單細胞解析揭示近視多器官共享的促炎巨噬細胞特征及低氧通路機制

《Cell Discovery》：Single-cell profiling reveals a shared proinflammatory macrophage signature across multiple organs in myopia

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月03日 來源：Cell Discovery 12.5

　　

在全球范圍內，近視已成為導致視力損害的主要原因，其患病率迅速上升。傳統上，近視被視為一種局部的眼部疾病，主要關注眼球本身的屈光異常。然而，近年來的研究發現，近視眼中存在炎癥性微環境，淚液和房水中促炎細胞因子水平升高，視網膜和鞏膜中炎癥浸潤增加。更引人注目的是，越來越多的證據表明，近視可能與眼外器官存在關聯。例如，研究發現近視與焦慮之間存在聯系，暗示了眼-腦通訊的作用；近視患者的腸道微生物群失調也提示了眼-腸軸的可能參與。這些發現表明，近視可能涉及超越眼部組織的病理過程，其系統性影響可能與炎癥機制相關。然而，近視與其他器官疾病之間的聯系研究甚少，更不用說共享的潛在機制。

為了深入探索近視的系統性病理機制，研究人員在《Cell Discovery》上發表了最新研究成果。他們假設近視可能涉及多器官的交叉對話，并利用單細胞RNA測序(scRNA-seq)技術，構建了近視小鼠的多器官轉錄組圖譜，旨在揭示近視過程中的免疫學改變及其跨器官共享機制。

研究人員首先成功建立了近視小鼠模型，通過在小鼠雙眼前附加-25D透鏡4周，誘導產生顯著的近視屈光狀態和眼軸延長。隨后，他們從15種組織中分離細胞，包括眼部(脈絡膜/視網膜)、腦部(初級視覺皮層/外側膝狀體/海馬)、免疫組織(外周血單核細胞/骨髓/脾臟/胸腺)以及其他器官(小腸/大腸/肝臟/腎臟/肺/腎上腺)，并進行了scRNA-seq分析。經過質量控制后，共保留了200,127個合格細胞進行深入分析。

研究發現，近視誘導了小鼠全身性的免疫學改變。通過計算各組織中"炎癥反應"標志基因集的富集分數，發現多個器官的炎癥反應評分一致上調，特別是在視網膜、大腸、肝臟和腎臟中。這表明免疫細胞可能在近視中發揮關鍵作用。進一步分析顯示，近視組與對照組相比，在多個組織中顯示出不同的細胞分布，尤其是免疫細胞分布。具體而言，在近視小鼠的多個組織(如外周血單核細胞、骨髓、脾臟、小腸、大腸和肝臟)中，巨噬細胞的數量呈現增加趨勢。

為了深入探索近視小鼠不同組織間共享的免疫學改變，研究人員對免疫細胞(CD45+)進行了整合聚類分析。免疫細胞被分為七種主要類型：巨噬細胞、T細胞、B細胞、自然殺傷(NK)細胞、樹突狀細胞(DCs)、嗜酸性粒細胞和中性粒細胞；巨噬細胞進一步細分為單核細胞來源的巨噬細胞和常駐巨噬細胞。值得注意的是，巨噬細胞和常駐小膠質細胞顯示出與光刺激檢測和視覺感知相關基因的富集。在免疫細胞中，巨噬細胞的百分比在近視小鼠的多個組織(包括脈絡膜、外周血單核細胞、骨髓、小腸、大腸和肝臟)中顯著升高，這突出了近視誘導的跨多個組織免疫細胞組成中巨噬細胞豐度的一致性增加。

