解码乳酸化修饰与免疫细胞在钙化性主动脉瓣疾病中的联系：一项综合生物信息学研究

本研究针对钙化性主动脉瓣疾病（CAVD）发病机制中乳酸代谢异常与免疫微环境相互作用的难题，通过整合多组学数据与机器学习算法，首次系统性鉴定出8个乳酸化相关枢纽基因（CRABP2、SOD1、PFN1等），揭示其通过调控RUNX2表达、免疫细胞浸润及代谢重编程（糖酵解/OXPHOS）驱动瓣膜钙化的新机制。单细胞测序进一步发现瓣膜间质细胞（VICs）、M1巨噬细胞和树突状细胞在严重钙化阶段乳酸化水平显著升高，为CAVD的靶向治疗提供了全新视角。

　　

随着全球人口老龄化加剧，钙化性主动脉瓣疾病（Calcific Aortic Valve Disease, CAVD）已发展成为备受关注的心血管健康挑战。这种疾病主要表现为主动脉瓣叶进行性增厚和钙化，最终可能导致血流受阻甚至心力衰竭。尽管手术置换是目前主要的治疗手段，但机械瓣和生物瓣各自存在需要终身抗凝或耐久性有限等问题，因此探索CAVD的具体发病机制、寻找新的治疗靶点显得尤为迫切。

近年来研究表明，CAVD的早期特征包括免疫细胞浸润和代谢失调，这些因素在整个疾病进展中持续存在。特别值得注意的是，异常的糖酵解和乳酸积累在CAVD的发病机制中发挥作用，然而具体的机制细节仍然不清楚。乳酸曾经仅仅被视为能量底物或代谢副产品，但2019年一项开创性研究发现了组蛋白乳酸化修饰（histone lactylation）——一种由乳酸介导的赖氨酸共价修饰，能够直接激活染色质依赖性基因转录，从而重新定义了乳酸的生物学意义。

在这种科学背景下，研究人员试图探索乳酸化修饰与CAVD免疫微环境之间的潜在联系。已有研究显示，CAVD瓣膜组织中存在乳酸积累现象，瓣膜间质细胞（VICs）中组蛋白乳酸化水平升高，但瓣膜微环境中乳酸化与免疫细胞之间的关系尚未有报道。

为了系统解析这一问题，研究人员在《Human Genomics》上发表了最新研究成果。他们采用综合生物信息学方法，整合了批量RNA测序数据（GSE76717、GSE235995、GSE153555）和单细胞RNA测序数据（GSE220774），结合机器学习算法，旨在识别CAVD中与乳酸化相关的关键基因，并阐明这些基因在疾病进展中的功能作用。

研究主要应用了几项关键技术：通过生物信息学整合多组学数据集并进行批次效应校正；使用最小绝对收缩和选择算子（LASSO）和随机森林（Random Forest）机器学习算法筛选枢纽基因；采用基因集富集分析（GSEA）和免疫细胞浸润分析探索功能通路和免疫微环境特征；利用单细胞RNA测序技术解析47,328个细胞的转录组，并在细胞类型水平评估乳酸化评分；通过小鼠模型（ApoE^-/-高脂饮食诱导）进行实验验证，包括组织学染色（H&E、Masson、Von Kossa）和免疫荧光检测。

研究结果方面，差异表达基因鉴定显示，CAVD患者与健康对照之间存在2,684个差异表达基因，这些基因显著富集在骨化、免疫受体活性、PI3K-AKT信号通路等生物过程中。

乳酸化相关基因的识别发现25个与乳酸化相关的差异表达基因，这些基因主要参与乳酸代谢过程、组蛋白去乙酰酶复合物以及HIF-1信号通路。

乳酸化枢纽基因的确定通过机器学习的交叉分析筛选出8个枢纽基因：CRABP2、SOD1、PFN1、MBD2、ARGLU1、ALB、ALDH1A1和THRAP3。这些基因在训练集和验证集中均表现出良好的诊断价值，其中CRABP2的曲线下面积（AUC）最高（0.858）。

功能分析表明这些枢纽基因与RUNX2表达上调显著相关，并通过GSEA分析发现它们参与多种信号通路，如细胞外基质-受体相互作用、抗原处理和呈递、核因子κB（NF-κB）信号通路、氧化磷酸化和核糖体通路。

免疫细胞浸润特征显示CAVD患者中15种免疫细胞亚型的浸润水平显著升高，包括T细胞、巨噬细胞和树突状细胞。枢纽基因与这些免疫细胞表现出复杂的相关性，例如PFN1和CRABP2与辅助性T细胞1（Th1）和调节性T细胞（Treg）呈正相关，而THRAP3、MBD2和ARGLU1与巨噬细胞和树突状细胞呈负相关。

单细胞RNA测序分析成功鉴定出六种主要细胞类型：瓣膜间质细胞（VICs）、M1巨噬细胞、M2巨噬细胞、瓣膜内皮细胞（VECs）、树突状细胞（DCs）和T细胞。乳酸化评分显示VICs、巨噬细胞和T细胞具有较高的乳酸化水平，而VECs的乳酸化水平较低。更重要的是，严重钙化样本中的乳酸化水平显著高于轻度钙化样本，其中VICs、M1巨噬细胞和树突状细胞在疾病进展中表现出乳酸化水平的升高。

乳酸化相关关键通路的分析表明，乳酸化水平与氧化磷酸化、Myc靶点V1/V2和糖酵解等代谢通路呈中度相关，提示乳酸化可能与CAVD中的代谢重编程有关。

实验验证部分通过CAVD小鼠模型证实了8个枢纽基因的差异表达，组织学染色（H&E、Masson、Von Kossa）显示了瓣膜增厚、炎症浸润、胶原沉积和钙化等病理变化。免疫荧光染色进一步证实了病变瓣膜中组蛋白乳酸化水平的升高。

研究的讨论和结论部分强调，该研究不仅首次在CAVD中系统鉴定了乳酸化相关枢纽基因，还深入揭示了这些基因通过调控代谢和免疫微环境在瓣膜钙化中的作用。特别值得注意的是，单细胞分析表明VICs、M1巨噬细胞和树突状细胞在严重钙化阶段乳酸化水平显著升高，且乳酸化特征与MYC驱动的代谢重编程相关，这为理解CAVD的分子机制提供了新视角。

研究的局限性包括尚未完全阐明8个枢纽基因在CAVD中的功能作用，样本量较小可能引入过拟合风险，以及单细胞聚类分辨率有限未能解析免疫细胞亚群的异质性。未来研究需要利用单细胞免疫测序等技术进一步探索巨噬细胞和T细胞的异质性，并通过功能实验验证这些基因的因果关系和作用机制。

总之，该研究通过多维度分析揭示了CAVD进展过程中免疫细胞浸润与乳酸化水平之间的动态关系，为开发新的治疗策略提供了潜在靶点，并强调了乳酸化修饰在心血管疾病中的重要性。