对多种程序性细胞死亡模式在败血症中所起作用的全面分析

《Frontiers in Immunology》：Comprehensive analysis of the role of diverse programmed cell death patterns in sepsis

本研究系统整合了公共微阵列和单细胞转录组数据，揭示了脓毒症中四种关键非凋亡细胞死亡途径（铁依赖性脂质过氧化、硫醇二硫化物、中性粒细胞胞外陷阱形成、细胞内吞死亡）的激活及其与免疫浸润的关联，并构建了基于18个核心基因的CDS风险评分模型，该模型在多个队列中表现出优异的诊断性能，为脓毒症精准免疫治疗提供了新靶点。

　　本研究围绕脓毒症这一严重威胁生命的疾病展开，深入探讨了程序性细胞死亡（Programmed Cell Death, PCD）在脓毒症发生发展中的关键作用及其与免疫反应和代谢重编程之间的复杂关系。脓毒症是由感染引发的宿主免疫反应失调导致的多器官功能障碍综合征，其高发病率和死亡率已成为全球公共健康问题。尽管近年来在脓毒症的治疗策略上取得了一定进展，但其早期诊断、病情评估及精准治疗仍面临诸多挑战。本研究通过整合多种高通量测序数据，包括公开的微阵列数据集和单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，结合自主生成的高通量RNA测序数据，全面解析了PCD相关通路的激活特征及其在脓毒症中的临床意义。

研究中首先收集了三个来自公共数据库的微阵列数据集（GSE57065、GSE54514、GSE28750），涵盖了81例健康对照组和165例脓毒症患者的血液样本。此外，还引入了一个包含4例健康对照组和4例早期脓毒症患者的scRNA-seq数据集，共计52,315个细胞。通过这些数据，研究团队系统分析了13种PCD通路的表达模式，并结合免疫浸润分析和独立的高通量RNA测序数据进行验证，以构建一个具有临床价值的细胞死亡相关风险评分模型（Cell Death Signature, CDS）。

在分析过程中，研究团队采用了多种生物信息学工具，包括基因集变异分析（Gene Set Variation Analysis, GSVA）和单样本基因集富集分析（ssGSEA），以量化不同PCD通路的活性并评估其与免疫细胞浸润的关系。GSVA能够揭示个体样本在不同通路上的表达差异，而ssGSEA则用于评估特定免疫细胞类型在样本中的相对丰度。通过这些分析，研究发现，脓毒症患者中与细胞死亡相关的通路，如铁死亡（ferroptosis）、二硫键断裂死亡（disulfidptosis）、中性粒细胞胞外诱捕（NETosis）和吞噬性细胞死亡（entotic cell death）显著上调，而其他如旁泌死亡（parthanatos）则表现出下调趋势。这些结果表明，PCD通路的异常激活可能在脓毒症的病理生理过程中起着重要作用。

进一步的分析显示，这些PCD通路与免疫细胞浸润水平存在显著相关性。例如，铁死亡和吞噬性细胞死亡的激活与激活的树突状细胞、中性粒细胞等免疫细胞的增多密切相关。这提示了PCD通路可能通过影响免疫细胞的功能，从而在脓毒症的进展中扮演重要角色。同时，研究团队还构建了一个基于18个核心PCD相关基因的CDS风险评分模型，并在多个数据集中进行了验证。该模型在公共微阵列数据集和独立的高通量RNA测序数据集中均表现出较高的诊断准确率，其曲线下面积（AUC）分别达到0.961和0.975，显示出该模型在区分脓毒症患者与健康对照中的强大能力。

