心力衰竭中巨噬细胞分化与铁死亡/失巢凋亡通路的单细胞测序解码及其诊疗价值探索

本研究通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）系统解析了心力衰竭（HF）患者心脏巨噬细胞的分化轨迹，首次揭示其亚型特异性程序性细胞死亡（PCD）通路——铁死亡（ferroptosis）与失巢凋亡（anoikis）的动态调控机制，为心血管疾病精准免疫治疗提供新型生物标志物（如CD163、FPR1）与干预靶点。

　　

单细胞测序揭示衰竭心脏中的细胞多样性

通过对SCP1303数据集约60万个细胞进行质控过滤，最终保留约12万个高质量细胞进行深度分析。研究鉴定出13种主要心脏细胞类型，其中心肌细胞占比最高，其次为成纤维细胞和内皮细胞。非衰竭（NF）样本中心肌细胞和周细胞比例较高，而扩张型心肌病（DCM）样本中心室成纤维细胞显著增多。细胞类型分布可视化通过t-SNE和UMAP实现，清晰呈现了不同疾病状态（NF、HCM、DCM）下的细胞组成差异。

巨噬细胞多样性及其细胞死亡通路的特异性激活

巨噬细胞作为心力衰竭中的关键免疫细胞，通过重新聚类被划分为4种亚型（Macrophage-1至4）。单样本基因集富集分析（ssGSEA）显示，心力衰竭与正常样本中巨噬细胞的自噬、失巢凋亡、铁死亡和坏死通路存在显著差异。AUCell评分进一步证实心力衰竭样本中失巢凋亡和铁死亡活性显著降低。活性状态映射分析表明，失巢凋亡和铁死亡活性高的巨噬细胞主要集中于Macrophage-1和Macrophage-2亚型，而Macrophage-3和Macrophage-4则以低活性状态为主。这些亚型在疾病样本中分布不均：Macrophage-1和Macrophage-2在NF样本中富集，而Macrophage-3和Macrophage-4在HCM和DCM中显著增多。

巨噬细胞分化轨迹与伪时间基因表达动态

通过Monocle 3进行的轨迹分析揭示了从Macrophage-1向Macrophage-4分化的分支路径。RNA速度分析显示Macrophage-3和Macrophage-4具有更高的转录组变化速率。伪时间分析将M3和M4定位为分化后期阶段，并发现铁死亡和失巢凋亡活性在分化后期显著降低，提示晚期巨噬细胞可能通过抑制细胞死亡通路获得生存优势。伪时间相关基因（如FRMD4A、CD163、NEAT1）的表达动态揭示了分化过程中的关键调控节点。AUCell评分沿轨迹的变化证实细胞死亡通路活性随分化进程逐渐减弱。

巨噬细胞亚型的功能特性分析

通过差异表达和功能注释，研究团队鉴定出各巨噬细胞亚型的关键标志基因。功能富集分析表明：Macrophage-1主要参与代谢通路；Macrophage-2富集于免疫应答和PI3K-Akt信号通路；Macrophage-3以内吞作用为特征；Macrophage-4则主要涉及趋化因子信号通路。在心力衰竭背景下，Macrophage-2中PI3K-Akt通路的激活可能同时支持修复过程和促进纤维化，这取决于炎症环境的持续状态。

健康与心肌病患者巨噬细胞的基因表达差异

差异表达分析揭示了PTPRC、STAB1、CD163和MERTK等基因在疾病状态下的特异性表达模式。正常样本中巨噬细胞主要富集于代谢通路，而心力衰竭样本则显著激活PI3K-Akt信号通路。蛋白质相互作用网络分析显示，正常心脏中CD44和PTEN与铁死亡和失巢凋亡密切相关，而心力衰竭样本中CSF1R、CD74和PTEN成为网络核心节点。

巨噬细胞终末分化与关键基因鉴定

Macrophage-4被进一步划分为10个亚群（Macrophage-4.1至4.10），其中Cluster 1（DCM）和Cluster 2（HCM）代表终末分化阶段。RNA速度分析支持这些亚群的分化轨迹。热图展示的关键基因表达模式，结合功能富集和网络分析，揭示了终末分化巨噬细胞的独特功能特性。基因表达轨迹分析显示MERTK、PTPRC、CD163和STAB1等基因随着心力衰竭进展表达水平逐渐升高。

巨噬细胞标志基因的验证与预后价值

利用GSE57345数据集验证了关键标志基因对心力衰竭的诊断价值。受试者工作特征（ROC）曲线分析显示这些基因的曲线下面积（AUC）均大于0.8，表现出优秀的诊断性能。UMAP和RNA速度分析进一步证实了标志基因在分化轨迹中的动态变化规律。多基因模型（包含CD44、PTEN、CSF1R等基因）通过随机森林算法构建，主成分分析显示其能有效区分心力衰竭与非衰竭样本，ROC分析证实10基因模型具有强大的预测价值。

巨噬细胞代谢重编程与心力衰竭中的适应性反应

代谢组学研究显示心力衰竭患者巨噬细胞代谢通路发生显著改变，主要表现为糖酵解活性增强和氧化磷酸化减少。伪时间和RNA速度分析表明，Macrophage-1亚型初期富集于代谢过程，随着心力衰竭进展，分化转向侧重于细胞存活和增殖的通路，特别是PI3K-Akt信号通路。该通路的失调与心力衰竭的不良心脏重塑和凋亡密切相关，在巨噬细胞分化过程中发挥核心作用。这种代谢重编程使得巨噬细胞能够在应激条件下维持其存在和功能，从而支持心脏内的免疫监视和组织重塑。

关键遗传标志物与巨噬细胞分化的临床意义

伪时间和RNA速度分析鉴定出PTPRC、STAB1、CD163和MERTK等关键基因，这些基因在巨噬细胞分化过程中表达水平逐渐升高。MERTK通过efferocytosis清除凋亡细胞防止继发性坏死和炎症；PTPRC（CD45）调节免疫细胞信号传导；CD163作为抗炎巨噬细胞标志物参与血红蛋白-触珠蛋白复合物的清除。这些基因的表达变化反映了巨噬细胞在心力衰竭中的功能特化过程，具有重要的生物学意义和临床价值。

多基因模型的预后与诊断意义

基于GSE57345数据集的验证证实关键标志基因对HCM和DCM表型具有强大的预测准确性。ROC曲线分析显示AUC值超过0.8，表明这些标志物具有临床实用价值。CD44参与细胞粘附和迁移，PTEN调控PI3K-Akt信号通路，CSF1R参与巨噬细胞分化和炎症过程，这些基因在特定巨噬细胞亚型中的上调与疾病严重程度和不良预后相关。将巨噬细胞分化簇整合到多基因预测模型中，增强了诊断工具的准确性和临床相关性，为心力衰竭的早期诊断和靶向治疗提供了新的策略。