强风险因素<HLA-B*27>的不完全外显率，强调了遗传背景与环境因素之间复杂的相互作用，为多组学研究提供了强有力的理论依据。
传统诊断依赖于临床和影像学标准，常导致诊断延迟，并且缺乏预测治疗反应的精确生物标志物。近年来，多组学技术的出现为在系统水平上分析复杂疾病提供了强大工具。整合基因组学、蛋白质组学和微生物组学数据，可以全面绘制疾病相关的分子网络，揭示SpA和PsA之间核心的分子差异和共同点。这种方法有助于发现高度特异性和敏感性的生物标志物组合。例如，新出现的代谢组学等组学层有望为SpA发病机制中宿主-微生物相互作用的功能性后果提供更深入的见解。在PsA和银屑病(PsO)的多组学研究中，整合基因组、转录组、表观遗传、蛋白质组、代谢组和微生物组数据有助于阐明疾病区别，拓宽对发病机制的理解，并为早期诊断和治疗提供有价值的生物标志物见解。此外，单细胞RNA测序(scRNA-seq)改变了研究人员对免疫介导关节炎（包括类风湿关节炎和SpA）的理解。它解析了滑膜成纤维细胞和免疫细胞亚群的异质性，为疾病机制和治疗反应差异提供了洞见。在SpA，特别是PsA和AS中，scRNA-seq研究已确定了与疾病病理学相关的不同细胞图谱。多组学整合提供了一个系统级视角，可以完善疾病分类学并指导个体化治疗决策。精准医疗，在先进的多组学方法和分析的推动下，旨在通过使用临床可操作的分子生物标志物来指导诊断和治疗决策，从而彻底改变患者护理。在PsA中，针对特定生物制剂的分类治疗显示出高治疗反应的潜力，标志着精准医疗的前景。然而，预测慢性炎症性疾病(CIDs)治疗反应的可靠生物标志物仍然难以捉摸。研究表明，在开始生物治疗前，血清微纤维相关蛋白-4(MFAP4)水平升高与良好的临床结果相关。此外，滑膜组织的深入表征为这些疾病的多样细胞和分子特征及其与不同临床和治疗反应表型的潜在联系提供了新见解。实现这一目标需要创新、以患者为中心、分子病理学驱动的临床试验方法。
2 SpA和PsA的基因组图谱：从遗传易感性到功能解释
2.1 共享和特异性的遗传风险位点
SpA和PsA的遗传结构表现出显著的重叠和关键差异，为理解其共享的免疫病理机制和独特的临床表现提供了重要线索。与主要组织相容性复合体(MHC)区域等位基因，特别是人类白细胞抗原(HLA)变异的关联差异尤为明显。<HLA-B*27>是强直性脊柱炎(AS，主要的SpA亚型)最强的遗传风险因素，其在包括中国人群在内的多个人群中得到证实。然而，<HLA-B*27>与PsA的关联相对较弱，而<HLA-C*06:02>等位基因与PsA风险显著相关。在欧洲和中东血统人群的荟萃分析中，<HLA-C*06:02>等位基因与PsA风险增加密切相关，而<HLA-C*04>可能具有保护作用。<HLA-C*06:02>也是银屑病皮肤表现的主要遗传决定因素，其与PsA关节炎亚型的关联表明皮肤和关节病变之间存在潜在的共享免疫遗传基础。此外，<HLA-B*27>和<HLA-B*38>等位基因被认为是PsA的潜在生物标志物。在非MHC区域，SpA和PsA共享多个易感基因，共同指向IL-23/辅助性T细胞17(Th17)炎症轴的核心作用。例如，IL23R和IL12B位点是两种疾病的关键共享风险位点。这些基因的变异可能破坏IL-23信号通路，从而驱动异常的Th17细胞活化和促炎细胞因子（如IL-17）的产生，形成两种疾病的共享免疫遗传基础。此外，TNFAIP3（编码TNIP1蛋白）等基因的变异也与PsA易感性相关，进一步强调了免疫调节通路在疾病发病机制中的重要性。除了适应性免疫基因，那些参与先天免疫的基因也与PsA风险相关，表明至少在一部分患者中存在自身炎症性疾病机制。尽管有许多共享位点，研究也发现了相对特异的PsA遗传信号，这有助于解释其独特的临床异质性。例如，RUNX3和PTPN22等基因被认为是PsA相对特异的遗传信号。这些基因可能通过影响T细胞功能、调节调节性T细胞(Treg)活性等途径驱动PsA独特的关节和皮肤表现。对意大利PsA患者的研究发现，TRAF3IP2、ERAP1和STAT4等基因的多态性与疾病易感性相关。TRAF3IP2的变异还与更高的关节压痛/肿胀计数和疾病活动度相关。多基因风险分析进一步表明，携带至少四个风险等位基因的个体发展为PsA的概率更高。这些发现强调了非HLA基因在PsA发病机制中的重要作用，并表明PsA的遗传背景可能涉及T细胞活化和免疫调节的微妙失衡。
