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来自威康桑格研究所、剑桥大学医院NHS基金会信托（CUH）及开放靶点（Open Targets）的研究人员完成了一项针对克罗恩病（CD）的精细化细胞研究，绘制了肠道内50余种细胞类型的基因活性变化图谱。（开放靶点成立于2014年，是一个预竞争性质的公私合作项目，旨在利用人类遗传学与基因组学数据系统地筛选、优先级排序药物靶点。）
该研究由剑桥大学医院NHS基金会信托的胃肠病学顾问Tim Raine医学博士/哲学博士共同牵头，研究团队分析了来自克罗恩病患者与健康对照的逾百万个肠道细胞，比对了肠道黏膜的变化，鉴定了驱动炎症的免疫细胞。最终构建的单细胞RNA测序（sc-RNA-seq）资源库IBDverse（炎症性肠病单细胞数据库）对各类细胞类型、以及疾病状态下活性发生改变的细胞进行了特征注释，揭示了肠道黏膜免疫活性的全新分子与细胞特征。
共同第一作者、原任职于威康桑格研究所、现就职于剑桥大学代谢科学研究所的Monika Krzak哲学博士表示：“克罗恩病具有复杂性、异质性，且每名患者的疾病特征均存在个体化差异，因此在单细胞层面解析其发病机制尤为重要。我们构建的这份涵盖逾百万个肠道细胞的空前图谱，为全球研究者提供了一个强有力的全新工具，可用于解析炎症的发生、持续机制，探索未来的炎症干预策略。这种开放科学模式能够加速研究突破，助力我们为患者开发更优的治疗方案。”
Raine补充道：“若要为克罗恩病患者开发更有效、更安全的药物，我们迫切需要深化对克罗恩病生物学机制的认知。参与本研究的患者帮助我们明确了疾病状态下肠道功能与免疫功能的多种异常模式，这些认知将直接为药物开发与靶向治疗提供新的研究方向。”
该研究成果发表于《自然·遗传学》（Nature Genetics），题为《回肠末端活检样本的单细胞RNA测序鉴定克罗恩病发病机制特征》，是基于IBDverse数据库开展的两项互补研究之一——另一项研究近期发表于《自然》（Nature），聚焦克罗恩病的不同研究方向，共同揭示了参与克罗恩病炎症反应的细胞类型与分子变化。
研究团队在最新发表的论文中总结道：“本研究构建了克罗恩病的全面细胞与分子框架，为解析疾病机制、挖掘治疗靶点提供了新的见解。”
炎症性肠病（IBD）是一类引起胃肠道慢性炎症的疾病的统称，据估计英国现有逾50万名炎症性肠病患者，疾病类型包括克罗恩病与溃疡性结肠炎。
克罗恩病是一种慢性疾病，可引起从口腔到肛门的全消化道炎症与溃疡，通常累及小肠与结肠。但研究作者指出：“尽管炎症最常发生于回肠末端（小肠的末段），但克罗恩病在发病位置、严重程度与疾病进程上均存在高度异质性，这种异质性不仅存在于不同患者之间，同一患者的疾病特征也会随时间发生变化。”
尽管炎症最常出现在回肠末端（小肠的最后一段），但克罗恩病可累及全身多个位置，且严重程度在不同患者间、同一患者不同病程阶段均存在差异。
研究人员表示：“尽管靶向免疫细胞的疗法已经改善了部分患者的临床结局，但治疗无应答率仍然居高不下，15%的克罗恩病患者在确诊后5年内需要接受手术治疗。因此，我们迫切需要更深入地解析克罗恩病的病因，以拓展治疗选择。”
在本次发表的研究中，研究人员采集并分析了111名存在当前或既往回肠末端炎（回肠炎症）病史的克罗恩病患者、以及232名健康志愿者的活检样本。研究团队采用单细胞RNA测序技术检测单个细胞的基因表达水平，他们指出：“单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术为在单细胞、单细胞类型分辨率下解析复杂组织的特征提供了高通量研究手段。”
通过绘制克罗恩病患者与健康对照之间细胞与分子差异的全面图谱，研究人员最终构建了IBDverse——这一公开数据资源涵盖了从小肠样本中分离的逾118.5万个细胞，将作为开放资源为未来的研究提供支撑。
利用该数据集，科学家鉴定了克罗恩病中表达异常的基因，以及表达模式具有特定细胞类型、细胞过程特异性的基因。
本研究最值得关注的发现之一是肠道黏膜存在分子瘢痕：即使肉眼可见的炎症已经消退，负责向免疫系统传递信号的基因在肠道干细胞（持续更新肠道黏膜的细胞）中仍持续处于激活状态。这提示炎症发作会给这些细胞留下持久的印记，可能会影响肠道未来对炎症的应答模式。研究作者在论文中指出：“我们发现了以干扰素驱动的主要组织相容性复合体I类分子上调为标志的上皮细胞改变，这类改变在宏观炎症消退后仍持续存在于祖细胞中。”
研究人员还鉴定出一群高表达ITGA4基因的巨噬细胞（可吞噬、消化细胞碎片的免疫细胞），这类细胞通过JAK/STAT通路（将信号从细胞表面传递至细胞核、调控基因开关的信号通路）成为炎症的关键驱动因素。研究人员表示：“ITGA4⁺巨噬细胞被鉴定为关键的炎症驱动细胞，呈现JAK-STAT信号富集、以及细胞因子（白细胞介素-6（IL-6）、IL-12和IL-23）高表达的特征。” 阻断该通路的药物即JAK抑制剂已被用于炎症性肠病的治疗，提示这类巨噬细胞可能是现有疗法的作用靶点。
共同第一作者、威康桑格研究所与开放靶点的Tobi Alegbe哲学博士表示：“对于克罗恩病、溃疡性结肠炎这类炎症性肠病，我们仍未明确肠道细胞的何种异常导致了炎症的发生。我们已经能够比对数百名炎症性肠病患者与非患者的肠道细胞，为解析疾病活动期涉及的基因与细胞类型提供了新的见解，也为针对湿疹、哮喘等其他重要器官疾病的同类研究奠定了基础。”
共同通讯作者、威康桑格研究所的Carl Anderson哲学博士表示：“本研究的独特之处在于我们从研究设计阶段就纳入了重复验证队列，结果发现即使纳入了数百名患者、采用标准化的实验方案，我们在一个队列中检测到的基因表达变化仅有不到一半能在另一个队列中得到重复，这一发现为该领域的研究敲响了警钟。可稳定重复的生物学特征明确提示，肠道黏膜本身是克罗恩病的关键参与因素，上皮细胞的分子特征即使在炎症消退后仍持续存在。我们目前还不清楚这种持续存在的意义，但它很可能会影响肠道对后续炎症刺激的应答。”
专业注释
- IBDverse：国际首个大规模炎症性肠病单细胞转录组公共数据库
- JAK/STAT通路：经典免疫调控信号通路，是多种自身免疫病的药物靶点
- 分子瘢痕：炎症消退后组织细胞残留的持久转录组异常特征