整合多组学解析代谢功能障碍相关脂肪性肝炎进展过程中巨噬细胞的特异性改变

《Nature Genetics》：Integrated multi-omics identifies distinct macrophage alterations during progression of metabolic dysfunction-associated steatohepatitis

代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）是一种影响全球超30%人口的慢性疾病，但从单纯性肝脂肪变进展为代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）过程中巨噬细胞组成的动态变化尚不清楚。研究人员通过对人类肝脏样本整合单细胞核转录组学、空间多组学及蛋白质组学分析，描绘了MASLD谱系中肝脏巨噬细胞的演化图谱。分析显示库普弗细胞（KC）呈进行性耗竭，同时出现多种表型各异的巨噬细胞亚群。空间多组学进一步证明，向MASH进展的标志是抗原提呈、吞噬功能活跃的GPNMB+巨噬细胞聚集，这一过程由产生白细胞介素32（IL32）的肝细胞支持。这些巨噬细胞表现出适应性代谢与促炎表型，受空间微环境与疾病分期双重调控。鉴定的巨噬细胞标志物可在独立临床队列中依据疾病活动度与分期对患者进行分层。该研究揭示了MASLD进展过程中巨噬细胞身份多样性及其代谢适应性表型。

研究背景与意义

代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD，旧称非酒精性脂肪性肝病NAFLD）是全球最常见的慢性肝病，其疾病谱涵盖从单纯性肝脂肪变（MASL）到代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）。MASH以小叶炎症、肝细胞气球样变及不同程度纤维化为特征，可进展为肝硬化与肝细胞癌，已成为肝移植的主要适应证。肥胖诱导的低度系统性慢性炎症是MASLD的核心驱动因素，其中巨噬细胞与代谢信号的互作尤为关键。既往小鼠模型研究发现脂质相关巨噬细胞（LAMs）及瘢痕相关巨噬细胞（SAMs）参与疾病进程，但动物模型无法完全模拟人类晚期MASH的特征，且现有研究常将巨噬细胞简单归类为库普弗细胞（KC）、单核细胞或LAMs/SAMs，忽视了其在疾病进展中的动态连续性与空间调控特征。尤其对于门脉炎症等与患者预后密切相关的病理改变，人类肝脏巨噬细胞的异质性演变规律仍不明确。为此，研究人员开展了一项整合多组学的人类肝脏巨噬细胞演化研究，成果发表于《Nature Genetics》。

关键技术方法

研究人员构建了包含发现队列、验证队列与临床转化队列的多中心研究体系，纳入289例肝脏组织样本、247例血清样本及英国生物样本库（UKB）53030名参与者的蛋白组数据。核心技术包括：单细胞核RNA测序（snRNA-seq）解析髓系细胞异质性；GeoMx空间转录组学分析高危MASH（纤维化F3期）患者的巨噬细胞空间分布；CosMx空间分子成像实现RNA与蛋白的亚细胞分辨率共检测；COMET与MILAN多重免疫荧光技术验证蛋白水平空间异质性；精准切割肝切片（PCLS）与THP-1细胞模型开展功能验证；最后结合大样本转录组与血清蛋白质组数据进行临床相关性分析。

研究结果

snRNA-seq解析MASLD进展中的巨噬细胞亚群

研究人员对18例人类肝脏样本进行snRNA-seq，获得176150个高质量细胞核，注释出8种主要肝细胞类型。髓系细胞深度分群鉴定出8个转录亚群：KC（MARCO⁺、CD5L⁺）、代谢活跃巨噬细胞（MetMac，GPNMB⁺、HS3ST2⁺、LPL⁺）、过渡巨噬细胞（TransMac）、前巨噬细胞、单核细胞及常规树突状细胞（cDC）亚群。疾病进展中KC显著减少，MetMac与迁移性树突状细胞（migDC）显著增加；MASH阶段MetMac高表达脂肪酸代谢基因LPL，并呈现趋化因子产生、抗原提呈等促炎特征，且与肝细胞、内皮细胞及T细胞互作增强。