2.2 基因组数据的功能转化与机制探索
全基因组关联研究(GWAS)已成功识别出许多与SpA和PsA相关的遗传风险位点。然而，将这些统计学关联转化为对疾病机制的生物学理解仍是一个核心挑战。功能基因组学方法为此提供了强大工具。通过整合表达数量性状位点(eQTL)分析和染色质构象捕获技术，研究人员可以将GWAS中发现的非编码风险变异定位到它们调控的特定靶基因和细胞类型。例如，这些方法有助于揭示风险变异如何通过远距离增强子-启动子相互作用影响特定细胞类型（如CD8+T细胞和肠上皮细胞）中的基因表达，从而阐明其在疾病发病机制中的作用。整合多个遗传风险位点形成多基因风险评分(PRS)是将基因组数据转化为临床实践的一个关键方向。PRS量化了个体的遗传易感性负担，并在评估疾病风险和预测严重程度方面显示出前景。例如，研究尝试利用包含HLA和非HLA位点的PRS来区分单纯银屑病患者和伴发PsA的患者。然而，目前的PRS模型区分能力有限，对其临床应用构成了挑战。这些挑战源于几个方面：首先，已确定的PsA特异性位点数量仍然有限，需要更大规模的研究和国际合作来发现更多的遗传因素。其次，PRS性能可能在不同种族和民族群体中有所不同，需要考虑遗传背景的多样性。最后，将PRS与临床风险因素整合以构建更稳健的风险预测模型需要进一步的探索和验证。尽管如此，利用PRS进行疾病风险分层以实现早期干预和精准医疗仍然是该领域一个有前景的方向。
3 转录组学与蛋白质组学：揭示动态的免疫和炎症通路
3.1 外周血和病变组织中的转录组学分析
外周血和受累组织的转录组学分析揭示了SpA和PsA中不同的免疫景观。例如，早期SpA患者的滑液以IL-17A+CD8+T(Tc17)细胞的扩增为特征，这一发现将它们与类风湿关节炎(RA)患者区分开来。尽管包括AS和PsA在内的这些疾病共享强大的遗传背景，但它们表现出不同的临床表型。这种异质性部分源于基因调控水平的差异。通过比较患者外周血单个核细胞(PBMCs)的转录组，eQTL研究有助于揭示疾病特异性的基因表达调控网络。例如，在PsA中，特定的遗传变异可能通过eQTL机制影响I型干扰素信号通路或细胞毒性相关基因模块的表达活性，从而驱动与银屑病皮肤病变相关的免疫反应。这与AS主要涉及中轴骨骼的转录特征形成对比。这种基于遗传背景的转录组差异分析为理解两种疾病间不同的免疫通路激活提供了分子基础。受累组织（如关节滑膜、银屑病皮损和肠黏膜）的转录组学研究揭示了局部炎症微环境的特异性。eQTL分析可以识别在这些特定组织中起作用的遗传调控元件，从而阐明组织特异性炎症特征的遗传基础。例如，在SpA患者的滑膜组织中，eQTLs可能调节与髓系细胞浸润和基质细胞激活相关的基因表达，塑造一个富含成纤维细胞和巨噬细胞的炎症环境。相比之下，在PsA皮损内，eQTLs可能优先影响与角质形成细胞增殖和分化相关的基因调控，导致其高度激活状态。这些组织特异性eQTL效应将共享的遗传风险因素转化为靶器官的不同病理表现，阐明了SpA和PsA临床多样性背后的潜在机制。单细胞RNA测序(scRNA-seq)通过在单细胞分辨率下识别疾病相关的细胞亚群（如致病性Th17细胞、细胞毒性CD8+T细胞和活化的成纤维细胞），进一步解析了这种异质性。将scRNA-seq与遗传数据整合，可以绘制疾病相关变异如何影响这些特定细胞类型内的基因表达。通过解析滑膜和皮肤等组织中免疫细胞和基质细胞的异质性，scRNA-seq在特定的细胞亚群内识别活跃的eQTL。这种细胞类型特异性的eQTL信息对于构建精确的细胞间通讯网络至关重要。例如，在CD8+T细胞中发现的eQTL可能调节其细胞毒性相关基因的表达，从而影响它们攻击滑膜或皮肤组织的能力。整合scRNA-seq数据和遗传信息，可以绘制调节特定细胞类型内基因表达的疾病相关遗传变异。这不仅加深了对SpA和PsA免疫病理机制的理解，也为发现细胞靶向治疗策略提供了新线索。