研究人員進一步研究了巨噬細胞的基因表達模式。免疫細胞差異表達基因(DEGs)分析顯示，共有27,452個上調和33,137個下調的DEGs，其中分別有40.6%和37.5%來自巨噬細胞。在免疫細胞中，巨噬細胞表現出最高數量的DEGs，包括視網膜和腦中的小膠質細胞、常駐巨噬細胞以及單核細胞來源的巨噬細胞。此外，小膠質細胞在近視小鼠的初級視覺皮層和海馬中顯示出特別高的DEGs頻率，而巨噬細胞在外周血單核細胞、大腸和腎臟中顯示出顯著高的DEGs頻率。在這些免疫相關DEGs中，上調最顯著的基因是Car1，該基因編碼一種與巨噬細胞活性低氧相關調節相關的鋅金屬酶碳酸酐酶，在小腸、肝臟和腎臟中共享。此外，細胞通訊模式也顯示，與對照組相比，近視組中巨噬細胞之間以及巨噬細胞與上皮細胞之間的配體-受體相互作用活性顯著更高。

為了闡明近視小鼠中巨噬細胞的具體表型，研究人員進一步將巨噬細胞分為17個亞群。與對照組相比，近視組顯示促炎亞群(如Macro_Apoc1、Macro_S100a等)顯著增加，而抗炎亞群(如Macro_Chil3、Macro_Glul等)減少。特別是在近視組炎癥反應富集評分較高的組織中，觀察到促炎巨噬細胞亞群的一致性增加和抗炎亞群的減少。視網膜巨噬細胞顯示促炎亞群Macro_Sag增加和亞群Macro_Glul減少。近視組巨噬細胞在大腸中上調了促炎性Ifitm3/6、Apoc1和Bst2-Siglech，在肝臟中上調了促炎性ly6c1、Apoc1和S100a，在腎臟中上調了ly6c1和S100a。因此，除了近視小鼠巨噬細胞豐度增加和基因表達模式改變外，研究人員進一步闡明近視誘導的巨噬細胞在多個組織中主要呈現促炎表型。

為了揭示可能導致上述巨噬細胞促炎表型的分子通路，研究人員評估了近視小鼠巨噬細胞中的調控通路和基因。有趣的是，這些巨噬細胞在代謝相關通路中表現出比非代謝通路更高的變異。在以炎癥表型為主的組織中，如腸道、肝臟、腎臟和視網膜，糖酵解、碳和丙酮酸代謝等通路上調，而氧化磷酸化下調，提示低氧相關能量代謝與巨噬細胞促炎表型之間存在聯系。此外，調控轉錄因子，如小腸中的Cdx2和肝臟中的Atf4(兩者均參與低氧通路)在近視中被激活。在關鍵調控基因方面，低氧相關的Car1(如前所述在免疫細胞中上調)也是近視小鼠巨噬細胞中上調最顯著的基因。它主要在小腸、肝臟和腎臟中表達。值得注意的是，Car1主要在促炎巨噬細胞亞群(包括Macro_Apoc1和Macro_S100a)中上調。這些結果表明低氧通路可能在近視的巨噬細胞中被廣泛激活。

此外，研究人員在蛋白質水平上驗證了近視中促炎巨噬細胞以及這些巨噬細胞中低氧通路相關基因的表達。通過免疫熒光和流式細胞術分析，他們觀察到近視小鼠腸道、肝臟和腎臟中CD68+巨噬細胞的比例顯著增加，并且這些巨噬細胞中Car1的表達上調，特別是在4周時。隨著近視的進展，促炎巨噬細胞及其低氧反應基因Car1的表達也逐漸增加。此外，他們還發現腸道、脾臟、肝臟和腎臟巨噬細胞中低氧誘導因子HIF-1α的表達上調，以及其上游因子ROS(可增加和穩定HIF-1α)的水平增加，特別是在近視小鼠的大腸和肝臟巨噬細胞中。這些發現表明，激活的低氧通路可能是跨組織巨噬細胞促炎表型的共享特征。

重要的是，通過系統性使用紅景天苷(salidroside)抑制近視小鼠的低氧通路，研究人員發現，與注射生理鹽水的組相比，近視小鼠大腸、肝臟和腎臟中CD68+巨噬細胞的比例以及這些巨噬細胞中Car1和HIF-1α的上調表達顯著降低。此外，紅景天苷治療組的屈光近視程度低于生理鹽水組。結果表明，通過系統性抑制低氧通路，在多個近視組織中觀察到的巨噬細胞促炎表型受到抑制，這再次證實了激活的低氧通路在近視系統性促炎巨噬細胞改變中的作用。

