炎症性肠病中代谢物感应–受体侧神经免疫重塑的参与者水平关联与黏膜区室定位研究

《International Journal of Molecular Sciences》：The NLRP3 Inflammasome Across the AKI–AKD–CKD Continuum: Mitochondrial, Epigenetic and Endocrine–Metabolic Regulation

　　

背景：微生物代谢物感应和神经免疫信号日益被认为是炎症性肠病（IBD）黏膜反应中相互作用的组成部分。然而，其在个体间的组织方式以及携带相关受体机制的细胞区室仍不完全清楚。研究人员调查了代谢物感应宿主程序是否与参与者水平的神经免疫受体侧黏膜状态共变，以及相应受体转录本是否映射到明确的黏膜区室。方法：在参与者水平分析HMP2黏膜转录组，以评估代谢物感应与神经免疫受体侧宿主程序之间的预设关系。受体侧神经免疫重塑被操作化为横断面参与者水平宿主程序组织及相应受体转录本的区室定位，而非纵向变化或受体激活。通过诊断/炎症调整、参与者分组解释建模和组织组成敏感性分析检查这些关系的稳定性与解释。使用互补的代谢组学、单细胞、溃疡性结肠炎（UC）和结直肠瘤形成数据集，检查同步代谢关联、受体转录本定位以及所识别黏膜程序的更广泛疾病背景。微生物组、代谢组和转录组数据集来自多个独立公共队列。结果：在来自90名参与者的251份HMP2活检中，20个预设宿主–程序关联中有13个在参与者均值分析中通过错误发现率（FDR）校正；诊断/炎症调整后，20个中仍有13个得到支持，两个分析共享12个关联。最强关系连接短链脂肪酸（SCFA）受体/屏障反应程序与炎症相关反应性/胶质邻近状态（ρ = 0.727）及降钙素基因相关肽（CGRP）/肾上腺髓质素家族受体侧评分（ρ = 0.552），并连接芳香烃受体（AHR）反应背景与相同受体侧评分（ρ = 0.531）。单细胞分析将CALCRL、RAMP2和RAMP3主要定位于内皮细胞，VIPR1定位于上皮细胞，VIPR2定位于基质细胞。组成代理条件化后增量模型拟合的减弱进一步表明，该组织紧密嵌入黏膜组织生态。匹配代谢组和癌前队列分析提供了该框架范围的补充证据，但未将其扩展至同步代谢物耦合或肿瘤进展。结论：参与者水平关联和区室解析的受体定位支持IBD中的横断面受体侧神经免疫重塑框架。宿主程序组织与细胞定位的汇聚优先确定了特定受体–区室关系，用于空间验证、功能性受体扰动和前瞻性匹配粪便–黏膜研究。

论文解读：

研究背景：IBD（炎症性肠病）可建立慢性损伤的黏膜生态系统，其中微生物失调、代谢紊乱、上皮屏障功能障碍和免疫激活相互强化。全球疾病负担分析估计了IBD的发病和伤残调整生命年负担。大规模多组学研究已表明，IBD并非由单一微生物分类单元或孤立炎症通路定义，而是由微生物组成、功能潜力、代谢物谱、宿主转录状态和临床活动之间的协调改变共同定义。HMP2/IBDMDB（人类微生物组计划2/炎症性肠病多组学数据库）通过在多个分子层面对肠道微生物生态系统进行谱型分析确立了这一原则。尽管IBD微生物组谱型分析已取得很大进展，但管腔生态失调如何与黏膜损伤及多区室宿主反应组织在一起仍不明确。肠屏障是管腔信号被过滤进入免疫和基质反应的解剖与功能界面，屏障完整性和免疫激活也受神经信号塑造，使肠–脑–免疫轴成为研究焦点。在批量黏膜活检和肿瘤单细胞图谱中，典型肠神经元很少被捕获或缺失，因此这些数据中的神经免疫信号更合理地解释为上皮、基质、髓系或内皮相关区室中的受体侧或下游宿主反应活动。关键缺口不是生态失调、代谢物或神经免疫介质在IBD中是否改变，而是哪些黏膜区室接收这些信号，以及相应受体侧程序在慢性损伤组织中如何组织。因此，研究人员构建了整合多组学分析，假设IBD相关微生物–代谢扰动伴随受体侧神经免疫重塑模式，该模式可通过参与者水平宿主程序关联进行表征，定位于明确组织区室，并在未来匹配空间和功能研究中检验。此处受体侧神经免疫重塑指受体相关黏膜程序的横断面组织及相应受体转录本的区室定位，而非纵向变化。

