基于空间转录组学的子宫腺肌病病变分子特征、纤毛表型及免疫微环境研究
主要作者与发表信息
本研究由英国利物浦大学妇女与儿童健康系的Alison Maclean及其同事Emily Johnson、Corie Rushworth、Christopher J. Hill、Eva Caamaño Gutiérrez以及Dharani K. Hapangama共同完成。通讯作者为Alison Maclean。该研究成果于2026年6月24日发表在《Science Advances》期刊上。
研究背景
子宫腺肌病（adenomyosis）是一种常见的妇科疾病，影响全球高达五分之一的育龄女性。该病以异位的内膜样组织深入子宫肌层为特征，形成多细胞纤维化病变，导致月经过多、严重痛经、慢性盆腔痛及生育力低下等一系列严重影响患者身心健康的症状。然而，目前针对子宫腺肌病的临床治疗选择十分有限，主要依赖激素疗法进行症状管理，或采用侵入性的子宫切除术以达到根治目的。促性腺激素释放激素（GnRH）激动剂虽可诱导类绝经状态以治疗该病，但其引发的低雌激素副作用常使患者难以耐受。这种治疗困境的根源在于，学界对子宫腺肌病病变如何发生、持续存在及其与在位内膜（eutopic endometrium）差异的认知仍不完整。
人类子宫内膜在月经周期中表现出区域和细胞类型特异性的功能，表层的功能层（functionalis）与深层的基底层（basalis）具有不同的表型和对类固醇激素的反应。其中，基底层被认为是子宫内膜干/祖细胞的储存库，对每个周期再生功能层至关重要。关于子宫腺肌病病变的形成，虽存在子宫内膜基底层内陷和肌层干细胞化生等多种假说，但均未得到确切证实。传统的分子图谱技术如批量RNA测序（RNA-seq）和单细胞RNA测序虽提供了一些洞见，但由于破坏了组织空间结构，难以捕捉病变中复杂的多细胞相互作用和微环境信号。空间转录组学（spatial transcriptomics）技术的出现，使得在完整组织切片上高分辨率绘制基因表达图谱成为可能，能够在保留空间背景的前提下，同步比较同一患者的异位病变与在位内膜各亚区的分子特征。
本研究旨在利用细胞类型特异性的数字化空间表达谱技术，系统解答“与同一子宫内位置正确的内膜相比，子宫腺肌病病变在分子层面究竟有何不同”这一核心科学问题，以期揭示驱动病变形成和维持的机制，并鉴定可用于开发病变特异性、保留子宫的疗法的候选靶点。
详细研究流程
本研究纳入了10名因子宫腺肌病接受子宫切除术的患者，所有患者均处于月经周期的分泌期，且术前三个月内未接受过激素治疗。组织病理学检查确认所有病例均为内在型子宫腺肌病（intrinsic adenomyosis）。研究者从切除的子宫中前瞻性地收集全层子宫内膜活检组织及包含子宫腺肌病病变的匹配肌层组织。实验设计为患者自身对照，即比较同一患者的在位内膜、腺肌病病变与肌层组织，以控制个体间差异。
在实验流程上，研究团队首先将福尔马林固定、石蜡包埋（FFPE）的组织切片与荧光标记抗体及细胞核染料孵育，以标记不同细胞类型。随后，利用NanoString GeoMx数字化空间表达谱平台，依据组织学特征和免疫荧光标记，在数字图像上精确选取了多个感兴趣区域（ROIs），包括：宫腔上皮（luminal epithelium）、内膜功能层、内膜基底层、腺肌病病变以及两个不同位置的肌层区域（分别位于子宫内膜-肌层交界处400微米内，以及最接近腺肌病病变处400微米内）。在每个区域内，进一步根据标志物表达区分并收集了不同细胞类型的转录组信息：上皮细胞（panCK+）、白细胞（CD45+）、内皮细胞（CD31+）和基质细胞（panCK−/CD45−/CD31−）。肌层细胞虽与基质细胞共享标志物阴性特征，但通过其明确的肌层空间位置进行区分。
样本通过GeoMx平台进行光切割和寡核苷酸收集，随后进行文库制备，并在Illumina NovaSeq系统上进行测序。数据分析利用R语言环境及NanoString开发的专用包完成。分析流程包括：对数据进行严格的质量控制和标准化处理；采用主成分分析（PCA）和t分布随机邻域嵌入（t-SNE）等方法进行数据探索和样本聚类可视化；使用limma包进行差异基因表达（DEGs）分析，并利用其duplicateCorrelation方法控制来自同一患者的重复测量数据；通过基因集富集分析（GSEA）鉴定病变中富集和耗竭的生物学通路；使用NicheNet算法预测细胞间通讯中的配体-受体相互作用及其调控潜力；通过将病变的基因表达特征与LINCS数据库进行比对，进行基于转录组特征的计算机药物筛选（in silico drug screening），以寻找能逆转病变特征的候选化合物。此外，研究者还利用公开的单细胞测序数据，通过反卷积分析估算了每个感兴趣区域中多种细胞亚群的相对丰度，并通过免疫荧光和免疫组织化学技术对关键发现（如纤毛细胞和免疫细胞比例）进行了组织学验证。
