本研究由王晓帅（Xiaoshuai Wang）、刘毅（Yi Liu）、孙紫英（Ziying Sun）等多位研究者共同完成，主要通讯作者为Zhong Alan Li、Dongquan Shi及Changhai Ding。研究团队来自中国南方医科大学珠江医院临床研究中心、香港中文大学生物医学工程系、南京大学医学院附属鼓楼医院等机构。论文发表于 Advanced Science 期刊，于2025年12月7日在线发表，DOI为10.1002/advs.202512020。
该研究属于骨关节炎（osteoarthritis，OA）与肠道微生物组交叉领域。膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）长期被视为一种低度无菌性炎症性疾病，而膝关节滑膜炎（knee synovitis）在KOA的病因与进展中发挥重要作用，但其发病机制尚不明确。近年研究表明，肠道菌群失调（gut microbiota dysbiosis）可通过代谢产物与宿主先天免疫系统互作，诱导系统性炎症，从而形成“肠-关节轴”（gut-joint axis）。然而，既往研究多采用16S rRNA扩增子测序或有限代谢物检测，缺乏对膝关节滑膜炎中肠道菌群失调、宿主免疫代谢紊乱及其与滑膜组织直接证据的系统性多组学研究。因此，本研究旨在整合粪便宏基因组、血清代谢组和血浆蛋白质组等多组学数据，结合滑膜单细胞测序、滑液蛋白质组学、组织学及体外实验，揭示膝关节滑膜炎的“肠-关节轴”机制并探索潜在治疗靶点。
研究共包含两个队列与多个层次的实验流程。第一个队列为珠江骨关节炎队列（Pearl River Osteoarthritis Cohort，PROC），纳入207名受试者，其中87例经磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）诊断为膝关节滑膜炎，120例为对照。所有受试者均采集粪便、血清和血浆样本。粪便样本进行鸟枪法宏基因组测序（shotgun metagenomic sequencing），经KneadData流程质控、Trimmomatic过滤、Bowtie2去宿主后，利用MetaPhlAn 4.0和HUMAnN 3.0进行物种与功能注释。血清样本进行超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）非靶向代谢组学检测，共鉴定703种代谢物，质控后保留527种。血浆样本采用Olink Target 96炎症panel检测92种炎症相关蛋白，质控后75种蛋白进入分析。滑膜炎通过MRI根据MOAKS评分系统评估，分为Hoffa滑膜炎和积液滑膜炎，总分≥2分定义为滑膜炎。统计分析采用偏Spearman相关、MaAsLin2差异丰度分析以及随机森林、XGBoost、支持向量机和K近邻四种机器学习算法构建预测模型。
第二个队列为南京骨关节炎队列（Nanjing Osteoarthritis Cohort，NOC），纳入22例接受全膝关节置换术的患者。收集其滑膜组织和滑液，滑液进行蛋白质组学检测，滑膜组织进行苏木精-伊红（H&E）染色和多重免疫组化（multiplex immunohistochemistry，mIHC）染色，并分离人成纤维样滑膜细胞（fibroblast-like synoviocytes，FLS）进行体外培养，用不同浓度重组TWEAK蛋白处理，检测TWEAK受体（TWEAKR，TNFRSF12A）表达变化。此外，研究还利用公共单细胞RNA测序数据集GSE176308，选择4例低级别滑膜炎和4例高级别滑膜炎OA患者的滑膜成纤维细胞进行重分析，共识别2518个细胞和6个细胞亚群。
宏基因组结果显示，滑膜炎组与对照组在α多样性上无显著差异，但β多样性显著不同。滑膜炎组厚壁菌门/拟杆菌门（Firmicutes/Bacteroidetes，F/B）比值显著升高。在种水平上，Bacteroides stercoris显著减少，而Ruminococcus gnavus虽在种水平有差异但各分类层级未达显著，推测F/B比值升高主要由拟杆菌门下降驱动。血清代谢组学发现9种代谢物显著改变，其中3-羟基异戊酸（3-hydroxyisovaleric acid，3-HIA）升高，而香叶酸（geranic acid）降低。肠道微生物功能分析显示，与亮氨酸降解（valine, leucine and isoleucine degradation）和香叶醇降解（pinene, camphor and geraniol degradation）相关的KEGG同源基因（KOs）如K01782、K01825等发生显著改变，且与上述代谢物变化显著相关。血浆蛋白质组学显示，FGF-23和IL-17C在滑膜炎组升高，而TWEAK降低。相关性分析表明，F/B比值升高与香叶酸降解和3-HIA生成相关KOs正相关，K01825与TWEAK负相关。
单细胞测序分析发现，TWEAKR在cluster 5中高表达，该亚群特征基因为PCLAF和TYM，且TWEAKR在高级别滑膜炎细胞中表达更高。NOC队列组织学和mIHC证实，TWEAKR主要在高级别滑膜炎滑膜中表达，并与PCLAF及PDPN（衬里层标志物）共定位，而非THY1（亚衬里层标志物）。体外实验显示，随着TWEAK浓度从100 ng/mL升至200 ng/mL，FLS中TWEAKR表达反向下降。滑液蛋白质组学功能分析显示高级别滑膜炎与免疫反应增强和抗氧化能力受损相关。基于TCMSSD数据库预测，17β-雌二醇为最具潜力的TWEAKR靶向成分，其次为槲皮素。机器学习模型显示，整合多组学特征的预测模型AUC为0.74至0.77，优于单一组学模型。
本研究首次揭示了膝关节滑膜炎的“肠-关节轴”机制：肠道菌群失调导致F/B比值升高，驱动香叶酸过度降解和3-HIA过度生成，进而引起循环TWEAK减少和滑膜TWEAKR表达上调，最终促进滑膜炎症。这一发现为滑膜炎治疗提供了新靶点，如补充香叶酸或亮氨酸、调节F/B比值、靶向TWEAK-TWEAKR通路等。研究还建立了基于多组学特征的非侵入性预测模型，具有潜在临床应用价值。
本研究的亮点在于：首次将MRI检测的膝关节滑膜炎与多组学整合，区分Hoffa滑膜炎和积液滑膜炎；首次发现F/B比值升高与香叶酸/3-HIA代谢紊乱及TWEAK-TWEAKR轴异常相关；利用单细胞测序、mIHC和体外实验提供滑膜组织直接证据；构建了多算法机器学习预测模型。研究的局限性包括横断面设计无法确立因果关系、样本量有限且为单一地区人群、未使用对比增强MRI等。