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作者及研究机构
本研究由Tao Hong、Xiao Xiao、Jian Ren等共同完成，主要研究机构包括首都医科大学宣武医院神经外科、中国医学科学院阜外医院心血管疾病国家重点实验室以及浙江大学转化医学研究所。该研究于2021年3月17日发表在期刊《Brain》上。

学术背景
脑和脊髓海绵状血管畸形（Cavernous Malformations, CMs）是中枢神经系统中最常见的血管畸形之一，发病率约为0.16%-0.4%。其中85%的CMs为散发性，但其遗传背景尚不明确。以往的研究主要集中在家族性CMs，已知与CCM1、CCM2和CCM3基因的突变相关，而散发性CMs的遗传机制尚未被充分揭示。本研究假设散发性CMs可能由体细胞突变引起，并通过全外显子测序（Whole-Exome Sequencing, WES）等技术探索其遗传基础，旨在揭示散发性CMs的分子机制，并为临床分类和治疗提供依据。

研究流程
1. 研究对象与样本收集
研究纳入了2017年5月至2019年11月期间在北京宣武医院接受手术治疗的90例散发性CMs患者。通过MRI和病理检查确诊，并排除了家族性CMs患者。最终81例患者纳入分析，其中36例为脑部CMs，45例为脊髓CMs。

1. 全外显子测序（WES）与体细胞突变检测
   对81例患者的CMs组织进行WES，测序深度为200-300×。通过数字微滴PCR（Droplet Digital PCR, ddPCR）验证WES结果，并检测体细胞突变在CD31+（内皮细胞）和CD31-细胞中的分布频率。结果显示，73例（90.1%）患者携带MAP3K3和/或PIK3CA基因的体细胞错义突变。

2. 功能实验

   • 内皮细胞模型：在人类脐静脉内皮细胞（HUVECs）中过表达MAP3K3突变体（I441M），观察其对细胞增殖、迁移、血管形成和衰老的影响。结果显示，MAP3K3突变显著激活了ERK5、JNK和p38信号通路，并导致血管形成紊乱。
     
   • 斑马鱼模型：通过注射MAP3K3突变体mRNA，观察其对斑马鱼胚胎血管发育的影响。结果显示，MAP3K3突变导致血管分布不均匀和部分血管缺失。
     

3. 单细胞RNA测序
   对6例CMs样本和3例对照样本进行单细胞RNA测序，共分析了65,297个细胞。通过基因表达谱分析，发现不同突变亚组（MAP3K3、PIK3CA及双突变）在内皮细胞中具有显著差异的转录特征。

4. 病理验证
   通过免疫荧光染色和TUNEL染色验证单细胞RNA测序的结果。结果显示，MAP3K3突变携带者的内皮细胞中凋亡显著增加，而PIK3CA突变携带者中GDF15和SERPINA5表达显著上调。

主要结果
1. 体细胞突变谱：90.1%的散发性CMs患者携带MAP3K3和/或PIK3CA基因的体细胞突变。其中，MAP3K3突变在脊髓CMs中更常见，而PIK3CA突变与较大的病灶和更高的出血风险相关。
2. 功能实验：MAP3K3突变激活了ERK5、JNK和p38信号通路，导致内皮细胞功能紊乱。PIK3CA突变则通过上调GDF15和SERPINA5表达，增加了出血风险。
3. 单细胞转录组分析：不同突变亚组在内皮细胞中表现出显著差异的转录特征，MAP3K3突变与凋亡相关，而PIK3CA突变与血管功能障碍相关。
4. 病理验证：免疫荧光染色和TUNEL染色结果支持了单细胞RNA测序的发现，进一步验证了不同突变亚组的分子特征。

结论
本研究首次揭示了散发性CMs中MAP3K3和PIK3CA体细胞突变的高发生率，并阐明了这些突变与CMs临床表型之间的相关性。MAP3K3突变通过激活MAPK信号通路导致内皮细胞功能紊乱，而PIK3CA突变则通过上调GDF15和SERPINA5表达增加了出血风险。这些发现为散发性CMs的分子分类和靶向治疗提供了重要依据。

研究亮点
1. 重要发现：首次在散发性CMs中发现MAP3K3和PIK3CA体细胞突变的高发生率，并揭示了其与临床表型的相关性。
2. 方法创新：结合WES、ddPCR、单细胞RNA测序和功能实验，全面解析了散发性CMs的分子机制。
3. 研究意义：为散发性CMs的分子分类和靶向治疗提供了新的思路，具有重要的科学和临床应用价值。

其他有价值的内容
本研究还发现，PIK3CA突变是散发性CMs出血事件的显著预测因子，其OR值为11.252（95% CI: 2.275–55.648）。这一发现为临床风险评估提供了重要依据。此外，单细胞RNA测序揭示了不同突变亚组的转录特征，为未来开发针对不同亚组的精准治疗方案奠定了基础。