為了進一步在人類中確認促炎巨噬細胞的共享特征，研究人員通過流式細胞術發現，與無近視者相比，近視患者血液中促炎巨噬細胞(CD68+)的比例增加，以及低氧相關Car1、Hif-1α和ROS的表達上調。為了進一步驗證低氧通路在人類促炎巨噬細胞中的作用，他們進行了體外實驗。在低氧條件下培養48小時的人類巨噬細胞顯示出與低氧(Hif-1α)、炎癥(Tnf-α、iNos)和糖酵解(Glut1、Hk2、Pkm2)相關基因的表達水平顯著升高。這些結果表明低氧可以增強糖酵解過程并驅動人類巨噬細胞的促炎極化，這與上述動物實驗的結果一致。

盡管在近視小鼠和人類的多個器官中發現了促炎巨噬細胞共享的低氧相關特征，但其臨床相關性仍不清楚。為了驗證近視與其他器官疾病之間的臨床聯系，基于英國生物銀行(UK Biobank)114,661名參與者的數據，研究人員比較了對照組和近視組之間989種疾病表型的發病率。總共確定了16種近視偏向患病率的眼外疾病(10種調整后P<0.05；6種未調整P<0.05且調整后P值接近0.05)，被定義為近視相關疾病，包括早發性阿爾茨海默病、骨髓纖維化、肝纖維化等。此外，研究人員還在一個亞洲患者隊列中發現近視與腎臟疾病和過敏性鼻炎的患病率密切相關。有證據表明，促炎巨噬細胞在大多數上述近視相關疾病中起關鍵作用。

本研究主要應用了幾項關鍵技術方法：首先，通過在小鼠雙眼附加-25D透鏡成功建立了離焦誘導的近視小鼠模型，并利用自動偏心紅外折射計和眼部磁共振成像(MRI)驗證了模型的成功。其次，研究人員從15種小鼠組織中分離細胞，采用單細胞RNA測序(scRNA-seq)技術（基于10x Genomics Chromium平臺）構建了全面的多器官轉錄組圖譜，并對數據進行了嚴格的質控、整合聚類和細胞類型注釋分析。第三，利用免疫熒光染色和流式細胞術在蛋白質水平上驗證了關鍵發現，包括巨噬細胞標志物CD68、低氧相關蛋白Car1和HIF-1α的表達。第四，通過體外實驗，將人類巨噬細胞（THP-1來源）置于低氧條件(1% O₂)下培養，評估低氧對巨噬細胞極化和代謝的影響。最后，基于英國生物銀行(UK Biobank)114,661名參與者的大規模臨床隊列數據，進行了疾病表型與近視關聯的流行病學分析。樣本隊列來源包括實驗動物（C57BL/6J小鼠）、人類外周血單核細胞(PBMCs)以及大型生物樣本庫（UK Biobank和KNHANES數據庫）的臨床數據。

Myopia induction generates pan-tissue immunologic alterations in mice

研究人員成功建立了近視小鼠模型，證實4周透鏡誘導可導致顯著屈光近視和眼軸延長。scRNA-seq分析涵蓋15種組織，鑒定出44種細胞類型。炎癥反應基因集富集評分顯示多個器官評分上調，特別是在視網膜、大腸、肝臟和腎臟，表明免疫細胞在近視中起關鍵作用。細胞分布分析揭示近視組免疫細胞分布改變，巨噬細胞在多個組織（如PBMC、骨髓、脾臟、腸道和肝臟）中呈現增加趨勢，表明近視誘導了廣泛的全身性免疫學改變。

Immunologic alterations exhibit consistently increased abundance and altered gene expression patterns of macrophages across most tissues in myopic mice

