文献解读 | 单细胞RNA测序揭示区分过敏性接触性皮炎和刺激性接触性皮炎的分子特征

接触性皮炎是一种由于皮肤接触外界化学物质而引起的瘙痒和炎症性疾病，这种疾病主要分为两种类型：过敏性接触性皮炎（ACD）和刺激性接触性皮炎（ICD）。尽管ACD和ICD在病理机制上不同，但它们在外观和组织学上可能相似，这使得诊断变得复杂。传统的ACD诊断方法—斑贴试验，由于其定性的特性，容易受到ACD和ICD相似外观的干扰，尤其是在难以确定的反应中，可能导致假阳性或假阴性结果。因此，研究人员寻求更敏感、特异和客观的诊断方法。采用了非瘢痕性吸引水泡皮肤采样方法，捕获间质液和炎症浸润细胞结合单细胞RNA测序（scRNAseq）和olink技术，以揭示ACD和ICD的细胞特异性表达模式，并寻找潜在的生物标志物，旨在提高这两种疾病的诊断准确性。

scRNA-seq、olink

1. 系统分析接触性皮炎的方案

为减少过敏性和刺激性反应之间的变异性，研究人员在健康志愿者中使用方酸二丁酯（SADBE）诱导ACD，并使用月桂醇硫酸钠（SLS）诱导ICD，并使用丙酮作为载体对照，使用抽吸水疱活检方法采集皮肤样本，收集间质液和炎症细胞（图1a）。细胞部分通过单细胞RNA测序（scRNAseq）分析，非细胞部分则通过Olink技术来量化蛋白质。根据国际接触性皮炎研究小组的临床斑贴测试评分标准对皮肤反应进行拍照和评分（图1b）。

2. 皮肤间质液蛋白可区分ACD与ICD

通过Olink蛋白质组测定间质液中的92种炎症蛋白，发现大多数蛋白在吸引水泡液样本中可被检测到，并观察到ACD中存在混合炎症，其特征是1型免疫（T辅助1细胞，如IFNG、CXCL9、CXCL10、CXCL11）和2型免疫（T辅助2细胞，如IL-4、IL-5和IL-13）的标记物在ACD中显著增加，在ICD中，CCL20和CXCL1相对于ACD表达显著增加（图 2a）。主成分分析能够将过敏性、刺激性和健康样本区分开，其中第二主成分区分了过敏性和刺激性样本，ACD的1型免疫标志物和ICD的CCL20和CXCL1具有最大的第二主成分载荷（图2b-c）。进一步通过lasso发现，8种蛋白质（CXCL10、IL4、OPG、CCL19、CCL20、TSLP、IL-1a和NRTN）可以以93%的敏感性和93%的特异性区分第2天和第4天的过敏性样本以及非病变和刺激性样本（图2d-e）。

3. ACD和ICD之间的细胞比例相似

接下来，用单细胞RNA测序技术（scRNAseq）来深入分析和比较ACD与ICD之间的细胞比例差异，并探索炎症信号的细胞来源，单细胞的结果识别25个不同的细胞群（图3a-b）。结果显示，包括髓系-1和多种CD4+ T细胞群等几个细胞群在ACD和ICD的炎症病变中相对于健康对照样本（包括非病变皮肤和丙酮载体对照）都有所富集，这表明这些细胞群体可能在接触性皮炎的病理过程中起到了关键作用（图3c）。还观察到，在ACD和ICD中，棘状角质形成细胞（KRT-sp）的比例较健康对照组有所下降，这可能是由于炎症状态下炎症细胞数量的增加导致的比例稀释。同时，活化的角质形成细胞( KRT-a）在过敏性和刺激性病变中的比例增加，这可能反映了化学物质封闭敷贴期间的急性反应；朗格汉斯细胞和黑色素细胞减少，这可能与炎症稀释有关（图3c）。特别是，在ACD中CD8T细胞和NK细胞的数量显著增加，而表达HSPA6的CD4 T细胞和cDC1也显示出向过敏倾斜的趋势（图3d）。这些发现有助于理解ACD和ICD在细胞层面的不同，并为未来的诊断和治疗提供了新的视角。

