通过整合机器学习、分子对接策略以及体外验证方法，解析炎症性肠病中全氟辛酸（PFOA）的分子网络

《Food and Chemical Toxicology》：Decipher the Molecular Network of PFOA in Inflammatory Bowel Disease Through Integrating Machine Learning, Molecular Docking Strategies, and Validation in Vitro

PFOA通过影响基因和信号通路促进IBD发展，机器学习与分子对接验证了其与ABCB1、HSD17B11、PDK2、LCN2、SETD7、MMP1等关键蛋白的相互作用。

　　

陈刚|袁航|李晓鹏|陈世辉|孙学军|余俊辉

西安交通大学第一附属医院普通外科，中国陕西省西安市710061

摘要

目的

全氟辛酸（PFOA）被广泛认为是一种持久性的环境污染物，与免疫系统紊乱及潜在的致癌作用有关。流行病学研究表明，血清中的PFOA水平与炎症性肠病（IBD）存在显著关联。然而，导致这些效应的具体机制仍不甚明了。

方法

我们从多种来源获取了可能与PFOA相关的靶标信息。通过GEO平台获取了IBD患者的转录组数据。为了研究PFOA与其靶标蛋白的结合机制，我们采用了机器学习技术、网络毒理学方法以及分子对接策略。

结果

本研究表明，PFOA可能通过影响某些基因和信号通路促进IBD的发展。通过机器学习，我们确定了ABCB1、HSD17B11、PDK2、LCN2、SETD7和MMP1这六个关键基因；分子对接实验验证了PFOA与这些靶标蛋白具有强烈的结合亲和力。在验证实验中，我们发现PFOA能够上调NCM-460细胞中的LCN2表达，且浓度越高，表达水平上升越明显。

结论

本研究表明PFOA具有促进IBD发展的潜力。这些结果可能为理解PFOA与IBD之间的机制提供重要线索。

引言

全氟辛酸（PFOA）是一种属于全氟和多氟烷基化合物的合成物质，在工业领域和日常生活中被广泛使用[1]。PFOA的一个显著特点是其碳-氟键非常强，这使得它具有很高的化学稳定性和热稳定性。这一特性使其在非粘涂层、灭火泡沫、防水防油材料以及军事用途等方面具有广泛应用[2]。由于PFOA的广泛使用，全球各地的地下水和饮用水中经常检测到其存在，这引发了对其健康和环境影响的严重担忧[3]。

PFOA主要通过食物和饮料进入人体，并在肠道中积累[4]。肠道作为保护屏障，可以防止外部有毒物质（如PFAS）与机体直接接触，但肠道上皮屏障的破坏会导致肠道通透性增加，从而显著增加炎症性肠病（IBD）的风险。流行病学研究显示，血清中的PFOA水平与溃疡性结肠炎有关[5][6]。随着经济的发展和饮食结构的改变，IBD患者的数量正在增加。研究表明，宿主、饮食和微生物组之间的相互作用失调是引发IBD免疫反应失调的重要因素[7]。尽管环境污染物对IBD发展的毒性作用已有充分记录，但PFOA引发的具体分子机制仍不明确。

为了阐明PFOA加速IBD发展的机制，我们运用网络毒理学整合了多组学数据、动态网络建模和计算结构-活性分析，以揭示复杂的毒物-宿主相互作用。此外，我们还进行了拓扑和功能富集分析，并结合机器学习技术识别关键枢纽分子，利用分子对接方法验证了靶标相互作用的结合特性和热力学特性。通过揭示与PFOA相关的多尺度致病网络，我们的研究可能发现新的潜在治疗靶点，同时加深对环境污染物如何导致IBD的理解，为制定环境健康政策和相关研究提供重要依据。

研究片段

获取与疾病相关的靶标

本研究使用的IBD相关转录组数据集（GSE16871、GSE38713、GSE59071、GSE75214和GSE95095）来自NCBI GEO数据库。其中GSE16871和GSE38713作为发现组，GSE59071、GSE75214和GSE95095作为验证组。我们采用了包括替代变量分析（SVA）和ComBat协调在内的综合标准化技术。

识别PFOA的靶标蛋白

PFOA的分子结构信息来源于PubChem数据库（图2A）。为了确定与PFOA相关的基因，我们使用了Chembl、PharmMapper、SwissTargetPrediction、SEA和STITCH等多个数据库。整合数据并去除重复条目后，我们发现了303个潜在的靶标基因（图2B）。

识别与IBD相关的靶标基因

我们将GSE16871和GSE38713数据集合并，并对基因表达矩阵进行了标准化处理，以消除批量效应。

讨论

我们的研究全面探讨了PFOA诱导IBD的潜在机制。通过机器学习技术，我们发现了67个与PFOA和IBD都相关的靶标基因，包括LCN2、SETD7、MMP1、ABCB1、HSD17B11和PDK2。分子对接实验验证了PFOA与这些关键基因编码的蛋白质之间的稳定相互作用。

我们使用了GO和KEGG两个数据库进行了全面分析

结论

本研究表明，PFOA可能通过与特定基因和生物通路的相互作用影响IBD的发展。分子对接模拟显示PFOA与靶标蛋白具有显著的结合亲和力。这些结果为进一步研究PFOA导致IBD的机制奠定了基础。

作者贡献声明

陈刚：撰写初稿，数据管理。李晓鹏：数据验证，数据管理。袁航：数据验证。孙学军：撰写、审稿与编辑，指导。陈世辉：数据管理。余俊辉：撰写、审稿与指导

伦理审批与参与同意

不适用

出版同意

不适用

数据和材料的获取

本研究的所有数据和R脚本可向通讯作者索取。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

资助

无。

利益冲突声明

作者声明本研究未涉及任何可能构成利益冲突的商业或财务关系。

致谢

无。