重大突破！王中群教授团队揭示糖尿病大血管病变关键机制

重大突破！王中群教授团队揭示糖尿病大血管病变关键机制

糖尿病是全球性的健康问题，其引发的血管病变是导致患者致死致残的主要原因。近日，江苏大学附属医院王中群教授团队在《Cardiovascular Diabetology》杂志发表重要研究成果，通过创新性地运用时空多组学技术，首次构建了糖尿病大血管病变的空间多组学图谱，揭示了平滑肌细胞表型转化和代谢重编程的关键机制，为临床治疗和检测提供了新的方向。

研究背景

糖尿病血管病变的主要表现为动脉粥样硬化，晚期可出现斑块内钙化甚至血管闭塞，进而导致中风、心肌梗死、心力衰竭，是糖尿病患者致死致残的主要原因。随着空间组学技术和单细胞测序技术的不断发展，能够基于组织切片进行微米级精度的基因表达检测和代谢特征研究。平滑肌细胞表型的转化是糖尿病大血管病变的重要机制。

研究方法与技术路线

王中群教授团队对糖尿病患者的下肢血管进行了空间转录组、空间代谢组和单细胞测序的多组学联合研究，构建了一个糖尿病血管的多组学图谱。研究运用了单细胞测序、空气动力辅助解吸电喷雾质谱成像（AFADESI-MSI）、空间转录组测序、基因组关联研究（GWAS）、蛋白质组学检测等技术手段。技术路线如下：

研究发现

1. 糖尿病大血管病变的单细胞转录图谱

通过对糖尿病患者胫前动脉进行单细胞测序，研究团队成功注释了所有细胞簇，并展示了细胞注释的经典标志物。每种细胞类型中基因表达也符合预期，同时揭示了各细胞群富集到的信号通路。

2. 糖尿病大血管病变的空间转录图谱

通过对空间转录组所有spot位点进行聚类，得到14个簇。基于空间热图，可以看出存在血管结构的空间特征。研究团队根据苏木精-伊红（HE）染色切片对病理进行注释，分为斑块、中膜、外膜和钙化区域。

3. 空间转录组与单细胞转录组的联合分析

研究团队使用单细胞转录组数据为空间转录组spot位点进行细胞注释，发现T细胞主要集中在血管外膜和斑块与中膜交界处；平滑肌细胞仅位于中膜，并位于斑块和中膜中；B细胞分布在部分血管中；内皮细胞少量分散在血管中。研究团队推测巨噬细胞和单核细胞在某些血管的斑块中浸润。成纤维细胞大多富集在血管外膜，肥大细胞分散在血管中。在糖尿病血管中，内皮细胞不连续，平滑肌细胞侵入斑块，免疫细胞在斑块和血管外膜区域富集。

4. 糖尿病大血管病变的空间代谢图谱

研究团队使用空间代谢组技术对空转上机切片的相邻切片进行正负双离子模式检测。在负离子模式中鉴定出的大多数杂环化合物主要富集在钙化区域，在外膜和中膜中并未显著富集。一些有机酸和脂质主要集中在中膜，而脂质主要集中在斑块中，这与先前的研究结果一致。

5. 糖尿病大血管病变中细胞通讯的特点

研究团队对各区域之间进行细胞通讯分析，发现钙化周围区域存在与核富集相关的病变，这与正常介质不同。在相邻区域和非相邻区域中鉴定标志物，对标志物基因进行富集分析。钙化相邻区域中，趋化因子、erk1/2功能功能激活。同时，还富集到了苯丙氨酸通路，可能导致苯丙氨酸的产生。钙化区域中平滑肌细胞减少，T细胞增加，相邻区域中巨噬细胞增加。

6. 钙化平滑肌细胞的定义以及驱动平滑肌细胞表型转化的转录因子调节网络的构建

研究团队基于GWAS分析获得了与钙化相关基因，结果表明，平滑肌细胞和成纤维细胞的基因评分较高，由此得出结论，平滑肌细胞和成纤维细胞是参与血管钙化的主要细胞。血管钙化的核心过程主要是由平滑肌细胞向成骨性平滑肌细胞转化。

7. 平滑肌细胞亚群的定义

研究团队定义了收缩性平滑肌细胞、CXCL3+平滑肌细胞、APOE +平滑肌细胞、合成性平滑肌细胞等不同亚群，并通过经典钙化基因的鉴定以及经典成骨细胞相关基因的多基因评分，将成骨细胞样平滑肌细胞鉴定为IGFBP2+平滑肌细胞的一部分。

8. 平滑肌细胞表型转化趋势及根源的定义

研究团队利用TFvelo（基于转录调控的RNA速度推理方法）和Monocle3（拟时序分析）等工具分析了平滑肌细胞的表型转化趋势，并定义了平滑肌细胞的根细胞。研究发现，平滑肌细胞在糖尿病血管病变中可以转化为多种不同表型的细胞，包括促炎症趋化平滑肌细胞、类巨噬细胞平滑肌细胞、泡沫样平滑肌细胞以及成纤维细胞/软骨细胞样平滑肌细胞。此外，研究还通过TRRUST数据库和DoRothEA（转录因子活性预测工具）方法，识别了可能驱动这些表型变化的转录因子。

9. 糖尿病中的代谢激活网络和代谢重编程

研究团队通过比较不同血管的代谢途径，发现了血管组织特异性的代谢途径。α-亚麻酸和亚油酸代谢在外膜中富集，叶酸生物合成在钙化区域中特异性表达，O-糖链生物合成在斑块中特异性表达，初级胆汁酸生物合成在斑块中特异性表达。某些途径，例如花生四烯酸代谢在斑块和外膜中共表达。研究团队通过整合基因表达和富集的代谢途径以及通过空间代谢组学鉴定出的代谢物，绘制了糖尿病血管代谢激活网络。为验证这些代谢途径的激活情况，研究团队对已知基因的表达和代谢水平进行了蛋白质水平验证，确认了ALDH1B1、NDUFA4L2、SDS、SCD、FBP1和PLA2G2A等基因在特定细胞类型中的表达与糖尿病血管病变的代谢途径激活相一致。

研究团队为进一步探究糖尿病血管中的代谢重编程，引入了GSE250283数据集的差异表达分析，发现糖尿病患者血管中CYP27A1和HNMT的表达高于健康人。通过比较糖尿病截肢者和非糖尿病（车祸）截肢者的组织切片，发现尽管羟甲基转移酶（HNMT）和细胞色素P450 27A1（CYP27A1）的平均光密度（AOD）在两组间无显著差异，但阳性区域面积有显著区别，表明这两种蛋白在糖尿病血管中的表达更广泛。

研究意义

王中群教授团队的研究通过构建糖尿病大血管病变的多组学图谱，揭示了血管钙化的特征、平滑肌细胞的表型转化趋势以及平滑肌细胞表型转化的转录驱动网络。研究从整合转录组和代谢组的角度，展示了糖尿病血管中激活的代谢通路以及参与糖尿病代谢重编程的关键基因。研究为代谢相关药物的应用提供更精确的指导，并为平滑肌细胞表型转化和代谢重编程的进一步研究提供基础。

这项研究不仅展示了空间多组学技术在医学研究中的强大应用潜力，更为糖尿病血管病变的临床治疗和检测提供了新的方向和思路。