研究人员开展的研究及结论：研究人员使用公共多组学数据，从IBD相关微生物和代谢背景出发，分析参与者水平黏膜宿主反应和单细胞定位，再检查UC（溃疡性结肠炎）、散发CRC（结直肠癌）、已发表CAC（结肠炎相关癌）空间和探索性AOM-DSS（氧化偶氮甲烷–葡聚糖硫酸钠）背景。结论是识别出IBD中横断面受体侧神经免疫重塑模式，表现为代谢物感应与受体侧宿主程序的参与者水平关联，以及相关受体转录本在黏膜区室中的定位。重要意义在于，这些发现确定候选受体–区室关系，用于未来空间和功能研究，但不建立因果代谢物到神经元通路、纵向重塑、肿瘤进展、CAC特异性验证或临床生物标志物。

关键方法概括：研究人员整合公共多组学数据：HMP2/IBDMDB含251份黏膜活检、90名参与者；ST000923含546份粪便样本、596个代谢特征；GSE132465提供CRC单细胞摘要；GSE214695含46,702个注释细胞、18个样本/参与者单元，包括6例健康对照、6例UC和6例结肠CD（克罗恩病）；GSE47908处理矩阵含48/60份活检；GSE236055含143份非肿瘤活检、43个患者ID；TCGA（癌症基因组图谱）COAD/READ（结肠腺癌/直肠腺癌）限制为380个原发肿瘤；已发表GeoMx CAC空间研究含16例患者、108个非分割区和26个分割区；GSE158826为AOM-DSS 10组、每组3只小鼠；HPA（人类蛋白图谱）v25.1用于蛋白可行性。分析包括参与者均值Spearman相关、BH-FDR校正、bootstrap置信区间、参与者分组ridge回归、单细胞定位、ordinal与partial Spearman模型。

研究结果：

2.1 微生物与代谢层定义IBD管腔背景。HMP2宏基因组涵盖1638份样本，显示诊断相关微生物分类组成和功能潜力差异，包括F. prausnitzii、O-antigen通路和丙酸I通路丰度降低。ST000923测量粪便代谢组提供独立代谢输出层，6个事后探索性类别评分涵盖596个测量特征中的87个。严格同参与者≤2周标准下，18名参与者提供配对粪便与黏膜观察，0/66类别–宿主模块关联通过BH-FDR校正。结论是数据显示队列水平微生物和代谢变异，但严格时间匹配子集未建立同步粪便代谢物–黏膜宿主共变。

2.2 参与者水平关联描述IBD黏膜受体侧神经免疫重塑。在251份HMP2活检、90名参与者中，20个预设参与者均值关联中13个通过BH-FDR校正；诊断和炎症状态调整后13个仍获支持，12个关联共享。最强关系连接SCFA受体/屏障反应程序与炎症相关反应性/胶质邻近模块（ρ = 0.727）及CGRP/adrenomedullin家族受体侧评分（ρ = 0.552）；AHR反应背景也与CGRP/adrenomedullin家族评分相关（ρ = 0.531）。调整后AHR–胆碱能关系不再通过FDR，而胆汁酸–CGRP/adrenomedullin家族关系变得受支持。UC中髓系炎症和上皮屏障损伤/修复评分较高，炎症活检中反应性/胶质邻近模块较高。参与者分组ridge分析显示，加入组成代理后ΔR²增量衰减。1680项宿主–MGX时序敏感性测试均未通过BH-FDR。结论是该阳性宿主表达共变嵌入协调多区室组织生态，不是临床预测模型或微生物/代谢机制证据。

2.3 受体侧神经免疫程序定位于黏膜接收区室。GSE132465单细胞摘要跨63,689个CRC细胞，将CGRP/adrenomedullin家族和AHR相关评分主要定位在基质摘要，LPS/TLR相关炎症表达评分在髓系摘要，胆碱能受体侧背景在上皮摘要。GSE214695提供IBD黏膜受体转录本图谱，含46,702个注释细胞、18个参与者–样本单元，CALCRL、RAMP2和RAMP3在内皮细胞检测最高，VIPR1主要定位上皮细胞，VIPR2定位基质细胞，这些定位在≥1、≥2、≥3-UMI阈值稳定。105项参与者感知IBD–健康比较均未通过BH-FDR。HPA注释提供蛋白和抗体可行性。结论是明确受体携带区室，但不证明配体–受体接触、受体激活或疾病相关重塑。