主要研究结果
1. 腺肌病病变与内膜基底层的转录组相似性及中间态身份 研究通过差异基因表达分析发现，腺肌病病变的基因表达谱与匹配的子宫内膜基底层更为相似，而与功能层差异显著。这一趋势在所有细胞类型中均存在，但在上皮和基质细胞中尤为突出。病变上皮细胞中干细胞标志物ALDH1A1表达上调，而MT2A和BTG2相较于功能层下调；病变基质细胞中平滑肌收缩相关基因（ACTG2、MYH11、ACTA2）上调，而纤溶抑制因子SERPINE1下调。更为关键的是，与匹配的肌层相比，病变基质中平滑肌细胞（USMCs）比例显著降低，而蜕膜化基质细胞（DSCs）、内膜基质细胞（ESCs）及成纤维细胞C7亚型等的比例显著升高，平滑肌收缩相关基因表达也介于在位内膜基质与肌层之间。这揭示了一个连续的基因表达梯度，确认了腺肌病病变具有一种分子杂交身份，在转录组上介于其起源组织（内膜）和着床部位（肌层）之间，且这种分子差异的程度随距离病变的增加而增大。
2. 病变上皮细胞的纤毛增多现象 相比于在位内膜功能层和基底层，腺肌病病变上皮显著富集了与轴丝组装、纤毛运动和组织、微管束形成等相关的基因集。细胞反卷积分析和α-微管蛋白免疫荧光染色均证实，病变中纤毛上皮细胞比例（中位数4.9%）显著高于功能层（0.88%）和基底层（1.83%），但低于纤毛细胞最丰富的宫腔上皮（11.92%）。与此一致，纤毛相关基因（RSPH1、RILPL2、TEKT2）在病变上皮中表达上调。同时，NOTCH信号通路在病变上皮中显著负向富集，这为纤毛细胞分化的增加提供了分子机制解释，因为NOTCH信号的减弱已知可促进纤毛细胞分化。
3. 富集的嗅觉信号和受损的线粒体通路 对免疫细胞和内皮细胞的基因集富集分析揭示了一些非经典通路的变化。在腺肌病病变的免疫细胞和内皮细胞中，嗅觉受体活性及嗅觉感知相关信号通路被正向富集，提示异位表达的嗅觉受体可能在病变病理生理中扮演新角色。与此同时，病变内皮细胞中与线粒体功能相关的基因（如MDH2、COX7A2、UQCRC1）显著下调，且“线粒体内膜蛋白复合体”等基因集负向富集，这强烈表明病变内皮存在氧化磷酸化和ATP合成的功能障碍，可能发生了向有氧糖酵解（Warburg效应）的代谢转换。
4. 改变的免疫微环境与细胞间通讯 细胞反卷积显示，与在位内膜功能层和基底层相比，腺肌病病变基质中的白细胞亚群构成发生了显著变化，表现为B细胞、CD8+ 细胞毒性T细胞、CD4+ 辅助T细胞和树突状细胞的估计比例显著增加，而免疫祖细胞减少。免疫荧光染色验证了CD3+CD8+细胞毒性T细胞在病变基质中比例的增加。此外，CD68免疫组化显示，巨噬细胞在病变上皮内的浸润数量显著增多，与基底层内膜相似，提示其在病变病理中的作用。 细胞间通讯分析进一步揭示了驱动这些改变的分子对话。在病灶中，免疫细胞和内皮细胞以及肌层细胞取代了基质细胞，成为主要的信号发送者，而上皮细胞则成为主要的信号接收者。关键的通路包括：免疫细胞通过TNFSF10配体调控上皮细胞中的DUSP1、FOS、JUNB等应激和炎症相关基因；免疫细胞的SERPINE1通过调控上皮的VEGFA表达，促进血管新生与纤维化；肌层细胞的TNFSF10和CADM4分别对病变上皮和免疫细胞具有强大的调控潜力，可能促进了异位内膜细胞的适应和整合。
5. 计算机模拟筛选的候选治疗药物 基于逆转病变特异性基因表达谱的能力，研究者筛选并优先考虑了几种候选化合物。其中，CGP-55845（GABAB受体拮抗剂）和WYE-354（选择性mTOR抑制剂）在不同细胞类型和区域比较中均表现出一致且稳定的逆相关效应。特别是WYE-354，考虑到PI3K/AKT/mTOR通路在子宫内膜异位症和腺肌病病理生理中的核心作用，其作为mTOR抑制剂的潜力尤其引人关注，表明mTOR可能成为子宫腺肌病的一个可作用治疗靶点。
研究结论与价值
本研究首次通过高分辨率的空间转录组学技术，全面描绘了子宫腺肌病病变与同一患者匹配的在位内膜各亚区及肌层的细胞类型特异性转录组图谱。研究结论明确指出，子宫腺肌病病变并非简单的在位内膜异位，而是一种具有独特“杂交”分子身份的实体，其转录组特征更接近子宫内膜基底层，同时受到着床部位肌层环境的深刻影响。
该研究的科学价值在于，它为子宫腺肌病的“基底细胞内陷”起源假说提供了强有力的分子证据，并首次从空间维度揭示了肌层微环境对病变形成和维持的直接调控作用。通过系统分析，研究阐明了病变中上皮纤毛异常增多、代谢重编程、免疫微环境向适应性免疫和慢性炎症偏移等多项全新的分子病理机制，并精准描绘了驱动这些变化的细胞间通讯网络。其应用价值在于，为开发能够靶向病变且不损伤正常在位内膜的非激素类、保留生育功能的精准疗法奠定了坚实的分子基础。计算机药物筛选识别出的候选化合物，尤其是mTOR抑制剂，为后续的药物重定位和靶向治疗研究指明了充满希望的新方向。
研究亮点