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该研究由Aileen A. Ren、Daniel A. Snellings、Sophie Y. Su等多位作者共同完成，主要机构包括宾夕法尼亚大学医学院、杜克大学医学院、马克斯·普朗克心肺研究所等。研究发表于《Nature》期刊，最终编辑版本于2021年6月发布，PMC版本于2021年11月26日上线。
该研究聚焦于血管畸形（vascular malformations），特别是脑部海绵状血管瘤（cerebral cavernous malformations, CCMs）。CCMs是一种在中枢神经系统中常见的血管畸形，可能导致中风和残疾。尽管已知CCMs与Krit1、CCM2和PDCD10基因的双等位基因功能丧失（loss of function, LOF）有关，但为什么某些CCMs会突然快速生长并引发临床症状仍不清楚。研究团队提出，CCMs的生长可能与PI3K-mTOR信号通路的增强以及CCM功能的丧失有关。他们旨在揭示CCMs的分子机制，并探索可能的治疗方法。
研究分为多个步骤，主要包括以下内容：
小鼠模型构建与实验
研究团队通过基因编辑技术构建了多种小鼠模型，包括Krit1基因敲除小鼠和PIK3CA功能获得（gain of function, GOF）突变小鼠。他们使用Cdh5-CreERT2和Slco1c1-CreERT2等工具在小鼠内皮细胞中特异性诱导基因突变。实验对象包括新生小鼠和成年小鼠，通过他莫昔芬（tamoxifen）或腺相关病毒（AAV）注射诱导基因表达。研究团队对小鼠的脑部、睾丸等器官进行了组织学分析和显微CT成像，以评估CCM病变的形成。
人类CCM样本的基因测序
研究团队对79例手术切除的人类CCM样本进行了基因测序，分析了66个基因，包括CCM基因和PIK3CA。他们还对68例脑动静脉畸形（BAVMs）样本进行了对照分析。通过单细胞核DNA测序（single-nucleus DNA sequencing, snDNA-seq），研究团队确定了PIK3CA和CCM基因突变是否在同一细胞中发生。
分子机制研究
研究团队通过免疫组化、Western blot和qPCR等技术，分析了PI3K-mTOR信号通路在CCM形成中的作用。他们发现，CCM功能丧失和PIK3CA功能获得均可导致mTORC1信号通路的激活。此外，他们还研究了转录因子KLF4在CCM形成中的作用，发现KLF4的表达增加可增强PI3K-mTOR信号通路。
药物治疗实验
研究团队使用mTORC1抑制剂雷帕霉素（rapamycin）治疗小鼠模型，评估其对CCM病变的抑制作用。实验结果显示，雷帕霉素显著减少了CCM病变的形成和生长。
小鼠模型中的CCM病变
在新生小鼠中，Krit1基因敲除和PIK3CA功能获得突变均可导致CCM病变的形成。特别是在成年小鼠中，同时诱导Krit1功能丧失和PIK3CA功能获得突变可迅速形成典型的CCM病变。研究团队还发现，睾丸是成年小鼠中唯一形成CCM病变的器官。
人类CCM样本中的基因突变
在79例人类CCM样本中，71%的样本检测到PIK3CA功能获得突变，30%的样本检测到CCM基因突变。单细胞核DNA测序结果显示，PIK3CA和CCM基因突变通常发生在同一细胞中，表明这些突变在CCM病变的形成中具有协同作用。
PI3K-mTOR信号通路的激活
研究团队发现，CCM功能丧失和PIK3CA功能获得均可导致mTORC1信号通路的激活。KLF4的表达增加进一步增强了这一信号通路，表明KLF4在CCM形成中发挥了重要作用。
雷帕霉素的治疗效果
在小鼠模型中，雷帕霉素显著抑制了CCM病变的形成和生长。研究团队发现，雷帕霉素通过抑制mTORC1信号通路发挥作用，且其治疗效果与KLF4的表达无关。
该研究揭示了CCM病变形成的分子机制，提出了一种类似于癌症的“三重打击”模型：CCM基因的功能丧失和PIK3CA基因的功能获得共同导致血管畸形的快速生长。这一发现不仅深化了对CCM病理机制的理解，还为临床治疗提供了新的思路。研究结果表明，mTORC1抑制剂如雷帕霉素可能成为治疗CCM的有效药物，特别是对于那些无法通过手术切除的病变。
重要发现
研究首次揭示了PIK3CA功能获得突变在CCM病变形成中的关键作用，并提出了“三重打击”模型。
方法创新
研究团队开发了多种基因编辑小鼠模型，并首次在人类CCM样本中进行了单细胞核DNA测序，为研究CCM的分子机制提供了新的技术手段。
临床应用价值
研究结果表明，mTORC1抑制剂如雷帕霉素可能成为治疗CCM的有效药物，为临床治疗提供了新的选择。
研究团队还发现，CCM病变通常发生在已有发育性静脉异常（developmental venous anomalies, DVAs）的部位，这为CCM的发病机制提供了新的线索。此外，研究团队开发的基因编辑小鼠模型和单细胞核DNA测序技术为未来研究血管畸形提供了重要的工具。
通过这项研究，研究团队不仅揭示了CCM病变的分子机制，还为临床治疗提供了新的思路，具有重要的科学和临床应用价值。