2.4 UC队列区分炎症状态重塑与进展相关变化。GSE47908处理矩阵代表60份系列活检中的48份：15份对照、14/20份左侧结肠炎、16/19份全结肠炎、3/6份UC相关异型增生。排除异型增生后，15个预设模块中11个与横断面对照/左侧结肠炎/全结肠炎排序关联并通过BH-FDR；直接全结肠炎与左侧结肠炎比较0/15，异型增生与全结肠炎比较0/15；保留异型增生的四组ordinal分析6/15通过FDR。GSE236055含143份组织学非肿瘤活检、43个可识别患者ID，包括13例进展者和30例非进展者；0/20预设模块和0/6派生轴通过BH-FDR。结论是UC队列显示横断面炎症状态关联，但无FDR支持的异型增生特异性或参与者水平进展者信号，不验证进展、生物标志物或临床预测。

2.5 结直肠肿瘤提供基质–免疫背景而非CAC验证。限制为380个独特原发COAD/READ肿瘤后，TCGA分析显示受体侧评分频繁与基质、免疫和血管表达程序共变；40个测试评分对中，未调整时35个通过FDR，核心协变量调整后34个，核心加MSI完整案例模型31个；纳入表达衍生CAF（癌相关成纤维细胞）代理的敏感性模型支持32/36对，加MSI后28/36。已发表GeoMx DSP CAC研究提供16例IBD结肠切除患者的空间背景，包括108个非分割区和26个分割区，但ROI水平矩阵不可用，无法独立重评分。GSE158826提供探索性AOM-DSS扰动压力测试，10组、每组3只独立小鼠，两个主要基因型特异性亚精胺对比中0/26模块测试通过FDR。结论是这些分析提供慢性炎症和肿瘤组织背景，但不建立IBD到异型增生或CAC的连续转变，也不验证CAC特异性。

讨论与结论翻译：讨论指出，该框架第一成分是紊乱管腔生态系统；HMP2中IBD伴随广泛分类和通路变异。测量粪便代谢组提供独立管腔环境视图，但严格同参与者≤2周分析仅含18名参与者且无FDR支持关联。代谢物相关观察需情境依赖解释，粪便SCFA相关信号不直接测量上皮摄取、局部丁酸可用性、受体激活或屏障获益。最强宿主侧证据是代谢物感应、屏障、炎症、反应性/胶质邻近和受体侧程序之间的协调参与者水平关联。批量转录组信号不指示神经元扩增或突触重塑，而是识别嵌入损伤黏膜的受体侧和下游宿主反应状态。单细胞定位加强接收区室解释，但未证明配体–受体通讯或受体激活。UC和结直肠肿瘤分析提供疾病背景，但不建立连续转变或CAC特异性保留。转化价值在于优先实验图，而非可立即部署的诊断测试。局限包括数据集无匹配跨数据集参与者，平台和样本设计不同，严格宿主–代谢组分析仅18名参与者，部分数据集样本量小，TCGA缺乏CMS分类和测量肿瘤纯度，ROI水平表达数据不可用，代谢物类别和若干宿主模块仍为探索性表达摘要，组成代理不能完全区分细胞丰度与细胞内调控。研究结论翻译：总之，本研究识别IBD中横断面受体侧神经免疫重塑模式，表现为代谢物感应与受体侧宿主程序之间的参与者水平关联，以及相关受体转录本跨黏膜区室的定位。微生物组、代谢组和转录组数据集来自多个独立公共队列。这些关联和受体转录本定位发现共同确定候选受体–区室关系，供未来空间和功能研究。它们不建立因果代谢物到神经元通路、纵向重塑或肿瘤进展、CAC特异性验证或临床生物标志物。所提出的受体侧神经免疫重塑框架是一种概念模型，旨在指导未来实验研究，包括疾病匹配空间定位、功能受体扰动和前瞻性匹配粪便–黏膜研究。