学术研究报告：椎间盘退变中核心衰老相关基因的鉴定及免疫景观的全面表征

第一作者及机构
本研究由南京医科大学无锡医学中心的Qiang Xu、Zeshuang Lian、Aoting Wang等团队完成，通讯作者为Junfang Wang（邮箱：wjf801109@163.com）。论文于2025年9月22日发表于《International Journal of Genomics》（卷2025，文章ID 2521994），开放获取，遵循知识共享许可协议。

学术背景
椎间盘退变（Intervertebral Disc Degeneration, IVDD）是一种与年龄和免疫反应密切相关的肌肉骨骼退行性疾病，其发病机制涉及机械应力、炎症、细胞衰老（senescence）及细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）降解。全球约6.37亿人受下腰痛困扰，其中IVDD是主要病因。尽管已知衰老标志物（如p16INK4A）和衰老相关分泌表型（Senescence-Associated Secretory Phenotype, SASP）在IVDD中作用显著，但其具体机制及免疫微环境的变化仍不明确。本研究旨在通过多组学方法鉴定IVDD中的核心衰老相关基因（Senescence-Related Genes, SRGs）和免疫细胞浸润特征，为诊断和治疗提供新靶点。

研究流程与方法
1. 数据获取与预处理
- 从GEO数据库下载两个基因表达数据集（GSE23130和GSE15227），共38例人类椎间盘样本（27例对照组，11例退变组），按Thompson分级分组。
- 使用R包limma和sva进行批次效应校正和标准化，主成分分析（PCA）验证分组有效性。

1. 差异表达基因（DEGs）与功能富集

   • 筛选出568个DEGs（518个上调，50个下调），通过GO和KEGG分析发现其富集于核糖体功能、ECM结构组成等通路。
     
   • 从人类衰老基因组资源库（HAGR）获取543个SRGs，与DEGs取交集得到28个衰老相关差异表达基因（SRDEGs）。
     

2. 加权基因共表达网络分析（WGCNA）

   • 构建共表达网络，筛选出与IVDD最相关的蓝色模块（1999个基因），进一步与SRDEGs交集得到8个IVDD-SRDEGs（如CTGF、GSK3A）。
     

3. 机器学习筛选核心基因

   • 结合LASSO回归和随机森林算法，最终鉴定出两个核心基因：CTGF（结缔组织生长因子）和GSK3A。
     
   • 构建列线图（Nomogram）模型显示，CTGF对IVDD的诊断价值显著（AUC=0.8361）。
     

4. 单细胞RNA测序验证

   • 分析数据集GSE144889的54,373个细胞，发现退变组中CTGF在髓核细胞（NPCs）中表达显著上调，且免疫细胞（B细胞、T细胞、巨噬细胞）浸润在轻度退变组更明显。
     
   • 伪时间轨迹分析揭示NPCs向纤维化亚型分化，伴随ECM成分（如COL2A1）下降。
     

5. 体外细胞模型验证

   • 用IL-1β处理人及大鼠NPCs建立退变模型，Western blot证实CTGF蛋白表达升高，衰老标志物SA-β-gal活性增强。
     

主要结果
1. CTGF的核心作用：其在退变椎间盘组织中表达上调，与ECM降解和纤维化相关，且诊断潜力显著。
2. 免疫微动态：轻度退变阶段免疫细胞（如M1型巨噬细胞）浸润更活跃，而重度退变中免疫细胞减少，提示可能存在“免疫耗竭”状态。
3. 单细胞层面证据：退变NPCs中CTGF与COL2A1表达呈负相关，支持其促纤维化作用；巨噬细胞表型从促炎M1向修复型M2转变。

结论与价值
本研究首次整合多组学方法，揭示CTGF是IVDD衰老进程的关键调控因子，其高表达可作为诊断标志物。免疫浸润的动态变化为理解IVDD病理进程提供了新视角：早期炎症反应可能驱动退变，而晚期免疫抑制或阻碍修复。科学价值在于阐明了衰老与免疫的交互机制，应用价值体现在CTGF的临床诊断潜力及未来靶向治疗的可能性。

研究亮点
1. 多方法交叉验证：结合WGCNA、机器学习、单细胞测序和体外实验，系统性筛选并验证靶点。
2. 免疫景观创新发现：首次揭示IVDD不同阶段的免疫细胞动态变化，提出“免疫耗竭”假说。
3. CTGF的转化潜力：其诊断模型（AUC>0.83）为临床检测提供新工具。

其他价值
研究局限性包括样本量较小（需多中心验证）及动物模型缺失。未来需通过基因敲除实验进一步解析CTGF下游通路，并开发靶向递送系统（如纳米颗粒）以探索治疗潜力。

（注：全文约2000字，符合要求范围）