在单细胞层面，研究团队利用Seurat、AUCell和CellPhoneDB等工具对scRNA-seq数据进行了深入分析。结果显示，单核细胞在脓毒症中表现出显著的PCD通路激活，包括铁死亡、吞噬性细胞死亡和NETosis，同时伴随代谢重编程，如谷胱甘肽代谢和氧化磷酸化（OXPHOS）的增强。此外，单核细胞与其他免疫细胞之间的信号通路也发生了改变，例如MIF-CXCR4、ANXA1-FPR2和HLA-KIR信号轴的异常激活，这可能与免疫失调和炎症反应失控有关。这些发现进一步支持了单核细胞在脓毒症中作为关键效应细胞的角色，它们不仅参与细胞死亡过程，还通过调控代谢和信号通路影响免疫反应。

在代谢与细胞死亡通路的关联分析中，研究发现脓毒症患者的单核细胞中，多个代谢通路的活性显著增强，包括糖酵解、氧化磷酸化和磷酸戊糖途径（PPP）。这些代谢变化与铁死亡和吞噬性细胞死亡通路的激活密切相关，提示了代谢重编程可能通过调控活性氧（ROS）水平和细胞能量状态，影响细胞死亡的命运。此外，研究还发现某些代谢通路可能在不同的PCD过程中起到不同的作用，例如铁死亡依赖于铁积累和脂质过氧化，而吞噬性细胞死亡则受到代谢状态和ROS水平的影响。这些发现强调了代谢与细胞死亡之间的紧密联系，并为理解脓毒症中免疫功能紊乱和细胞命运变化提供了新的视角。

在细胞间通讯分析方面，研究团队利用CellChat等工具探讨了单核细胞与其他免疫细胞之间的信号传递模式。结果表明，脓毒症患者的单核细胞在多个配体-受体轴上表现出异常增强的信号活动，如MIF-CXCR4、ANXA1-FPR2和HLA-KIR轴。这些信号通路的异常激活可能与免疫调节失衡和炎症反应的持续存在有关，从而影响宿主的免疫应答和疾病进展。例如，MIF-CXCR4轴的增强可能促进了炎症反应的持续，而HLA-KIR轴的异常可能削弱了NK细胞的杀伤能力，导致免疫监视功能受损。这些发现为理解脓毒症中细胞间通讯的改变及其对疾病进程的影响提供了重要线索。

本研究的结论指出，通过整合公开的微阵列数据和单细胞转录组数据，并结合自主生成的高通量RNA测序数据进行验证，研究团队系统揭示了脓毒症中13种PCD通路的激活特征及其与免疫反应和代谢重编程的关联。其中，铁死亡、二硫键断裂死亡、NETosis和吞噬性细胞死亡这四种非凋亡通路在脓毒症中显著上调，并与免疫细胞浸润水平密切相关，表明它们在脓毒症的病理生理过程中具有重要作用。基于18个核心PCD相关基因构建的CDS风险评分模型在多个数据集中均表现出良好的诊断性能，这为脓毒症的早期诊断和病情分层提供了有力工具。

此外，研究还发现单核细胞在脓毒症中是主要的效应细胞，其在PCD通路、代谢重编程和细胞间通讯中的核心地位得到了进一步确认。这些发现不仅加深了对脓毒症发病机制的理解，也为开发针对PCD-代谢-通讯网络的精准免疫治疗策略提供了理论依据。然而，研究也指出了一些局限性，例如自主生成的RNA测序队列样本量较小，可能影响模型的泛化能力；同时，该风险评分模型在预测28天死亡率方面的性能尚需进一步优化。未来的研究应扩大样本规模，并结合更多临床指标以提高模型的预测精度和临床适用性。

综上所述，本研究通过多组学整合分析，揭示了脓毒症中PCD通路的复杂激活模式及其与免疫反应和代谢变化的相互作用。这些发现不仅有助于理解脓毒症的发病机制，还为开发新的生物标志物和治疗策略提供了重要方向。研究团队强调，针对单核细胞驱动的PCD-代谢-通讯网络进行干预，可能是改善脓毒症预后的潜在策略。随着对脓毒症机制研究的不断深入，未来有望在精准医学和免疫治疗领域取得更多突破。