单细胞分析与机器学习联用揭示COPD内皮细胞枢纽基因及补肺益肾方III有效组分配伍干预机制

本研究针对慢性阻塞性肺疾病（COPD）内皮细胞机制不明的难题，通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）结合高维加权基因共表达网络分析（hdWGCNA）和机器学习算法，鉴定出CD74、AQP1、SOX4和ANXA1四个关键枢纽基因，并证实补肺益肾方III有效组分配伍（ECC-BYF III）可逆转其异常表达。该研究为COPD的精准治疗提供了新靶点，同时揭示了传统中药复方的科学内涵。

　　

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是全球第三大死因，以持续性气流受限为特征，目前缺乏针对内皮细胞功能障碍的有效治疗策略。流行病学数据显示，中国2019年COPD患者达4516万，死亡104万例。传统中药补肺益肾方（BYF）虽显示临床疗效，但其多组分特性导致机制阐释困难。

河南中医药大学第一附属医院的研究团队通过整合单细胞转录组学和机器学习技术，揭示了内皮细胞在COPD中的核心作用及BYF简化配方ECC-BYF III的干预机制。研究从GSE173896数据集获取5例COPD和5例对照肺组织样本，经Seurat质控后分析38,735个细胞，发现COPD组内皮细胞比例显著降低。通过hdWGCNA和LASSO、SVM-RFE等机器学习算法筛选出6个枢纽基因，经qRT-PCR在TNF-α诱导的人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和香烟烟雾联合细菌感染大鼠模型中验证，最终确定CD74、AQP1（水通道蛋白1）、SOX4（SRY-box转录因子4）和ANXA1（膜联蛋白A1）为核心靶点。分子对接显示ECC-BYF III的活性成分（20-S-人参皂苷Rh1、黄芪甲苷IV等）与这些靶点具有强结合力。

主要技术方法包括：1）单细胞转录组数据分析（质控标准：300-7000基因/细胞，线粒体基因<20%）；2）hdWGCNA构建内皮细胞相关基因模块；3）三种机器学习算法交叉验证枢纽基因；4）独立数据集GSE57148、GSE76925和GSE20257验证；5）体内外实验（HUVECs炎症模型和SD大鼠COPD模型）。

【结果】

1. 细胞亚群分析：发现9种细胞类型，COPD组内皮细胞占比从对照组的12.1%降至6.3%（P<0.01）。
2. 细胞通讯分析：内皮细胞通过VEGF、NOTCH等通路与巨噬细胞、成纤维细胞交互。
3. 枢纽基因筛选：269个差异表达基因经机器学习筛选出CD74（MHC II伴侣分子）、AQP1等6个基因，ROC曲线下面积（AUC）均>0.85。
4. 实验验证：ECC-BYF III（70 μg/mL）使HUVECs中CD74表达下调2.1倍（P<0.001），同时改善大鼠肺功能参数FEV_0.3
   /FVC（增加27.6%）。

【结论与意义】
该研究首次阐明内皮细胞通过CD74等枢纽基因调控COPD进展，ECC-BYF III通过多靶点干预逆转内皮功能障碍。分子对接显示黄芪甲苷IV与CD74结合能达-8.9 kcal/mol，20-S-人参皂苷Rh1与SOX4形成氢键网络。这不仅为COPD的"内皮细胞-炎症"轴理论提供证据，更开创了"中药有效组分-单细胞靶点"研究范式。

局限性在于样本量较小（n=5/组），且未阐明AQP1调控内皮屏障的具体机制。未来可扩大队列并开展类器官实验。该成果发表于《Journal of Ethnopharmacology》，为中药现代化研究提供了方法学示范。