《Frontiers in Genetics》：Integrated bulk and single-cell transcriptomics identify heterogeneous NRF2–HO-1–GPX4-related programs in osteoarthritic synovium
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背景：NRF2–HO-1–GPX4轴在氧化应激防御和铁死亡（ferroptosis）调控中具有生物学相关性，但其在膝骨关节炎（knee osteoarthritis, KOA）滑膜中的转录组行为可能因队列和局部组织微环境而异。方法：研究人员对公共人类KOA滑膜
背景：NRF2–HO-1–GPX4轴在氧化应激防御和铁死亡（ferroptosis）调控中具有生物学相关性，但其在膝骨关节炎（knee osteoarthritis, KOA）滑膜中的转录组行为可能因队列和局部组织微环境而异。方法：研究人员对公共人类KOA滑膜转录组数据集进行了以生物信息学为主导的整合分析，包括批量（bulk）OA与对照组比较、配对区域滑膜分析、探索性疼痛和分期相关对比，以及单细胞/单核定位。NFE2L2、HMOX1和GPX4作为预设基因进行分析，紧凑模块评分（compact module score）汇总了NRF2–HO-1–GPX4、铁死亡相关、氧化应激/NRF2和炎症程序。代表性HE和免疫组化（immunohistochemistry, IHC）图像仅作为探索性定性组织水平支持。结果：NFE2L2在批量数据集中显示出最常复现的OA阳性方向，而HMOX1和GPX4则依赖于队列。GSE89408显示轴相关、铁死亡相关、氧化应激/NRF2和炎症特征一致增加，但这种模式并非普遍。在GSE46750中，来自肉眼可见炎症部位配对的滑膜细胞培养物显示，铁死亡相关和炎症转录组模块评分高于来自同一骨关节炎关节正常/反应部位的培养物。探索性疼痛和疾病分期相关分析不确定，尤其是因为GSE176223比较涉及来自同一供体的重复谱图，而没有进行供体感知的统计推断。基于标记评分的单细胞分析检测到轴相关转录本广泛分布于推断的基质、免疫、血管和血管周围区室，但精确细胞身份未得到独立验证。生物学样本水平的伪bulk（pseudobulk）分析未建立一致的OA相关紧凑轴评分变化。组织学上，KOA滑膜显示更致密和更紊乱的纤维性间质；代表性IHC图像显示KOA中NRF2和HO-1染色有增强趋势，GPX4染色有减弱趋势，但无半定量评分。结论：KOA滑膜中NRF2–HO-1–GPX4相关重塑是异质性的，并且似乎与局部炎症组织状态的关系比与整体诊断、疼痛状态或疾病分期的关系更密切。病理学发现提供了初步的定性支持，而非机制性证明。
膝骨关节炎（KOA）是慢性疼痛和残疾的主要原因，滑膜作为关节微环境的重要组分，其低度炎症和免疫细胞多样性参与疾病发生与进展。氧化应激与铁死亡（ferroptosis）在KOA病理中受到广泛关注，NRF2–HO-1–GPX4轴是连接抗氧化防御与铁死亡调控的关键通路。然而，该轴在人KOA滑膜中的转录组表现可能因队列和局部微环境而异，既往研究多聚焦于软骨或实验模型，缺乏针对人滑膜的系统性整合分析。为此，研究人员开展了本项以生物信息学为主导的整合研究，旨在评估该轴相关程序在KOA滑膜中的异质性及其与局部炎症状态、疼痛和疾病分期的关联。
研究人员利用多个公共人类KOA滑膜转录组数据集，包括bulk（批量）转录组数据集（GSE82107、GSE55235、GSE55457、GSE89408、GSE46750、GSE99662、GSE176223）进行OA与对照比较、配对区域分析、疼痛和分期探索，以及单细胞/单核转录组数据集（GSE152805、GSE176308、GSE216651）进行细胞定位。分析方法包括关键基因表达差异、紧凑模块评分、基于标记评分的细胞注释和样本水平伪bulk分析。组织学验证使用15例KOA滑膜和15例非OA尸体对照滑膜，进行HE和免疫组化（IHC）定性观察。
