溃疡性结肠炎是一种慢性炎症性肠病，主要病症包括血性腹泻、腹部绞痛和发热，且反复发作。当前溃疡性结肠炎的发病原因尚不明确，可能和遗传及肠道的免疫反应过强有关。已有研究证实了多个疾病风险等位基因，但这些风险基因未能被明确定位到粘膜中的作用细胞，且细胞中的作用途径也是未知的。
2019年7月25日，博德研究所的研究团队在 Cell 上发表题为 Intra- and Inter-cellular Rewiring of the Human colon during Ulcerative Colitis 的文章，该文章通过单细胞转录组技术构建了溃疡性结肠炎（UC）患者结肠发炎区域、非发炎区域以及健康人结肠组织的单细胞图谱，分析了疾病发展中细胞亚群的变化，发现了M样细胞（Microfold (M) cells）、炎症相关单核细胞和炎症相关成纤维细胞(inflammation-associated fibroblasts, IAFs)在疾病过程中的重要作用，细胞互作分析发现其是疾病进程中细胞间相互作用的枢纽。同时细胞互作分析也发现配体的表达水平和受体的细胞亚群的比例呈正相关。通过对风险基因共定位，该研究还确定了疾病进程中的关键通路。
01 健康、炎症和非炎症组织中细胞特异性表达变化
为了剖析UC患者的细胞异质性，研究人员取 18 名 UC 患者和 12 名健康志愿者的活检组织做了scRNA-seq，其中部分样本取了配对的患病区域临近正常组织（非发炎）和溃疡区域（发炎），并分离样本的上皮层和固有层。通过细胞注释共鉴定出成纤维细胞、内皮、髓系、T、B和NK等多种细胞类型，细胞比例分析发现炎症相关成纤维细胞亚群在UC患者的炎症组织中显著富集。基因表达分析发现IAFs高表达与结肠炎、纤维化和癌症相关的一些基因。荧光原位杂交发现M样细胞主要在炎症样本中富集并高表达趋化因子相关基因。
接下来研究人员为了探究疾病相关的表达变化，使用MAST算法计算DE系数，该系数的绝对值越大，代表特定细胞亚群中，和某种疾病状态相比，另一种状态下差异基因表达改变的程度越大。分析结果表明，几种细胞亚群在炎症和非炎症状态下基因表达改变程度不大，疾病过程中大多数表达变化是由非炎症和炎症组织共同分担的。也就侧面说明对溃疡性结肠炎的临床干预持续时间需要更长。
02 炎症组织中亚群代谢及转录变化
将UC患者炎症和非炎症数据对比，发现上皮细胞诱导和疾病严重程度相关的通路—犬尿氨酸。进一步对KEGG结果进行分析还发现上皮细胞的其他代谢变化，如氧化磷酸化向糖酵解的转变、β-氧化通路及丁酸代谢通路等。对T细胞亚群基因表达分析发现几种CD4+亚群中IL17A表达上调，荧光原位杂交和免疫荧光分析发现在炎症组和非炎症组中，CD8+细胞对IL17A的诱导是最强的。大多数的T细胞亚群均诱导了共刺激和共抑制程序，和已报道的抑制免疫激活表现一致。
03 炎症相关单核细胞及IAF通过OSM信号通路介导TNF耐药
抗TNF抗体是炎症性肠病的突破性治疗手段，虽然靶向疗法对许多患者有效，但依然有高达30%的患者对初始治疗无反应，部分患者具有耐药性。为了进一步探究耐药性产生的原因，对肿瘤坏死因子( tumor necrosis factor，TNF)的表达进行分析，研究人员发现炎症样本Treg亚群是TNF表达的重要亚群，荧光原位杂交和免疫荧光染色结果也验证这一发现。对前期研究中关注到的IAFs分析发现其高表达OSMR，OSMR是疾病风险基因和预测TNF反应的抑瘤素M（Oncostatin-M，OSM）的受体。原位验证发现OSM主要在炎症相关单核细胞和树突状细胞表达，OSMR在IAF中表达，亚群丰度随炎症过程增加。细胞重塑可能和OSM及耐药性相关。接下来研究人员分析了TNF和OSM信号传导在不同细胞群中的关系，发现TNF和OSM信号传导都与耐药性特征相关，炎症相关单核细胞及IAF通过OSM信号通路介导TNF耐药。
04 通过对风险基因共定位确定了疾病进程中关键通路
接下来为了探究炎症过程中细胞互作的差异，研究人员构建了细胞互作网络，结果表明M样细胞、炎症相关性成纤维细胞和炎症相关性单核细胞是疾病期间细胞相互作用网络中的关键位点。研究人员假设细胞比例变化可以通过细胞互作中基因的表达水平进行表征，通过分析发现配体的表达水平和受体的细胞亚群的比例呈正相关。
研究人员筛选了和全基因组关联研究相关的57个风险基因，发现和其他细胞群相比，M样细胞高表达风险基因，说明M样细胞在疾病中可能具有关键作用。研究人员根据基因共表达分析，将大多数风险基因划定为10个模块表征关键的疾病通路，并通过基因在细胞内的共表达推断风险基因之间的潜在的因果性。
结论和意义
总的来说，该研究通过单细胞转录组技术对溃疡性结肠炎（UC）患者活检样本进行分析，发现M样细胞、炎症相关单核细胞和IAF在炎症产生中发挥了关键作用，是疾病进程中细胞互作网络的关键节点。炎症相关单核细胞和IAF介导抗TNF治疗的耐药性，细胞亚群比例的变化可以通过细胞互作进行表征，通过对风险基因共定位确定了疾病进程中关键通路。该研究为溃疡性结肠炎的治疗提供了参考，为今后炎症性肠病的研究提供了技术框架。
参考文献：
Smillie CS, Biton M, Ordovas-Montanes J, Sullivan KM, Burgin G, Graham DB, Herbst RH, Rogel N, Slyper M, Waldman J, Sud M, Andrews E, Velonias G, Haber AL, Jagadeesh K, Vickovic S, Yao J, Stevens C, Dionne D, Nguyen LT, Villani AC, Hofree M, Creasey EA, Huang H, Rozenblatt-Rosen O, Garber JJ, Khalili H, Desch AN, Daly MJ, Ananthakrishnan AN, Shalek AK, Xavier RJ, Regev A. Intra- and Inter-cellular Rewiring of the Human colon during Ulcerative Colitis. Cell. 2019 Jul 25;178(3):714-730.e22. doi: 10.1016/j.cell.2019.06.029. PMID: 31348891; PMCID: PMC6662628.
