椎间盘退变中核心衰老相关基因CTGF的鉴定及免疫浸润全景图谱表征

《International Journal of Genomics》：Identification of Core Senescence-Related Genes and Characterization of Comprehensive Immune Landscape in Intervertebral Disc Degeneration

本文系统鉴定椎间盘退变（IVDD）核心衰老相关基因CTGF，揭示其诊断价值（AUC=0.836），并通过单细胞测序发现轻度退变组免疫细胞浸润更显著。研究首次构建衰老-免疫互作网络，为IVDD靶向治疗提供新视角。

　　

椎间盘退变（IVDD）作为与年龄和免疫反应密切相关的肌肉骨骼退行性疾病，其衰老机制和免疫浸润特征尚不明确。本研究通过整合GEO数据库中的基因表达谱数据（GSE23130、GSE15227）和人类衰老基因组资源（HAGR）的543个衰老相关基因（SRGs），运用差异表达分析、加权基因共表达网络分析（WGCNA）及机器学习算法，首次系统鉴定出核心衰老相关差异表达基因结缔组织生长因子（CTGF）。

研究方法与数据分析

通过差异表达基因分析筛选出568个IVDD相关差异表达基因（DEGs），其中518个上调、50个下调。GO和KEGG富集分析显示这些基因主要参与细胞质翻译、核糖体结构和细胞外基质（ECM）构成等生物学过程。从DEGs与SRGs的交集中获得28个衰老相关差异表达基因（SRDEGs），蛋白质互作（PPI）网络分析表明这些基因在蛋白层面存在紧密相互作用。

WGCNA分析识别出与IVDD最相关的蓝色模块（包含1999个基因），其与IVDD的相关系数达0.43（p=0.008）。该模块基因与SRDEGs交集产生8个IVDD-SRDEGs，进一步通过LASSO回归和随机森林两种机器学习算法筛选出两个核心枢纽基因CTGF和GSK3A。诊断模型显示CTGF在IVDD风险预测和临床检测中具有良好诊断价值（AUC=0.8361，95%CI：0.668-0.9953）。

单细胞测序验证与免疫景观表征

对7例髓核组织的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据分析（共54，373个细胞），鉴定出9种细胞类型：髓核细胞（NPCs）、红细胞、内皮细胞、平滑肌细胞（SMCs）、浆母细胞、T细胞、B细胞、中性粒细胞和巨噬细胞。值得注意的是，在退变髓核组织中观察到内皮细胞、平滑肌细胞和红细胞的存在，提示退变后血管侵入髓核组织。

免疫细胞浸润分析发现，轻度和重度退变髓核组织中均存在B细胞、T细胞、浆细胞和巨噬细胞等免疫细胞浸润，且轻度退变组的免疫细胞丰度显著高于重度退变组。巨噬细胞亚群分析显示M1型巨噬细胞（CD86+）在轻度退变中占主导，而M2型巨噬细胞（CD163+）在重度退变中更显著，表明巨噬细胞表型转换在IVDD进程中发挥重要作用。

基因表达与细胞模型验证

CTGF在退变组NPCs中表达显著上调，且与COL2A1表达呈负相关。伪时序轨迹分析显示，有效NPCs位于伪时序起点，而纤维化NPCs处于终点，退变组织中纤维化NPCs比例更高。细胞实验证实，IL-1β诱导的退变细胞模型中CTGF蛋白表达上调，衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）阳性细胞比例显著增加，验证了CTGF在细胞衰老过程中的关键作用。

讨论与临床意义

本研究首次通过多组学整合分析揭示CTGF作为IVDD核心衰老相关基因的诊断价值。轻度退变阶段显著的免疫细胞浸润表明炎症反应在疾病早期起重要作用，而重度退变阶段免疫细胞减少可能源于内源性修复机制激活或免疫耗竭状态。CTGF通过促进胶原蛋白I生成、抑制胶原蛋白II分泌，参与ECM重构过程，其表达上调与IVDD严重程度正相关。

研究局限性包括样本量有限、缺乏动物模型验证等。未来工作需要结合条件性基因敲除动物模型、染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）等技术深入解析CTGF下游调控网络，并开发靶向递送系统推动基因治疗临床应用。

结论

本研究鉴定出CTGF作为IVDD诊断和治疗的潜在靶点，构建了衰老与免疫微环境的相互作用网络。IVDD早期血管生成和免疫细胞浸润为疾病干预提供关键时间窗口，而免疫细胞动态变化为理解疾病进展机制提供新视角。未来研究应聚焦细胞衰老与免疫浸润的相互作用机制，探索免疫耗竭在IVDD修复过程中的作用。