《Frontiers in Cardiovascular Medicine》：Integrative multi-omics and machine learning identify mechanical stimulus-related genes and immune microenvironment remodeling in heart failure
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背景： 心衰（heart failure, HF）是全球发病率和死亡率的主要原因，其由包括异常机械应力和免疫微环境重塑在内的复杂病理生理过程驱动。尽管已知机械刺激可触发适应不良性心脏重塑，但机械刺激相关基因（mechanical stimulus-relate
背景： 心衰（heart failure, HF）是全球发病率和死亡率的主要原因，其由包括异常机械应力和免疫微环境重塑在内的复杂病理生理过程驱动。尽管已知机械刺激可触发适应不良性心脏重塑，但机械刺激相关基因（mechanical stimulus-related genes, MSRGs）在HF诊断和免疫调节中的系统性作用仍不明确。本研究旨在识别基于MSRG的诊断生物标志物，表征分子亚型，并探索其在HF中的细胞定位及免疫微环境相互作用。
方法： 分析了批量转录组数据和MSigDB整理的MSRGs。通过差异表达筛选，识别出HF与健康标本之间改变的MSRGs。联合应用随机森林（Random Forest, RF）、最小绝对收缩和选择算子（Least Absolute Shrinkage and Selection Operator, LASSO）及支持向量机-递归特征消除（Support Vector Machine-Recursive Feature Elimination, SVM-RFE）三种算法选择诊断生物标志物并构建列线图。共识聚类定义了基于MSRG的亚型，并比较了各组间的免疫特征。单细胞测序定位了心脏组织中的关键生物标志物。横主动脉缩窄（transverse aortic constriction, TAC）诱导的大鼠HF模型用于通过RT-qPCR、蛋白质印迹法和免疫组织化学进行体内验证。
结果： 共鉴定出53个MSRG相关差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs），从中筛选出11个核心诊断生物标志物。列线图模型显示出较高的预测性能。共识聚类揭示了两种不同的HF亚型：Cluster A表现出增强的代谢和稳态通路，而Cluster B显示出显著的细胞外基质重塑和纤维化特征，且免疫浸润存在差异。单细胞分析显示CASP1在巨噬细胞/单核细胞中富集，PTN/MDK在成纤维细胞中富集。体内验证证实TAC心脏中PTN、MDK和CASP1在mRNA和蛋白质水平均显著上调，同时促炎细胞因子（IL-6、IL-1β）和纤维化标志物升高，将机械刺激相关基因与局部炎症和不良重塑联系起来。
结论： MSRGs可作为HF的稳健诊断生物标志物，并能够识别具有不同免疫微环境和生物学通路特征的两个分子亚型。CASP1-MDK-PTN轴作为连接机械应力与炎症及纤维化重塑的潜在致病级联反应而出现。这些发现为HF的早期分子分型、改善风险分层和靶向免疫调节治疗提供了框架。
心衰中机械应力相关基因的系统性识别：整合多组学、机器学习与体内验证的转化研究解读
一、研究背景与科学问题
心衰（heart failure, HF）作为全球范围内发病率和死亡率居高不下的心血管疾病终末阶段，其临床管理长期受困于两大核心瓶颈：一是疾病的高度异质性使得现有诊疗手段难以实现精准分型与个体化干预；二是当前临床依赖的经典生物标志物如N末端前脑钠肽（NT-proBNP）和脑钠肽（BNP）在早期识别、病因甄别及治疗方案制定方面灵敏度不足。在HF复杂的病理生理网络中，异常机械应力——尤其是由高血压、主动脉瓣狭窄或心肌梗死引发的慢性压力超负荷——被认为是驱动心脏恶化的首要因素。持续机械应力通过激活复杂的机械转导通路，不仅诱发心肌细胞肥大与凋亡，还深刻激活心脏驻留成纤维细胞和浸润免疫细胞，进而塑造以慢性低度炎症和细胞外基质（extracellular matrix, ECM）过度沉积为特征的适应不良性免疫微环境重塑。然而，机械刺激相关基因（mechanical stimulus-related genes, MSRGs）如何系统性地编排疾病进程并与动态心脏免疫微环境相互作用，此前尚缺乏系统层面的解析。因此，本研究旨在通过整合多组学数据与机器学习算法，系统识别MSRG诊断生物标志物，解析其分子亚型、细胞定位及免疫微环境互作，并通过体内模型验证其病理生理意义。
二、研究设计与核心发现
