精准突破囊性纤维化无义突变！Biomed Pharmacother：多模态单细胞技术助力药物筛选新发现

来源：100医药网 2025-09-08 09:00

本研究构建携带囊性纤维化跨膜传导调节因子-S308X无义突变的患者特异性诱导多能干细胞气道类器官，结合多模态单细胞技术，揭示疾病炎症机制，筛选出氯沙坦等潜在药物，为相关囊性纤维化治疗提供新方向。

对于囊性纤维化（CF）患者而言，CFTR基因的无义突变往往意味着更严峻的治疗挑战 这类突变导致功能性CFTR蛋白缺失，现有调节剂难以起效，而慢性炎症与气道仍在持续威胁生命。

近日，发表于Biomed Pharmacother的一项研究Multimodal single-cell transcriptomics with patient-specific iPSC-derived airway organoids as a drug screening approach for cystic fibrosis with nonsense mutations为这类患者带来了新希望：研究团队构建了携带CFTR-S308X无义突变的患者特异性诱导多能（iPSC）气道类器官模型，结合多模态单细胞转录组学技术，不仅揭示了疾病发病机制，还筛选出能靶向炎症通路的潜在治疗药物。

囊性纤维化由CFTR基因突变引发，该基因编码的氯离子通道对维持上皮离子稳态至关重要。其中，无义突变约占病例的10%，因提前终止密码子导致蛋白合成中断，较错义突变更难通过药物矫正。此前研究显示，即使部分恢复CFTR功能，患者气道仍存在持续炎症，提示抗炎与CFTR修复需同步推进。而传统二维培养模型难以模拟气道上皮复杂性，患者特异性iPSC衍生的三维气道类器官（AOs）则能重现体内细胞组成与功能，成为研究与药物筛选的理想工具。

研究团队首先从携带CFTR-S308X突变的患者体内获取iPSC，通过定向分化技术生成三维气道类器官（CF-AOs）。桑格测序与印迹验证显示，CF-AOs中CFTR基因存在c.923 C A（p.S308X）突变，且无全长CFTR蛋白表达；免疫荧光染色证实其包含基底细胞（KRT5阳性）、分泌细胞（SCGB3A2阳性）、纤毛细胞（乙酰化 -微管蛋白阳性）等气道特征细胞；福斯高林诱导肿胀实验进一步验证，CF-AOs无明显肿胀反应，符合CFTR功能缺陷的病理特征，证明该模型能准确模拟疾病表型。

图1：携带CFTR S308X无义突变的iPSC衍生气道类器官的建立与功能鉴定

为解析疾病分子机制，研究对CF-AOs与野生型类器官（WT-AOs）进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）。UMAP分析识别出11种细胞集群，包括杯状细胞、基底细胞、离子细胞等经典气道细胞类型，以及4种未报道的新细胞群。基因集变异分析（GSVA）显示，CF-AOs的杯状细胞中 慢性炎症反应调控 TNF- 介导通路 等通路显著富集，分泌细胞则高表达炎症相关细胞因子基因；火山图与网络分析进一步发现，杯状细胞中STMP1、GSDMD、LGALS9等炎症相关基因形成紧密调控模块，提示杯状细胞是CF气道炎症的关键效应细胞。

图2：利用scRNA-seq表征携带CF突变的iPSC衍生气道类器官的细胞组成）

为探究细胞间通讯异常，研究通过CellChat分析发现，CF-AOs中TGF- 与EGF信号通路介导的细胞互作显著增强。杯状细胞作为TGF- 的主要来源，通过分泌TGFB1与离子细胞表面的TGFBR2、ACVR1B受体结合，激活下游EDN1、TNFSF10等靶基因，促进炎症与纤维化；基底细胞则通过分泌TGFA、AREG等EGF家族配体，与杯状细胞的EGFR、ERBB2受体结合，调控杯状细胞转录程序。这一 基底细胞 EGF 杯状细胞 TGF- 离子细胞 的信号轴，揭示了CF气道微环境紊乱的核心机制。

图3：携带CF突变的iPSC衍生气道类器官中TGF- 与EGF信号通路改变的细胞间通讯分析

RNA velocity分析进一步追踪了细胞转录动态，发现CF-AOs的杯状细胞存在独特的命运转变轨迹：在 潜伏时间 早期以细胞应激反应为主，中期自噬、肾素分泌、松弛素信号通路激活（如NRAS、PIK3R1基因上调），晚期则持续激活TNF- 、TGF- 、NF- B等炎症与纤维化通路（如CCL20、BMP2基因上调）。这提示CF气道病变是一个从应激到慢性炎症的渐进过程，为分阶段干预提供了依据。

图4：囊性纤维化气道类器官来源杯状细胞中关键信号通路的RNA velocity分析

为验证模型临床相关性，研究对GSE154802数据库中3例CF无义突变患者与5例健康人的 bulk RNA-seq数据进行解卷积分析，结果与单细胞数据高度一致：CF患者气道杯状细胞中TGF- 、TNF- 通路及自噬相关基因均显著上调，且细胞转录轨迹与类器官模型吻合，证实该模型能可靠反映临床病理特征。

基于上述机制，研究通过ASGARD与scRANK两个药物重定位平台，筛选出能逆转疾病转录特征的潜在药物。其中，尼达尼布、N-乙酰半胱氨酸（NAC）、氯沙坦在杯状细胞中表现出优异的TNF- 通路抑制效果；进一步验证显示，氯沙坦可显著逆转CF-AOs中TNF- 与TGF- 通路的异常激活，且对野生型细胞无明显影响，提示其对CF无义突变的特异性治疗潜力。

图5：囊性纤维化无义突变患者样本中的单细胞导向药物预测与功能验证

图6：CFTR致CF发病机制

这项研究不仅构建了首个能重现CFTR-S308X无义突变病理特征的iPSC气道类器官模型，更通过多模态单细胞技术揭示了杯状细胞主导的炎症机制，为CF无义突变的治疗提供了新靶点与候选药物。随着氯沙坦等药物的进一步临床转化，未来有望为这类 无药可用 的CF患者带来个性化治疗方案，而该研究建立的 患者特异性类器官+单细胞技术+药物筛选 体系，也为其他单基因遗传病的研究提供了可借鉴的范式。（100yiyao.com）

参考文献：

Tsai PH, Yang YP, Wang CH, et al. Multimodal single-cell transcriptomics with patient-specific iPSC-derived airway organoids as a drug screening approach for cystic fibrosis with nonsense mutations.Biomed Pharmacother. Published online August 18, 2025. doi:10.1016/j.biopha.2025.118476

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