基于氧化应激相关关键基因探索慢性阻塞性肺疾病（COPD）的诊断价值及机制

《Cell Biology and Toxicology》：Based exploration of the diagnostic value of oxidative stress-related key genes in chronic obstructive pulmonary disease

为解决慢性阻塞性肺疾病（COPD）现有诊断和治疗的局限，研究人员开展了氧化应激相关基因（OSRGs）作为 COPD 生物标志物及分子机制的研究。结果发现 5 个关键基因，其中 ECT2 和 MMP9 与氧化应激相关，MMP9 影响细胞凋亡等。该研究为 COPD 诊疗提供新方向。

　　慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）是一种常见的慢性疾病，在全球范围内，它是导致死亡的重要原因之一。目前，COPD 的诊断主要依靠肺功能检查，如肺活量测定，但这种方法在疾病早期的检测中存在局限性。而且现有的治疗手段，如药物治疗、手术治疗等，也无法完全阻止疾病的进展和肺功能的下降。氧化应激被认为是 COPD 发病过程中的一个关键因素，它参与了多种分子机制的相互作用，对 COPD 的发生和发展有着重要影响。因此，探索氧化应激相关基因在 COPD 中的作用，对于寻找新的诊断和治疗靶点具有重要意义。

为了深入了解氧化应激相关基因在 COPD 中的潜在价值和作用机制，云南省第一人民医院（昆明理工大学附属医院）的研究人员开展了相关研究。研究人员通过生物信息学分析，探索氧化应激相关基因（Oxidative Stress-Related Genes，OSRGs）作为 COPD 生物标志物的可能性及其潜在分子机制。研究成果发表在《Cell Biology and Toxicology》杂志上。

在这项研究中，研究人员运用了多种技术方法。首先，从基因表达综合数据库（Gene Expression Omnibus，GEO）获取基因表达数据，包括 GSE76925 和 GSE38974 队列，作为训练集和验证集。然后，通过生物信息学分析，筛选差异表达基因（Differentially Expressed Genes，DEGs），并进行功能分析。接着，运用机器学习算法筛选关键基因，构建列线图（nomogram）评估其预测能力。此外，还进行了免疫浸润分析、调控网络预测等。最后，通过临床样本收集、细胞实验和动物实验进行验证。

研究结果如下：

1. 差异表达基因的鉴定：在 COPD 样本和健康对照之间，通过对 GSE76925 数据集的分析，发现了 248 个差异表达基因，包括 204 个下调基因和 44 个上调基因。这些基因主要富集在炎症相关过程和代谢相关过程中，如白细胞迁移、原发性免疫缺陷、醚脂代谢、花生四烯酸代谢等，表明它们可能参与 COPD 的发展。
2. 差异氧化应激相关基因的鉴定：通过差异表达基因和氧化应激相关基因的交集分析，得到 8 个差异氧化应激相关基因（DE-ORGs）。进一步通过 GeneMANIA 预测这些基因的功能，发现它们与线粒体组织、凋亡信号通路等相关。
3. 关键基因的筛选：运用 Boruta、支持向量机递归特征消除（Support Vector Machine-Recursive Feature Elimination，SVM-RFE）和最小绝对收缩和选择算子（Least absolute shrinkage and selection operator，LASSO）算法，从 DE-ORGs 中筛选出 5 个关键基因（hub genes），分别是 CA3、PPP1R15B、MAPT、MMP9 和 ECT2。
4. 诊断模型的构建与验证：基于这 5 个关键基因构建列线图，结果显示该列线图具有良好的预测准确性，其校准曲线表明预测概率与实际观察概率无明显差异，受试者工作特征曲线（Receiver Operating Characteristic Curve，ROC）下面积为 0.8459459，决策曲线分析（Decision Curve Analysis，DCA）也显示其具有优势，有助于医生和患者进行个性化的疾病预测和治疗选择。
5. 关键基因的关系与调控：通过 Spearman 相关性分析发现，ECT2 和 PPP1R15B 呈强正相关，CA3 与 ECT2 呈显著负相关。功能相似性分析表明，MAPT、ECT2 和 CA3 功能相似性较高。同时，MMP9 和 MAPT 与氧化应激生物标志物高度相关，尤其是 MMP9 与总氧化状态（Total Oxidant Status，TOS）、活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）等相关性很强，提示氧化应激可能通过影响 MMP9 表达加速肺结构损伤。
6. 免疫细胞浸润分析：对 GSE76925 数据集进行免疫细胞浸润分析，发现滤泡辅助性 T 细胞、CD8 T 细胞、γδ T 细胞和 M0 巨噬细胞在 COPD 患者和正常样本中存在显著差异。MMP9 与 M1 巨噬细胞呈正相关，与活化的树突状细胞呈负相关，这与 COPD 炎症过程中免疫细胞的浸润特征相符。
7. 调控网络预测：预测关键基因的调控网络，发现多个转录因子（Transcription Factors，TFs）、非编码 RNA（noncoding RNAs，ncRNAs）与关键基因相关。同时，还预测了关键基因与呼吸疾病、慢性并发症以及相关药物的关系，为进一步研究 COPD 的发病机制和治疗提供了线索。
8. 关键基因在 COPD 中的表达：在 GSE76925 和 GSE38974 数据集中分析关键基因的表达，发现 MMP9 在 COPD 组织中表达显著升高，ECT2 表达降低，且这两个基因在 COPD 样本中具有较高的区分能力。在临床样本中也得到了验证，COPD 患者外周血中 MMP9 表达增加，ECT2 表达减少。
9. MMP9 对细胞损伤和巨噬细胞极化的影响：构建香烟烟雾冷凝物（Cigarette Smoke Condensate，CSC）诱导的细胞损伤模型，发现敲低 MMP9 可以减轻 CSC 诱导的 BEAS-2B 细胞损伤，提高细胞活力，降低氧化应激指标（如 MDA 和 ROS）水平，减少细胞凋亡。同时，敲低 MMP9 可以促进巨噬细胞向 M2 型极化，减少炎症反应，表明 MMP9 在 CSC 诱导的氧化应激损伤和巨噬细胞极化中起着关键作用。

研究结论和讨论部分指出，该研究通过生物信息学分析和实验验证，发现 ECT2 和 MMP9 是与 COPD 氧化应激相关的关键基因。MMP9 与 BEAS-2B 细胞的凋亡、炎症和 ROS 损伤以及巨噬细胞从 M1 型向 M2 型的极化密切相关。这为 COPD 的发病机制提供了新的见解，也为 COPD 的诊断和治疗提供了新的潜在靶点。调节 MMP9 的表达可能是减轻 COPD 症状和延缓疾病进展的有效策略，有望为 COPD 的治疗开辟新的方向，对改善患者的生活质量和预后具有重要意义。