3.2 血清和滑液中的蛋白质组特征：从候选生物标志物到临床应用
蛋白质组学技术，包括质谱和多重免疫分析，使得在SpA和PsA患者的血清和滑液中识别和量化一系列候选蛋白质生物标志物成为可能。这些努力旨在以微创方式捕捉炎症和组织重塑的动态状态。在研究中最为广泛的候选物之一是基质金属蛋白酶-3(MMP-3)，这是一种参与细胞外基质降解的酶。血清MMP-3水平升高与AS的影像学进展以及PsA的活动性滑膜炎持续相关，表明其作为结构损伤和疾病活动度标志物的实用性。同样，警报蛋白S100A8和S100A9（形成钙卫蛋白异二聚体）由活化的中性粒细胞和单核细胞释放。它们在血清和滑液中的浓度与临床疾病活动指数（如强直性脊柱炎疾病活动评分[ASDAS]和银屑病关节炎疾病活动度[DAPSA]）密切相关，反映了SpA和PsA中先天免疫细胞激活的强度。最近，微纤维相关蛋白-4(MFAP4)已成为一个有前景的预测性生物标志物；在开始生物治疗前，升高的基线血清MFAP4水平与慢性炎症性疾病（包括SpA和PsA）的良好临床反应相关。除了血清腔室，滑液(SF)的蛋白质组学分析为局部关节微环境提供了一个直接窗口。比较SF蛋白质组学揭示了区分SpA与其他炎症性关节炎（如RA）的不同分子特征。例如，SpA患者的SF可能表现出与中性粒细胞脱颗粒和补体级联相关的蛋白质富集的独特特征，而RA的SF则显示出与适应性免疫反应和B细胞激活更密切相关的特征。这些蛋白质组学发现的临床实用性在通过遗传学视角解读时得到显著增强。整合蛋白质组学和eQTL分析提供了一个框架，用于区分与疾病相关的炎症标志物和可能在发病机制中起因果作用的蛋白质。例如，如果候选蛋白质（如S100A9）水平升高与已知调节其基因表达的特定eQTL相关，这就加强了其具有遗传驱动、致病性作用的证据，而非仅仅是继发性炎症现象。这种多组学整合策略通过优先考虑具有强大遗传支持的候选物，提高了生物标志物发现的准确性和临床转化价值。在鉴别诊断方面，识别区分PsA与单纯皮肤银屑病(PsO)或其他形式SpA的蛋白质特征仍是一个关键挑战。eQTL引导的蛋白质组学可以通过精确定位在PsA疾病背景下特异性激活的蛋白质表达模式来帮助这项工作。系统筛选这些受遗传调控、差异表达的蛋白质，有望构建具有高区分能力的生物标志物组合。对于治疗预测，基线蛋白质组学特征正被积极研究，以预测其对生物制剂（如肿瘤坏死因子[TNF]抑制剂和IL-17抑制剂）的反应。通过考虑调节其表达的潜在eQTL基因型，可以进一步完善这些蛋白质标记物的预测能力。例如，与IL-17信号通路关键成分表达相关的eQTL可以帮助识别更可能对IL-17阻断有反应的患者。这些方法不仅有助于个体化治疗决策，还为药物反应的生物学决定因素提供了机制性见解，推动了精准医疗在SpA和PsA中的应用。
4 肠道和皮肤微生物组：环境触发和免疫调节的关键界面
4.1 肠道菌群失调与脊柱关节炎
脊柱关节炎(SpA)患者的肠道微生物组表现出特征性的菌群失调。多项宏基因组学研究证实，与健康对照相比，SpA患者的肠道微生物多样性显著降低，其生物多样性减少与炎症性肠病(IBD)中的发现相似。关于特定的微生物组成，强直性脊柱炎(AS)患者的肠道中普雷沃菌属(Prevotella)富集，拟杆菌属(Bacteroides)减少。一项针对中国汉族AS患者的研究进一步显示，肠道中潜在有害细菌如变形菌门(Proteobacteria)和肠杆菌科(Enterobacteriaceae)水平增加，而有益细菌如厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteria)水平降低。