空间转录组解析高危MASH的巨噬细胞异质性

在8例纤维化F3期高危MASH患者的空间转录组中，研究人员根据组织病理学特征划分感兴趣区域，发现肝实质内与脂肪性肝炎相关的（SH-）巨噬细胞高表达GPNMB、LPL、FABP5等代谢基因，而门脉区（PT-）巨噬细胞则呈现未成熟/单核细胞表型。SH-巨噬细胞富集吞噬体与抗原提呈通路基因，其所在区域肝细胞高表达泛素D（UBD）与SQSTM1/p62等气球样变标志物。基于snRNA-seq特征的去卷积分析证实，MetMac特征富集于脂肪性肝炎区域，KC特征主要分布于低脂肪变区域。

GPNMB⁺巨噬细胞的转录异质性

GPNMB是MetMac的核心标志物。对GPNMB⁺髓系细胞的深度分群鉴定出5个亚群，其中LPL⁺与HS3ST2⁺亚群属于MetMac，兼具脂质水解与硫酸乙酰肝素代谢功能。从MASL到MASH，GPNMB⁺细胞占髓系细胞比例从5.7%升至12%，其中LPL⁺与HS3ST2⁺亚群显著增加，而KC样GPNMB⁺MARCO⁺细胞减少。CosMx成像显示GPNMB⁺细胞定位于脂肉芽肿与细胞碎片区域，高表达HLA-DRA、LPL与FABP5。

空间蛋白质组验证MASLD进展中的GPNMB⁺巨噬细胞

免疫组化与多重蛋白组学验证显示，GPNMB⁺细胞随疾病进展逐渐增加，MASH阶段可见胞质颗粒样强阳性染色。COMET平台分析显示，终末期MASH中18.1%的髓系细胞为GPNMB⁺，其中仅少量共表达KC标志物MARCO或单核细胞标志物溶菌酶（LYZ）。MILAN技术分析独立队列证实，MASH较MASL阶段GPNMB⁺与HLA-DR⁺巨噬细胞显著增加，且GPNMB⁺细胞同时存在于门脉区与肝实质。

IL32产生肝细胞驱动GPNMB⁺巨噬细胞的表型

体外实验显示，脂质处理后人PCLS中GPNMB⁺细胞聚集并形成脂肉芽肿与蜡样巨噬细胞。免疫荧光证实GPNMB与组织蛋白酶D（CATD）在囊泡中共定位，提示其活跃吞噬功能。空间多组学与体外实验表明，肝细胞来源的IL32可增强GPNMB⁺巨噬细胞的脂质吞噬能力，促进清道夫受体MSR1与GPNMB囊泡形成，并上调促炎因子IL1B表达、抑制抗炎因子IL10表达，从而连接肝细胞应激与巨噬细胞功能重塑。

GPNMB⁺巨噬细胞的临床意义

在大样本肝转录组队列（n=206）中，GPNMB、LPL、HLA-DRA等基因表达可有效区分MASL与MASH，且去卷积分析证实MetMac比例随疾病进展升高。血清蛋白质组显示，高危MASH患者循环中可溶性GPNMB、CD163与MSR1水平显著升高。基于UKB大队列的全表型关联研究（PheWAS）显示，循环GPNMB与糖尿病及低血糖显著相关，CD163与糖尿病及慢性肝病相关。

讨论与结论

研究人员首次在人类MASLD进展中系统描绘了GPNMB⁺巨噬细胞的异质性演化，明确了LPL⁺与HS3ST2⁺代谢亚群的独特功能，挑战了既往将肝脏巨噬细胞简单归类的范式。研究发现IL32-巨噬细胞轴是连接肝细胞代谢应激与免疫激活的关键枢纽，GPNMB⁺巨噬细胞兼具脂质清除与促炎双重作用，不同于既往报道的促消退TREM2⁺巨噬细胞。临床层面，GPNMB、LPL等标志物可实现疾病活动度分层，且循环GPNMB具有成为无创诊断标志物的潜力。研究局限性包括snRNA-seq核转录本丢失率较高、空间技术可能纳入邻近细胞信号、部分队列样本量较小等，未来需在更大独立队列中验证LPL与HS3ST2亚群的具体功能。该研究为MASLD的免疫机制理解与精准分型提供了全新视角。