研究设计概述：该研究最终纳入7个bulk数据集和3个单细胞数据集，完成了预处理和质量控制，并生成了关键基因统计、模块评分和细胞注释等结果。NFE2L2在OA滑膜中呈反复阳性方向而HMOX1和GPX4异质性：在四个主要OA与健康对照bulk数据集中，NFE2L2在所有队列均显示OA阳性方向，而HMOX1和GPX4方向各异，提示该轴并非一致上调或下调。紧凑模块评分显示队列依赖性：GSE89408中轴评分、铁死亡核心评分、氧化应激/NRF2评分和炎症评分均显著升高，但该模式未在其他队列中复现，说明存在队列特异性的转录程序改变。局部炎症滑膜区域显示最明显的铁死亡相关转录富集：GSE46750配对分析显示，来自肉眼可见炎症部位的滑膜细胞培养物具有更高的铁死亡核心评分和炎症评分，而轴评分无显著差异，表明局部炎症状态与铁死亡转录特征相关联。疼痛和疾病分期相关数据集不支持轴作为稳健临床状态标志物：GSE99662中高低疼痛组间轴评分无差异，GSE176223由于重复供体采样且缺乏供体感知统计推断，其结果仅作描述性解释，未能证实轴与疼痛或分期的可靠关联。单细胞分析将NFE2L2、HMOX1和GPX4定位于滑膜基质、免疫和血管区室：在多个细胞类群中检测到这些转录本，包括成纤维样滑膜细胞、巨噬/单核细胞、内皮细胞和血管周围细胞等，但未独立验证精确细胞身份。GSE216651伪bulk分析未显示OA广泛的轴激活：在三个OA和三个健康scRNA-seq样本的样本水平比较中，轴评分和铁死亡核心评分均无显著差异，提示整体转录组水平未见明显OA相关偏移。滑膜组织的初步组织学和定性免疫组化趋势：HE显示KOA滑膜间质更致密、紊乱；IHC代表性图像显示KOA中NRF2和HO-1染色有增强趋势，GPX4染色减弱，但无半定量评分。病理图像定性解释：这些图像仅提供初步定性支持，不能证明蛋白表达差异或铁死亡发生。计算和组织水平发现的整合解释：综合结果表明，NRF2–HO-1–GPX4相关重塑在KOA滑膜中呈异质性，且与局部炎症状态的联系较整体诊断、疼痛或分期更密切。
讨论部分指出，该轴相关程序的异质性可能受队列组成、临床特征、组织来源和细胞异质性影响。GSE46750中炎症区域与铁死亡和炎症评分的关联提示局部微环境的作用，而单细胞广泛分布则支持多细胞参与的可能性。实验文献支持该轴的功能意义，但转录组证据不能证明铁死亡实际发生。未来研究需采用更大独立队列、空间转录组、定量蛋白检测和功能扰动实验。
结论：在这项以生物信息学为主导的整合转录组研究中，研究人员发现膝骨关节炎滑膜中NRF2–HO-1–GPX4相关重塑在不同数据集中呈异质性，而非一致增高或降低。在三个关键轴基因中，NFE2L2显示出最复现的OA阳性转录方向，而HMOX1和GPX4呈现队列依赖模式。紧凑模块评分进一步显示，NRF2–HO-1–GPX4、铁死亡相关、氧化应激/NRF2和炎症特征在特定队列中升高，但未在所有OA与健康对照比较中一致复现。配对GSE46750分析显示，来自肉眼可见炎症部位的滑膜细胞培养物中，铁死亡相关和炎症转录模块评分高于来自正常/反应部位的配对培养物。探索性疼痛和疾病分期相关分析未能提供足够可靠的证据将轴作为临床状态生物标志物，尤其是GSE176223包含重复供体谱图且未进行供体水平推断。单细胞和单核分析将NFE2L2、HMOX1和GPX4表达定位于多种滑膜基质、免疫、血管和血管周围区室，提示该轴可能反映组织微环境相关反应而非单一细胞类型特异事件。代表性滑膜HE和IHC图像提供了描述性组织水平背景：KOA视野显示更致密和紊乱的纤维间质，NRF2和HO-1染色有增强趋势，GPX4染色减弱。由于这些图像未进行半定量评分，应视为初步定性支持，而非定量蛋白验证或通路激活、铁死亡发生的证据。总体而言，研究结果表明NRF2–HO-1–GPX4相关转录重塑是KOA滑膜微环境的异质性特征，且与局部滑膜炎症的关系比与整体OA诊断、疼痛状态或疾病分期更密切。未来需利用更大样本队列、定量蛋白验证和功能实验来阐明该轴是否在KOA铁死亡相关滑膜炎症中发挥因果作用。
