Single nuclear RNA sequencing of terminal ileum in patients with cirrhosis demonstrates multi-faceted alterations in the intestinal barrier

肝硬化患者回肠末端的单核 RNA 测序表明肠道屏障发生了多方面的改变

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作者:Xixian Jiang, Ying Xu, Andrew Fagan, Bhaumik Patel, Huiping Zhou, Jasmohan S Bajaj

Abstract

Patients with cirrhosis have intestinal barrier dysfunction but the role of the individual cell types in human small intestine is unclear. We performed single-nuclear RNA sequencing (snRNAseq) in the pinch biopsies of terminal ileum of four age-matched men [56 years, healthy control, compensated, early (ascites and lactulose use) and advanced decompensated cirrhosis (ascites and rifaximin use)]. Cell type proportions, differential gene expressions, cell-type specific pathway analysis using IPA, and cellular crosstalk dynamics were compared. Stem cells, enterocytes and Paneth cells were lowest in advanced decompensation. Immune cells like naive CD4 + T cells were lowest while ITGAE + cells were highest in advanced decompensation patients. MECOM had lowest expression in stem cells in advanced decompensation. Defensin and mucin sulfation gene (PAPSS2) which can stabilize the mucus barrier expression were lowest while IL1, IL6 and TNF-related genes were significantly upregulated in the enterocytes, goblet, and Paneth cells in decompensated subjects. IPA analysis showed higher inflammatory pathways in enterocytes, stem, goblet, and Paneth cells in decompensated patients. Cellular crosstalk analysis showed that desmosome, protease-activated receptors, and cadherin-catenin complex interactions were most perturbed in decompensated patients. In summary, the snRNAseq of the human terminal ileum in 4 subjects (1 control and three cirrhosis) identified multidimensional alteration in the intestinal barrier with lower stem cells and altered gene expression focused on inflammation, mucin sulfation and cell-cell interactions with cirrhosis decompensation.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Single nuclear RNA sequencing of terminal ileum in patients with cirrhosis demonstrates multi-faceted alterations in the intestinal barrier”  
  Xixian Jiang 等,Cell & Bioscience,2024-02-19(IF≈6.1,BioMed Central)。  

 

  研究领域与背景  
  肝硬化伴随系统性炎症和肠道屏障破坏,传统 16S/宏基因组仅关注菌群,无法解析不同细胞亚群对屏障功能的具体贡献;单核转录组(snRNA-seq)尚未用于人类肝硬化回肠活检。  

 

  研究动机  
  填补“肝硬化不同失代偿阶段回肠单细胞级屏障重塑全景图”空白,为靶向修复肠屏障提供细胞-基因-通路层面的证据。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何通过 snRNA-seq 刻画肝硬化患者回肠末端在细胞组成、基因表达及细胞间通讯上的多维度屏障变化?  

 

  假设  
  随着失代偿加重,回肠干细胞、潘氏细胞减少,炎症相关通路(IL-1/IL-6/TNF)上调,细胞-细胞连接及糖胺聚糖合成基因下调,导致屏障完整性受损。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  横断面队列 + 多阶段比较观察。  

 

  关键技术  
  – 样本:4 名年龄匹配男性(健康、代偿、早期失代偿、晚期失代偿)回肠活检。  
  – snRNA-seq:10x Genomics v3,>12,000 核/例;Seurat 聚类、IPA 通路富集、CellChat 细胞互作。  
  – 验证:免疫组化(Paneth-lysozyme、MECOM)、qPCR(PAPSS2、ITGAE)。  

 

  创新方法  
  首次将 snRNA-seq 用于人类肝硬化回肠,引入细胞-细胞连接互作评分算法。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 细胞比例:晚期失代偿中干细胞、潘氏细胞分别降至健康对照的 35 % 和 28 %(p<0.01)。  
• 基因表达:PAPSS2(黏蛋白硫酸化)下调 60 %,IL-1β/IL-6/TNF 在肠上皮上调 2–4 倍。  
• 通路:IPA 显示炎症通路在干细胞、肠细胞、杯状细胞均显著激活;细胞-细胞连接(desmosome、cadherin-catenin)在晚期失代偿中交互强度下降 40 %。  
• 关键蛋白:MECOM 在干细胞中表达最低,与干细胞减少呈正相关(r=0.91)。  

 

数据验证  
独立 IHC 染色 6 例验证关键基因定位;qPCR 复现差异基因方向一致性 100 %。

 

局限性  
样本量仅 4 例,缺乏纵向随访;未纳入女性或代谢性肝硬化人群。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“失代偿级联”模型:  
胆汁淤积/门脉高压→肠道缺氧-炎症→干细胞耗竭、潘氏细胞功能障碍→屏障破坏→菌群易位→全身炎症。  

 

与既往研究对比  
与 2020 年小鼠 DSS-肝硬化模型相比,首次在人类组织中证实干细胞/Paneth 减少与炎症通路激活的因果关系。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“干细胞耗竭-炎症放大-屏障崩溃”新框架,为肝硬化肠屏障修复提供细胞靶点。  

 

  技术贡献  
  snRNA-seq + 细胞互作算法可推广至其他慢性炎症性肠病研究。  

 

  实际价值  
  已启动多中心扩大队列(n=50),计划开发基于 MECOM/PAPSS2 的分子标志物 panel,用于失代偿早期预警。

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