这种菌群失调与疾病活动度密切相关。研究表明，肠道菌群失调在AS患者中比在健康对照中更普遍，并与较差的疾病活动度（例如，更高的ASDAS-CRP和BASDAI评分）和更差的身体功能(BASFI)显著相关，这种关联似乎独立于肠道炎症和治疗因素。此外，特定细菌的丰度与疾病活动度相关。例如，SpA患者中瘤胃球菌属(Ruminococcus gnavus)的丰度增加，并且是区分患者与健康对照的顶级物种之一。类粪杆菌属(Coprobacter)的丰度也与BASDAI和ASDAS-CRP呈正相关，表明其作为疾病活动度生物标志物的潜力。遗传背景，特别是<HLA-B*27>，在塑造肠道微生物群中起着关键作用。研究表明，即使在SpA患者的健康兄弟姐妹中，<HLA-B*27>阳性个体的肠道微生物组成也与<HLA-B*27>阴性个体显著不同。<HLA-B*27>表达本身就能显著改变小鼠的肠道微生物组成，将微生物生态系统推向促炎状态。重要的是，肠道菌群失调并不仅限于中轴型SpA。银屑病关节炎(PsA)的研究也证明了肠道微生物组的特征性改变，包括多样性减少和特定细菌类群的改变，这可能有助于这些患者的全身炎症负担。
肠道菌群失调通过改变代谢产物深刻影响宿主免疫稳态，从而促进SpA的发病。短链脂肪酸(SCFAs)是有益肠道细菌发酵膳食纤维产生的重要抗炎代谢物。研究表明，SCFA产生菌在AS患者的肠道中显著减少，其丰度与疾病严重程度呈负相关。同时，色氨酸代谢途径在SpA患者中发生显著改变。对中轴型SpA(axSpA)患者结肠活检标本的代谢组学分析显示，色氨酸代谢物如吲哚-3-乙酸(IAA)和吲哚-3-乙醛(I3Ald)显著扩增。而相应的宏基因组学分析显示，在axSpA患者中，产生这些代谢物的微生物基因（如吲哚丙酮酸脱羧酶基因）丰度增加。这些代谢改变可能影响局部和全身免疫反应。例如，丁酸盐（一种SCFA）和丁酸盐产生菌（如普拉梭菌[Faecalibacterium prausnitzii]）水平的降低破坏了Th17/Treg细胞平衡。实验表明，将F. prausnitzii或其代谢物丁酸盐引入axSpA患者的CD4+T细胞，可以减少IL-17A的产生并增加IL-10水平，同时丁酸盐还能减少破骨细胞生成。此外，<HLA-B*27>转基因小鼠中改变的肠道代谢谱表现为多种前列腺素水平升高和抗炎代谢物水平降低。这些代谢失调共同损害了肠道屏障功能，增加了肠道通透性。这促进了微生物产物（如脂多糖）易位进入体循环，在那里它们通过模式识别受体激活先天免疫，并驱动适应性免疫反应，如IL-23/IL-17轴，最终导致关节炎症。
鉴于肠道微生物组在SpA发病机制中的关键作用，以微生物组为靶点的干预措施显示出临床潜力。抗生素干预可以影响疾病进展。在<HLA-B*27>转基因大鼠中，广谱抗生素治疗恢复了肠道硬化蛋白表达并使血清素合成正常化，揭示了肠道微生物组依赖的硬化蛋白-血清素轴在疾病中的作用。在自发性关节炎DBA/1小鼠模型中，左氧氟沙星治疗减少了促炎细菌如普雷沃菌科(Prevotellaceae)，同时增加了抗炎毛螺菌科(Muribaculaceae)。这导致肠道、外周关节和脊柱的炎症减少，同时下调了SpA相关的细胞因子和信号通路。临床上，改善病情抗风湿药(DMARDs)对肠道微生物群具有调节作用。肿瘤坏死因子抑制剂(TNFi)不仅能有效缓解AS症状，还能部分恢复患者肠道微生物群的平衡，将微生物组成和功能特征向健康对照转变——特别是通过增加SCFA产生菌的丰度。类似地，JAK抑制剂托法替布在治疗银屑病关节炎(PsA)和AS时，也被观察到能改变肠道细菌谱系，促进如拟杆菌属(Bacteroides)和类粪杆菌属(Coprobacter)等属的正常水平恢复，这与临床改善相关。这些发现表明，调节肠道微生物群可能代表SpA一种新的辅助治疗策略。以微生物组为靶点的疗法，如益生菌/益生元，已被提议作为SpA的辅助治疗，旨在通过调节肠道微生物群和/或肠道屏障功能来预防或治疗疾病。然而，仍需要更严格设计的纵向研究和临床试验来验证这些干预措施的长期有效性和安全性。
