整合TWAS与化学基因组网络探索褪黑素通过抑制铁死亡治疗骨关节炎的新机制

《Clinical Rheumatology》：Integrating TWAS, chemical-genomic networks, and experimental models: melatonin as a ferroptosis inhibitor in osteoarthritis therapy

本研究针对骨关节炎(OA)治疗选择有限、分子机制不清的难题，通过整合转录组关联分析(TWAS)、化学基因组富集分析(CGSEA)和网络药理学，首次系统鉴定褪黑素(melatonin)为OA潜在治疗剂。研究人员通过分子对接证实褪黑素与铁死亡(ferroptosis)关键蛋白(GPX4、SLC7A11)强结合，并在IL-1β诱导的SW1353软骨细胞模型中验证其通过P53/SLC7A11/GPX4通路抑制铁死亡、降低ROS积累、缓解细胞外基质降解(调控COL2A1/MMP13)和炎症反应(下调COX-2/iNOS)。该研究为OA治疗提供了靶向铁死亡的新策略，凸显褪黑素的临床转化潜力。

　　

随着人口老龄化加剧，骨关节炎(Osteoarthritis, OA)已成为困扰全球数亿患者的常见退行性关节疾病。患者不仅承受着关节软骨逐渐磨损、骨质增生变形带来的持续疼痛，更面临活动能力下降和生活质量恶化的严峻挑战。令人担忧的是，目前OA的药物治疗方案十分有限，多以缓解症状为主，无法有效阻断疾病进展，其深层分子机制更是如同笼罩在迷雾中，亟待揭开。

传统研究多聚焦于遗传因素对OA的影响，然而近年来科学家们逐渐意识到，环境化学物质的暴露可能是推动OA发展的"隐形推手"。特别是内分泌干扰物等环境化学物质，可能通过促进氧化应激和细胞衰老，悄然加速OA的病理进程。这一发现为OA研究开辟了新视角，但如何系统识别与OA相关的化学物质，并从中挖掘具有治疗潜力的化合物，成为摆在研究人员面前的重大挑战。

在这项发表于《Clinical Rheumatology》的重要研究中，冯若阳等作者采用了一种创新的多维度研究策略，巧妙整合了转录组关联分析(Transcriptome-wide association study, TWAS)、化学基因组富集分析(Chemical-genomic enrichment analysis, CGSEA)和网络药理学方法，构建了OA的疾病-药物相互作用网络。通过这一系统性的计算生物学方法，研究人员成功从海量数据中筛选出褪黑素(melatonin)这一具有潜在治疗价值的化合物，并深入探索了其在OA治疗中的作用机制。

研究团队首先利用英国生物样本库(UK Biobank)的大规模OA全基因组关联分析(Genome-wide association study, GWAS)数据，通过TWAS方法在肌肉骨骼组织、外周血和全血中分别鉴定出1147、196和385个与OA相关的基因。接着，他们应用CGSEA分析，发现了62种与OA显著相关的化学物质，其中褪黑素表现出显著关联性。进一步通过网络药理学分析，研究人员确定了64个褪黑素与OA的共同靶基因，富集分析显示这些基因显著富集于铁死亡(ferroptosis)、氧化应激反应、p53信号通路等关键生物学过程。

为验证计算预测结果，研究团队开展了一系列实验验证。分子对接分析显示，褪黑素与铁死亡关键蛋白GPX4、SLC7A11等具有强结合能力，结合能均低于-5 kcal/mol，表明其可直接作用于铁死亡通路。在细胞实验中，研究人员使用IL-1β诱导SW1353软骨细胞建立OA模型，发现10μM浓度的褪黑素能有效逆转IL-1β引起的细胞活力下降。

关键技术方法包括：利用UK Biobank的OA的GWAS汇总数据进行TWAS分析；采用CGSEA方法评估化学物质与OA的关联性；通过网络药理学筛选褪黑素与OA的共同靶基因；运用AutoDock工具进行分子对接验证结合亲和力；建立IL-1β诱导的SW1353软骨细胞OA模型进行体外验证；通过蛋白质印迹(Western blotting)检测关键蛋白表达；使用DCFH-DA荧光探针检测细胞内活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)水平；采用免疫荧光染色观察蛋白定位和表达。

褪黑素恢复IL-1β诱导的炎症反应和细胞外基质降解

研究人员发现，IL-1β刺激导致软骨细胞中细胞外基质主要成分胶原II(COL2A1)表达下调，而基质降解酶MMP13表达显著上调。同时，炎症标志物iNOS和COX-2的表达也明显增加，表明IL-1β成功诱导了OA相关的病理变化。值得注意的是，褪黑素处理能有效逆转这些变化，抑制MMP13表达的同时恢复COL2A1水平，并显著降低iNOS和COX-2的表达水平，表明褪黑素能缓解IL-1β诱导的软骨细胞炎症反应和细胞外基质降解。

褪黑素通过P53/SLC7A11/GPX4信号通路抑制软骨细胞铁死亡

铁死亡是OA进展中的重要环节，其特征是铁依赖性的脂质过氧化积累。本研究显示，IL-1β和铁死亡诱导剂erastin均能抑制软骨细胞中GPX4和SLC7A11的表达，同时增加P53和ACSL4的蛋白水平。而褪黑素处理能显著逆转这些变化，恢复GPX4和SLC7A11表达，抑制P53活化。免疫荧光染色结果进一步证实，褪黑素能增加铁死亡相关蛋白的荧光强度，表明其对软骨细胞铁死亡具有抑制作用。

褪黑素改善细胞内ROS积累

活性氧积累是铁死亡的核心特征之一。研究发现，IL-1β和erastin处理能显著增加软骨细胞内ROS水平，而褪黑素处理则能有效降低ROS荧光强度，表明褪黑素可通过抑制ROS积累来对抗铁死亡。

褪黑素对原代软骨细胞的保护作用

为验证结果的普适性，研究团队在原代软骨细胞中重复了关键实验。结果显示，褪黑素同样能抑制IL-1β诱导的MMP13上调和COL2A1下调，恢复GPX4和SLC7A11表达，抑制P53活化，提高细胞活力，降低ROS水平，证实了褪黑素在不同类型软骨细胞中的一致保护作用。

本研究通过计算生物学与实验验证相结合的策略，系统阐述了褪黑素通过抑制铁死亡缓解OA进展的分子机制。研究不仅首次通过TWAS-CGSEA整合分析将褪黑素鉴定为OA潜在治疗剂，还深入揭示了其通过P53/SLC7A11/GPX4通路抑制软骨细胞铁死亡的核心作用机制。这些发现为OA治疗提供了新的靶点和策略，凸显了靶向铁死亡通路在退行性关节疾病治疗中的重要意义。

值得注意的是，褪黑素作为一种内源性激素，具有良好的安全性和耐受性，这为其临床转化提供了有利条件。然而，研究也存在一定局限性，如尚未探索褪黑素的其他潜在作用机制，缺乏体内实验验证等。未来研究需要进一步开展动物实验和临床研究，全面评估褪黑素在OA治疗中的价值和应用前景。

该研究的创新之处在于将计算预测与实验验证有机结合，为复杂疾病的研究提供了可借鉴的模式。同时，研究结果不仅深化了对OA发病机制的理解，也为开发针对铁死亡的新型OA治疗策略奠定了重要基础，对推动风湿病学领域的发展具有积极意义。