4. 过敏特异性转录组反应与 IFNG 反应相关

将细胞大致归为9类，研究人员对第2天过敏性病变和刺激性皮炎病变样本进行了基因集富集分析，以识别与过敏相关的生物学过程。结果发现，过敏性病变相对于刺激性皮炎病变中，细胞应激相关的基因集在多种免疫细胞类型中上调。同时，与IFNG反应相关的基因集在大多数细胞类型中富集，这与过敏性病变中CXCL9、10和11的过敏特异性上调相一致。此外，细胞因子相关的基因集在角质形成细胞和LYZ+髓系细胞中富集（图4a）。所有淋巴细胞群体都能产生IFNG，但CD8+ T细胞和NK细胞对总IFNG的贡献最大（图4b）。研究人员重点关注2 型免疫细胞因子IL4和IL13的细胞表达，因为蛋白质数据中同样观察到了这些细胞因子。尽管IL4在细胞中的表达量非常低，但它在过敏性病变中特异性上调，特别是在过敏性病变第2天的CD4+淋巴细胞（包括调节性T细胞）和第4天的CD8+淋巴细胞中（图4b）。相比之下，IL13的表达水平高于IL4，并且在刺激性皮炎和过敏性样本中都有上调，其表达涉及的细胞类型更广，包括CD4+ T细胞、CD8+ T细胞和NK细胞（图4b）。然而，这两种细胞因子的检测水平都太低，无法达到统计学上的显著性。问题依然是，这些细胞因子在蛋白质和RNA水平上的上调是否会导致表达它们受体的细胞发生下游信号传导。

5. 使用接触性皮炎下游基因表达分析预测IL-4和IL-13的存在

为了研究IL-4和IL-13对皮肤细胞的潜在影响，研究人员利用通讯分析预测可能影响ACD和ICD中基因表达的配体。结果发现，IFNG、IL-4和IL-13是LYZ+髓系细胞和朗格汉斯细胞中预测的配体（图5a-b）。结合已知的配体-靶标信号通路模型和细胞类型特异性的基因表达数据，预测可能与观察到的差异基因表达相关的配体-受体相互作用。与信号预测一致，患者的伪批量（pseudobulk）分析显示，在过敏性病变中，LYZ+髓系细胞和朗格汉斯细胞内几个潜在的IL-4/IL-13靶基因显著增加（图5c）。综合IL-4和IL-13在ACD疱液中的蛋白质浓度增加、在ACD中的mRNA检测增加，以及它们下游靶基因在ACD中的显著上调，这些发现表明这些细胞因子可能与IFNG一起，对ACD的发病机制有所贡献。

本研究通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)和olink蛋白质组学分析，揭示了ACD和ICD的分子差异，发现了能够区分这两种接触性皮炎的生物标志物。研究发现，细胞特异性的转录组差异比细胞类型比例更能准确区分ACD和ICD。尽管IL4表达水平较低，但在过敏性病变中特异性上调，而IL13在刺激性皮炎和过敏性样本中都有上调。研究还发现，IFNG反应基因集在大多数细胞类型中富集，且CXCL9、10和11在过敏性样本中特异性上调。此外，IFNG、IL-4和IL-13是LYZ+髓系细胞和朗格汉斯细胞高表达配体，且在过敏性病变中IL-4/IL-13的下游靶基因显著增加。研究还开发了一个逻辑回归模型，能够以93%的敏感性和特异性区分ACD、ICD和健康对照皮肤，为临床诊断提供了新的分子工具。这些结果不仅增进了我们对ACD和ICD分子机制的理解，也为未来的靶向治疗提供了潜在的生物标志物。

参考文献：

Frisoli ML, Ko WC, Martinez N, Afshari K, Wang Y, Garber M, Harris JE. Single-Cell RNA Sequencing Reveals Molecular Signatures that Distinguish Allergic from Irritant Contact Dermatitis. J Invest Dermatol. 2024 Sep 26:S0022-202X(24)02152-3. doi: 10.1016/j.jid.2024.09.008. Epub ahead of print. PMID: 39341550.