单细胞深度学习在阐明内脏与体表炎症模式映射关系中的应用

《Computational and Structural Biotechnology Journal》：Application of Single-cell Deep Learning in Elucidating the Mapping Relationship Between Visceral and Body Surface Inflammatory Patterns

通过scRNA-seq结合深度学习模型，发现皮下筋膜中Cd34+/Pdgfra+的成纤维细胞（CPTCs）通过Wnt/Fgf信号调控巨噬细胞代谢重编程，抑制TLR4并增强MTOR表达，从而缓解肠道沙门氏菌感染引发的全身炎症。研究首次揭示了筋膜-内脏炎症通讯模式（FVICP）及CPTCs在免疫代谢调控中的关键作用。

　　在本文中，我们探讨了腹膜下筋膜（subcutaneous fascia，scFascia）在内脏炎症中可能发挥的重要作用。scFascia作为一种广泛分布的疏松结缔组织，不仅包含多种间质细胞，还富含免疫细胞。然而，其在维持系统性稳态，尤其是在炎症状态下，功能仍不完全明确。通过构建一个由沙门氏菌引发的急性肠炎模型，我们试图揭示scFascia在内脏炎症中的系统性影响。该研究结合了单细胞RNA测序（scRNA-seq）和基于深度神经网络（DNN）的非线性特征发现方法，以全面分析scFascia细胞群体在面对内脏疾病时的转录变化。

研究发现，沙门氏菌引发的肠炎显著改变了scFascia中巨噬细胞（MPs）的转录状态，表现出类似瓦尔堡效应（Warburg effect）的代谢重编程特征，即在有氧条件下增加糖酵解活动，同时降低三羧酸循环（TCA cycle）的活性。这一现象与内脏炎症引发的免疫细胞增殖和迁移密切相关。与此同时，Cd34+/Pdgfra+的间质细胞（CPTCs）在这一过程中发挥着关键作用，它们通过Wnt/Fgf信号通路调控MPs的分化和增殖，从而建立了一种特殊的病理通讯模式，即所谓的筋膜-内脏炎症交叉反应模式（Fascia–Visceral Inflammatory Crosstalk Pattern, FVICP）。这种模式表明，scFascia可能在系统性炎症反应中扮演着调节器的角色，通过整合来自内脏器官的信号，对免疫系统的动态变化做出响应。

CPTCs作为scFascia中的一种独特细胞亚群，其形态学特征包括细长的细胞体和丰富的细胞质延伸结构，这使其成为一种高度适应性的细胞，能够通过直接接触、细胞外囊泡释放以及分泌可溶性因子等多种方式与周围细胞进行广泛交流。研究还发现，CPTCs不仅能够抑制MPs的促炎活性，还能通过增强mTOR的表达来提升其抗炎潜能。具体而言，CPTCs通过转录水平下调TLR4和CPT1A，从而降低MPs对脂多糖（LPS）的敏感性，同时上调ATF4，促进氧化应激反应。这种双向调节机制表明，CPTCs在维持免疫平衡方面具有重要作用。

此外，研究中应用的深度学习模型，尤其是基于多层感知机（MLP）的框架，能够有效提取scFascia细胞的非线性特征，从而揭示出传统方法难以捕捉的复杂生物学过程。模型通过调节超参数，如学习率、隐藏层大小、网络深度等，实现了对不同细胞类型（如CPTCs、MCs、ECs等）的精准预测。通过DeepSHAP方法对模型进行解释，我们进一步确定了哪些基因在疾病分类中具有重要影响，并将其与差异基因表达（DGE）结果进行整合，筛选出与疾病状态密切相关的基因。随后，利用基因集富集分析（GSEA）对这些基因进行功能分析，揭示了其在细胞增殖、DNA复制、转录调控等过程中的作用。

研究还涉及了细胞间通讯模式的分析，通过CellCall工具识别出CPTCs与MPs之间的显著信号交换。例如，Wnt2/Wnt5a–Lrp6、Fgf10–Fgfr1、Rspo3–Znrf3等关键配体-受体对在CPTCs和MPs之间表现出显著的信号传递。这些发现不仅加深了我们对scFascia在系统性炎症中功能的理解，还揭示了其在调控免疫细胞行为方面的潜力。通过这些信号通路，CPTCs能够影响MPs的代谢状态和功能特性，从而在炎症反应中发挥双重作用：一方面抑制促炎反应，另一方面促进抗炎状态的建立。

进一步的实验验证了CPTCs对MPs功能的影响。通过共培养实验，我们发现CPTCs能够显著降低LPS诱导的IL-6表达，同时上调ATF4和mTOR的表达，这表明CPTCs不仅在转录水平上调控MPs的免疫反应，还在翻译后水平上增强其抗炎能力。此外，通过Western blot分析，我们发现CPTC共培养组的mTOR蛋白表达显著高于单独LPS处理组，这进一步支持了CPTCs在促进MPs抗炎功能中的作用。

从整体来看，研究揭示了scFascia在内脏炎症中可能发挥的系统性作用。它不仅是免疫细胞的栖息地，还通过复杂的细胞间通讯和信号传导网络，参与调控免疫细胞的代谢状态和功能变化。这一发现为理解系统性炎症反应提供了新的视角，同时也为开发新的治疗策略提供了理论依据。例如，通过调控Wnt信号通路或mTOR信号通路，可能能够有效干预炎症反应，从而减轻相关病理变化。

然而，研究也指出了几个潜在的局限性。首先，由于样本数量有限，研究结果可能在统计学上具有一定的局限性，需要在更大规模的样本中进行验证。其次，尽管我们通过转录组学数据推测了scFascia中的代谢重编程现象，但这些结论仍需通过直接的代谢通量分析进行验证。此外，FVICP这一概念目前仅基于单一的细菌感染模型，需要在不同的炎症环境中（如病毒感染、无菌性炎症、人类疾病等）进行扩展研究，以确认其普遍适用性。最后，虽然我们使用了THP-1来源的M2巨噬细胞进行体外实验，但这些细胞可能无法完全模拟体内环境，因此未来的研究应考虑使用原代细胞以更准确地反映体内情况。

总的来说，本文通过结合先进的单细胞测序技术和深度学习方法，揭示了scFascia在内脏炎症中的重要作用。CPTCs通过Wnt/Fgf信号通路与MPs进行复杂的相互作用，不仅影响其代谢状态，还调控其免疫反应。这些发现不仅拓展了我们对scFascia功能的认知，也为未来研究提供了新的方向，特别是在探讨系统性炎症反应的调控机制和开发相关治疗策略方面。此外，研究强调了scFascia作为潜在生物标志物的重要性，为监测和评估系统性炎症提供了新的工具。