研究人员利用公共批量转录组数据集GSE141910（含200例HF与166例正常样本）和GSE57338（含177例HF与136例正常样本），结合从MSigDB数据库中提取的228个机械刺激应答基因，通过limma差异表达分析筛选出53个MSRG相关差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）。功能富集分析显示这些基因主要参与机械刺激应答、蛋白酶结合、含胶原ECM及PI3K-Akt和HIF-1信号通路。随后，研究人员联合应用随机森林（Random Forest, RF）、最小绝对收缩和选择算子（Least Absolute Shrinkage and Selection Operator, LASSO）回归及支持向量机-递归特征消除（Support Vector Machine-Recursive Feature Elimination, SVM-RFE）三种机器学习算法，取三者交集获得11个核心诊断生物标志物：PTN、PPL、STRBP、MDK、SLC2A1、CASP1、SERPINE2、NPPA、GADD45A、PDE2A和THBS1。基于这11个基因构建的列线图诊断模型在训练队列（GSE141910）和验证队列（GSE57338）中分别达到0.995和0.978的曲线下面积（area under the curve, AUC），展现出卓越的诊断效能。
通过共识聚类分析，研究人员将HF患者划分为两个具有显著生物学差异的分子亚型：Cluster A（165例）富集自噬、柠檬酸循环、染色质调控和线粒体功能等代谢稳态通路；Cluster B（35例）则显著富集微纤维形成、弹性纤维组装、胶原纤维组织和胶原结合等ECM重塑及纤维化通路。免疫浸润分析显示两亚型在22种免疫细胞亚群丰度上存在显著差异，Cluster A以静息树突状细胞和初始B细胞为主，Cluster B则以静息肥大细胞和静息CD4记忆T细胞占优；免疫检查点基因表达亦呈现差异化模式。单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）分析基于GSE183852数据集（含2例供体和5例HF样本的7个透壁左心室心尖样本），鉴定出13个细胞簇和11种主要细胞类型，发现CASP1特异性富集于巨噬细胞/单核细胞谱系，PTN、MDK、SERPINE2和THBS1等主要富集于成纤维细胞，而PDE2A和GADD45A则与内皮细胞相关。细胞-细胞通讯分析显示成纤维细胞和内皮细胞是主要的互作枢纽。功能富集分析表明CASP1高表达髓系细胞富集于白细胞迁移、中性粒细胞趋化及NOD样受体信号通路等炎症和先天免疫通路，而PTN高表达成纤维细胞则富集于ECM组织、胶原纤维组织和ECM-受体互作及PI3K-Akt信号通路。
在体内验证阶段，研究人员建立横主动脉缩窄（transverse aortic constriction, TAC）诱导的压力超负荷大鼠HF模型。RT-qPCR结果显示11个核心基因在TAC心脏中的表达趋势与人类HF转录组数据高度一致，其中PTN、MDK、SLC2A1、CASP1、SERPINE2、NPPA、GADD45A和THBS1上调，而PPL、STRBP和PDE2A下调。蛋白质印迹法证实PTN、MDK和CASP1蛋白水平显著升高，同时经典HF标志物（ANP、BNP、β-MHC）和纤维化标志物（Collagen I、Collagen III、α-SMA）均显著上调。免疫组织化学染色进一步揭示PTN、MDK、CASP1与促炎细胞因子IL-6、IL-1β在TAC心脏组织中呈现重叠的空间分布模式，为机械应力相关基因与局部炎症和免疫微环境重塑的关联提供了组织学证据。
三、主要技术方法
本研究采用的核心技术方法包括：基于GEO公共数据库的批量转录组数据分析（GSE141910和GSE57338队列）；MSigDB基因集提取；limma差异表达分析；三种机器学习算法（RF、LASSO、SVM-RFE）联合筛选生物标志物；列线图诊断模型构建与ROC曲线验证；共识聚类分子亚型鉴定；CIBERSORT免疫细胞浸润反卷积；基于GSE183852数据集的scRNA-seq分析（含Seurat流程、CellChat细胞通讯推断和Monocle3拟时序分析）；以及TAC诱导的大鼠HF模型的体内验证（RT-qPCR、蛋白质印迹法、免疫组织化学）。
四、讨论与结论
讨论部分指出，CASP1-MDK-PTN轴构成了连接机械应力与免疫炎症及纤维化重塑的潜在致病级联：CASP1作为NLRP3炎症小体的效应蛋白酶，充当将血流动力学超负荷转化为先天免疫激活的"机械-免疫检查点"；成纤维细胞来源的MDK作为旁分泌放大器，通过招募和极化免疫细胞桥接急性机械应力与持续性免疫微环境重塑；PTN则作为纤维化重塑的终端执行者，通过促进ECM沉积和肌成纤维细胞分化，并经"机械-基质"正反馈环路将可逆的机械超负荷转化为不可逆的纤维化瘢痕。两种分子亚型的鉴定为HF精准医疗提供了框架：Cluster B患者可能受益于抗纤维化或免疫调节干预，而Cluster A患者可能对代谢调节剂反应更佳。研究同时承认若干局限性，包括数据集的横断面性质限制了预后评估、TAC模型仅使用雄性大鼠、缺乏体外机械牵拉和遗传扰动实验以确立因果关系，以及ceRNA网络仅为计算预测等。
研究结论指出，整合多组学方法鉴定出11个机械刺激相关HF诊断生物标志物，并提出CASP1-MDK-PTN轴可能与免疫微环境重塑和纤维化进展相关的机制假说模型。结合单细胞分辨率和体内验证，研究人员 delineated 两种不同的分子亚型，为早期诊断和分子分型提供了稳健框架。虽然这些发现提供了新型诊断工具，但该级联的直接因果验证仍需未来体外机械牵拉和功能实验，以将这些假说完全转化为靶向临床应用。