4.2 皮肤微生物组在银屑病和银屑病关节炎中的作用
作为人体最大的器官，皮肤表面栖息着一个复杂的微生物群落——皮肤微生物组。在银屑病中，皮损部位的微生物组成与非皮损部位和健康皮肤显著不同。尽管文献主要集中在肠道微生物组，但其中揭示的微生物-免疫相互作用的普遍原理有助于理解皮肤微环境。皮肤微生物组的菌群失调，例如金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)定植增加和皮肤常驻菌群（如痤疮丙酸杆菌[Cutibacterium acnes]）平衡的改变，被认为可能加剧或维持皮肤炎症状态。事实上，皮肤微生物组的研究表明，银屑病和银屑病关节炎患者的皮损和非皮损皮肤与健康个体相比具有不同的微生物特征。这些微生物通过其相关分子模式激活角质形成细胞和皮肤常驻免疫细胞（如朗格汉斯细胞）上的模式识别受体（例如Toll样受体[TLRs]），触发促炎细胞因子的释放。这个过程进一步招募和激活额外的免疫细胞，形成一个炎症循环。尽管文献中银屑病皮损微生物组改变的具体细节研究不足，但其核心机制——微生物组通过先天免疫影响适应性免疫反应——仍然是一致的。皮肤微生物组的破坏可能损害局部免疫耐受，并促进致病性免疫通路（如IL-23/IL-17轴）的上调，这与银屑病的关键病理生理机制密切相关。
银屑病关节炎(PsA)是银屑病的关节表现。虽然其发病机制中连接肠道和关节病理的“肠-关节轴”受到了相当多的关注，但潜在的“皮肤-关节轴”同样值得探讨。PsA患者关节症状的出现可能与皮肤和肠道微生物组的特定改变有关。假设认为，皮肤或肠道的慢性炎症和菌群失调可能激活局部免疫细胞，这些细胞随后迁移到关节并引发关节炎。例如，由肠道菌群失调驱动的Th17细胞扩增和免疫细胞向关节的迁移被认为是SpA发病机制的关键机制。虽然现有文献没有直接提供预测银屑病进展为PsA的特定皮肤微生物组特征，但微生物组通过全身免疫影响远端关节的模式是公认的。未来的研究需要对银屑病患者的皮肤和肠道微生物组动态进行纵向跟踪，以确定是否存在预测PsA发病的微生物生物标志物。PsA患者的小型病例系列报告称，托法替布治疗在改善关节炎症的同时，也显著改变了肠道微生物组成，有利于被认为有益于免疫调节的细菌菌株。这间接表明了关节和微生物组（包括可能受影响的皮肤微生物群）之间的双向相互作用，其中治疗干预可以重塑微生物生态，同时调节全身免疫。
微生物组参与银屑病和PsA发病机制的核心机制在于其与宿主免疫系统的持续对话。皮肤和肠道微生物通过其组分（例如肽聚糖、脂多糖）或代谢物持续刺激宿主的模式识别受体(PRRs)，特别是Toll样受体(TLRs)。TLR的激活触发下游信号通路，包括髓样分化初级反应蛋白88(MyD88)，导致核因子κB(NF-κB)和激活蛋白-1(AP-1)等转录因子的激活。这反过来促进了促炎细胞因子（包括TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-23）的合成和释放。IL-23是由活化的树突状细胞和巨噬细胞产生的关键上游细胞因子，驱动辅助性T细胞17(Th17)的增殖和稳定。活化的Th17细胞随后大量分泌效应细胞因子，包括IL-17A、IL-17F和IL-22。在银屑病和PsA中，IL-23/IL-17轴过度激活。IL-17强烈刺激角质形成细胞增殖，促进中性粒细胞募集，并诱导其他促炎介质，导致银屑病样皮损和滑膜炎症。微生物组是该轴的潜在启动者和调节者。例如，肠道菌群失调可能通过影响抗原呈递、分子模拟或直接超抗原暴露，破坏对肠道共生菌的免疫耐受，导致针对自身抗原或交叉反应微生物抗原的Th17反应异常放大。这些异常激活的免疫细胞随后可能通过血流迁移到皮肤和关节，引发或加剧炎症。因此，靶向微生物组或其下游免疫通路（例如通过IL-23或IL-17抑