免疫細胞整合聚類分析顯示巨噬細胞比例在近視小鼠多個組織（脈絡膜、PBMC、骨髓、小腸、大腸和肝臟）中顯著升高。DEGs分析表明巨噬細胞（包括小膠質細胞和單核來源巨噬細胞）具有最高數量的差異表達基因，其中Car1是上調最顯著的基因，在腸道、肝臟和腎臟共享。細胞通訊分析顯示近視組巨噬細胞間及其與上皮細胞的相互作用活性增強。這些發現揭示了近視小鼠巨噬細胞在豐度和基因表達模式上均發生顯著改變。

Proinflammatory macrophage phenotype is shared across multiple tissues in myopic mice

巨噬細胞亞群分析發現近視組促炎亞群（如Macro_Apoc1, Macro_S100a）增加，抗炎亞群（如Macro_Chil3, Macro_Glul）減少。在炎癥評分高的組織中，此趨勢尤為明顯。例如，視網膜巨噬細胞促炎亞群Macro_Sag增加，腸道、肝臟和腎臟巨噬細胞分別上調特定促炎基因。這表明近視誘導的巨噬細胞在多個組織中呈現一致的促炎表型。

The proinflammatory macrophages in myopic mice are characterized by activation of hypoxia pathway

通路分析顯示近視小鼠巨噬細胞的代謝通路（如糖酵解）變異度高，在炎癥組織中糖酵解通路上調而氧化磷酸化下調。關鍵低氧相關基因Car1在巨噬細胞中上調最顯著，尤其在促炎亞群中富集。蛋白水平驗證證實CD68+巨噬細胞比例增加，且其Car1、HIF-1α和ROS表達上調，表明低氧通路激活是跨組織促炎巨噬細胞的共享特征。

Inhibition of hypoxia pathway can suppress the proinflammatory phenotype of macrophages across multiple tissues of myopic mice

使用紅景天苷抑制低氧通路后，近視小鼠腸道、肝臟和腎臟中CD68+巨噬細胞比例及其Car1和HIF-1α表達顯著降低，同時屈光近視程度減輕。這表明抑制低氧通路可逆轉巨噬細胞的促炎表型并減緩近視進展，證實了低氧通路在近視系統性改變中的關鍵作用。

Confirmation of the shared proinflammatory macrophage signature and its association with extraocular diseases in myopic patients

在人類中驗證發現近視患者血液中促炎巨噬細胞（CD68+）比例及低氧相關分子（Car1、HIF-1α、ROS）表達增加。體外實驗證實低氧可驅動人類巨噬細胞向促炎表型極化并增強糖酵解。臨床隊列分析揭示16種眼外疾病與近視患病率相關（如早發性阿爾茨海默病、骨髓纖維化等），且這些疾病多數已知與促炎巨噬細胞病理相關，提示了近視與全身性疾病通過巨噬細胞聯系的臨床證據。

本研究通過整合單細胞轉錄組學、動物模型、體外實驗和臨床隊列分析，首次系統揭示了近視中存在多器官交叉對話，其共享機制是低氧通路驅動的促炎巨噬細胞表型。這一發現突破了傳統上將近視視為局部眼病的局限，將其置于全身性炎癥疾病的框架下理解。研究不僅揭示了Car1/HIF-1α/ROS低氧通路在調控巨噬細胞能量代謝（糖酵解與氧化磷酸化平衡）和促炎極化中的核心作用，還通過干預實驗證明靶向低氧通路（如使用紅景天苷）可有效逆轉巨噬細胞表型和近視進展，為近視的系統性治療提供了新策略。

更重要的是，研究通過大規模臨床數據分析將近視與16種眼外疾病聯系起來，建立了近視與全身健康狀態的臨床關聯，提示監測血液中特定巨噬細胞亞群及其低氧相關基因表達可能成為評估近視進展和系統性炎癥風險的無創生物標志物。這項研究的意義在于將近視的病理機制從眼球局部擴展到全身系統，揭示了免疫代謝調節在近視發生發展中的重要作用，為開發針對近視及其相關全身并發癥的新型干預措施奠定了堅實的理論基礎，有望引領近視防治進入一個更全面、更精準的新時代。