【文献解读】单细胞+机器学习联手破案，锁定脑出血致残两大“元凶基因”！

脑出血（Intracerebral Hemorrhage, ICH）是一种致死致残率极高的脑血管疾病，约占所有脑卒中的20%~30%。尽管治疗手段不断进步，但其预后仍不理想。

近年来，越来越多的研究表明，氧化应激 在ICH后的继发性脑损伤中扮演了关键角色。然而，氧化应激在不同细胞类型中的具体作用机制一直是个黑箱。

最近，一项发表于《International Immunopharmacology》 的研究，通过整合单细胞RNA测序和批量转录组数据，并巧妙运用多种机器学习算法，成功揭示了ICH后氧化应激的细胞异质性，并鉴定出两个关键基因：ANXA2 和 COTL1。

本研究设计精巧，是一条典型的多组学数据整合分析路径。

首先，研究人员在批量转录组数据中发现，ICH脑组织中的氧化应激活性显著高于正常组织。

随后，他们对来自1例ICH患者和4例健康对照的37,818个高质量细胞进行了单细胞测序分析，将细胞分为8种主要类型（如T细胞、单核细胞、巨噬细胞等）。

关键的一步来了：他们使用了5种算法（AUCell、Ucell、singscore、ssGSEA、AddModuleScore）来给每个细胞的氧化应激活动“打分”，发现单核细胞的氧化应激活性最高，是推动氧化应激的主力军。

为进一步筛选关键基因，研究者结合差异表达分析和相关性分析，从374个上调基因和124个OS相关基因中筛选出93个核心OS相关基因。

随后，通过四种机器学习算法（XGBoost、Boruta、随机森林、LASSO） 进行特征筛选，最终锁定ANXA2 和 COTL1 为最优特征基因。

1. 表达验证与诊断价值极高

在ICH患者的脑组织数据中，ANXA2和COTL1的表达量显著上调。更令人印象深刻的是它们的诊断潜力：ANXA2的ROC曲线下面积达到了完美的1.0，COTL1也高达0.964，表明这两个基因能极其准确地区分是否患病。

2. 单细胞层面精准定位

研究进一步证实，ANXA2和COTL1在单核细胞中表达最高。这提示，它们很可能通过“单核细胞-小胶质细胞轴”渗透入脑组织，进而调控氧化应激。

3. 功能富集提示潜在机制

基因集富集分析显示，ANXA2与核苷酸糖合成、柠檬酸循环等代谢通路相关，而COTL1则富集于核糖体与泛醌合成通路。这为理解它们如何参与氧化应激提供了初步线索。

4. 细胞“社交”与状态演变

研究人员将单核细胞分为ANXA2/COTL1阳性组和阴性组，进行了拟时序分析和细胞通讯分析。

• 轨迹分析显示，随着细胞状态演变，阳性细胞比例逐渐增加，占据主导。

• 细胞通讯分析发现，ANXA2+和COTL1+的单核细胞更“爱交流”，它们通过LGALS9-CD45、MIF-(CD74+CXCR4) 等信号通路，与巨噬细胞、神经元等其他细胞进行频繁的“对话”。

理论的成立需要实验的支撑。研究者构建了ICH大鼠模型，并发现：

• ICH后，大鼠脑内氧化应激标志物MDA（丙二醛）升高，而抗氧化酶T-SOD（总超氧化物歧化酶）下降，证实氧化应激水平升高。

• Western Blot实验表明，ANXA2和COTL1的蛋白水平在ICH后显著上调。

• 免疫荧光实验清晰地显示，ICH后，ANXA2和COTL1蛋白主要定位在脑内的小胶质细胞中。

• 相关性分析证实，ANXA2和COTL1的表达量与氧化应激水平呈显著正相关（相关系数r分别为0.84和0.69）。

本研究首次在单细胞层面系统揭示了ICH后氧化应激的细胞异质性，明确了单核细胞是氧化应激的主要贡献者。通过多组学整合与机器学习的先进策略，成功筛选出并验证了ANXA2和COTL1这两个在ICH后氧化应激中扮演关键角色的基因。这不仅为理解ICH的病理机制提供了全新的视角，也为未来开发靶向氧化应激的精准治疗策略（如针对ANXA2/COTL1的抑制剂或抗体）奠定了坚实的理论基础。

本研究成功展示了一种强大的研究范式：通过单细胞基因集活性评分锁定关键细胞亚群，并借助机器学习算法从复杂数据中提炼出核心靶基因。这一思路是解锁疾病机制的关键拼图。

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