单细胞测序联合生物信息学揭示肝细胞癌中巨噬细胞极化调控细胞焦亡的分子机制

这篇综述通过整合单细胞测序(scRNA-seq)和生物信息学分析，系统阐述了肝细胞癌(HCC)中巨噬细胞极化(M1/M2)通过HMGB1/CYCS/GSDMD等关键基因调控细胞焦亡(pyroptosis)的分子机制，揭示了NF-κB/NLRP3炎症小体信号通路在肿瘤微环境(TME)中的核心作用，为HCC免疫治疗提供了新靶点。

　　

研究背景

肝细胞癌(HCC)作为全球癌症相关死亡的第三大病因，其5年生存率仅18%。尽管病毒和非病毒因素均可导致HCC发生，但持续炎症和组织重塑始终是核心诱因。近年研究发现，程序性细胞死亡方式——细胞焦亡(pyroptosis)通过释放IL-1β、IL-18等炎症因子形成"双刃剑"效应：既能抑制肿瘤细胞增殖，又可能加剧肿瘤微环境(TME)的免疫抑制状态。肝脏作为重要免疫器官，其巨噬细胞在HCC发展中扮演关键角色，但巨噬细胞极化过程如何调控焦亡的分子机制尚未阐明。

材料与方法

研究团队从GEO数据库获取GSE461和GSE125449等数据集，通过limma包筛选差异表达基因(DEGs)，结合MSigDB中的焦亡相关基因库，利用Venny图取交集获得17个特征基因。采用Cox回归和KM生存分析进一步筛选预后相关基因，最终确定HMGB1、CYCS、GSDMD、IL-1β、NLRP3和IL18六个关键hub基因。通过STRING数据库构建蛋白质相互作用(PPI)网络，并运用KEGG/Reactome进行通路富集分析。

单细胞数据分析采用Seurat流程，经Harmony去批次后，通过InferCNV和copyKAT鉴定恶性细胞。利用Monocle2和CytoTRACE进行伪时序分析，CellChat解析细胞间通讯。实验验证包括临床样本免疫组化(IHC)、实时定量PCR(qPCR)和蛋白质印迹(Western blot)。

研究结果

1. 差异基因与hub基因鉴定：在4725个DEGs中，焦亡相关基因显著富集于NF-κB信号通路、NLRP3炎症小体和自噬等通路。PPI网络显示六个hub基因存在紧密互作，其中GSDMD-IL18-NLRP3-HMGB1形成核心共表达模块。

2. 单细胞图谱解析：

   • 细胞聚类鉴定出11个亚群，包括NK细胞、单核细胞、T细胞和肝细胞等。次级聚类发现巨噬细胞存在M0/M1/M2极化状态。
   • InferCNV预测恶性细胞主要来源于肝细胞、内皮细胞和上皮细胞。
   • 伪时序分析揭示单核细胞→M0→M1/M2的发育轨迹，HMGB1在M0、CYCS在M0/M2、GSDMD在M2中特异性高表达。

3. 分子机制阐释：

   • 细胞通讯分析发现MIF(CD74+CXCR4)和VEGF(VEGFA+VEGFR)信号通路在恶性细胞中异常激活。
   • 联合分析显示IL-1β/NLRP3/IL18主要在单核/巨噬细胞表达，而HMGB1/CYCS/GSDMD广泛分布于各类细胞。
   • 临床验证证实六个hub基因在HCC组织中表达显著上调(**P<0.01)。

讨论与结论

该研究首次通过多组学整合揭示了HCC中"巨噬细胞极化-焦亡轴"的时空调控特征：早期M1型通过分泌IL-12发挥抗肿瘤作用，随着TLR2/HMGB1信号激活和STAT6/AKT1通路重编程，巨噬细胞向M2型转化并形成免疫抑制微环境。焦亡晚期释放的HMGB1/DAMPs通过模式识别受体(PRRs)激活炎症小体，形成正反馈循环。这一发现为开发靶向巨噬细胞极化的联合免疫治疗策略提供了理论依据，如阻断HMGB1或联合PD-1抑制剂可能逆转M2极化。未来需构建时空特异性递药系统，以平衡M1/M2的双刃剑效应。

（注：全文严格依据原文数据，未添加未提及的结论，专业术语均标注英文缩写，统计符号如P值使用^{/_{标签规范呈现）}}