多组学特征揭示伊立替康关键核心调节因子 FSTL3 促进结直肠癌进展并影响铁死亡

为解决伊立替康（irinotecan）相关调节因子在结直肠癌（CRC）中的具体机制及预后作用不明的问题，研究人员开展了伊立替康相关调节因子多组学特征的研究。结果发现 Iriscore 与预后、免疫等密切相关，FSTL3 是关键调节因子，影响铁死亡，有助于精准治疗。

　　在全球范围内，结直肠癌是一种极为常见且致命的癌症，严重威胁着人类的健康。随着医学的发展，免疫疗法和靶向疗法虽取得了一定进展，但传统化疗仍是结直肠癌治疗的重要手段，尤其是对于转移性结直肠癌。然而，化疗耐药问题成为了治疗的一大阻碍。伊立替康作为一种广泛应用于结直肠癌治疗的化疗药物，其作用机制和耐药机制十分复杂，且伊立替康相关调节因子在结直肠癌中的具体机制和预后作用尚不明确。此外，铁死亡作为一种独特的细胞死亡机制，在癌症研究中备受关注，它与结直肠癌的进展和肿瘤微环境的平衡密切相关，但伊立替康与铁死亡之间的关联尚未有研究报道。在这样的背景下，为了深入了解伊立替康在结直肠癌中的作用机制，寻找新的治疗靶点，来自海军军医大学附属长海医院、浙江癌症医院等机构的研究人员开展了相关研究。
该研究通过对公共数据库的数据进行生物信息学分析，并结合实验验证，探究了伊立替康相关调节因子的多组学特征。研究发现，基于伊立替康相关调节因子构建的 Iriscore（伊立替康相关评分）与结直肠癌患者的预后、免疫、肿瘤突变负荷（TMB）以及化疗反应密切相关。高 Iriscore 预示着较差的预后、对治疗的低反应率以及 MSS/MSI-L 状态。单细胞分析显示，FSTL3 和 TMEM98 主要在结直肠癌干细胞中表达。通过随机森林分析确定了 FSTL3 是伊立替康相关的核心风险调节因子，它与一些铁死亡调节因子（如 GPX4、HSPB1 和 RGS4）以及相关代谢途径（如脂质氧化和 ROS 代谢）显著相关。在体外实验中，伊立替康抑制了 FSTL3 和铁死亡防御蛋白（GPX4 和 SLC7A11）的表达，诱导了脂质过氧化和细胞内 Fe²⁺离子浓度的增加。该研究成果发表在《Cancer Cell International》上，为结直肠癌的精准治疗提供了重要的理论依据。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：从公共数据库（如 GEO、TCGA）获取数据；利用 R 语言相关软件包进行数据分析，包括 limma、ConsensusClusterPlus 等；通过单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）分析伊立替康相关调节因子的表达特征；运用随机森林分析筛选关键调节因子；采用基因集变异分析（GSVA）评估铁死亡相关通路的活性；进行细胞实验，如细胞培养、细胞毒性检测、RT-qPCR、Western blotting、流式细胞术、透射电子显微镜观察等。
研究结果如下：

1. 预后相关 IRDEGs 的鉴定和功能分析：通过分析伊立替康处理和未处理的结直肠癌细胞系的 mRNA 表达谱，筛选出 548 个伊立替康相关差异表达基因（IRDEGs），这些基因主要富集在与肿瘤细胞功能和生长相关的通路中。通过与 TCGA 数据库中结直肠癌预后相关基因的交集分析，确定了 51 个重叠基因用于后续研究。
2. 基于 IRDEG 的亚型建立和临床验证：根据 51 个预后 IRDEGs 的表达特征，将结直肠癌患者分为两个亚型（Cluster A 和 Cluster B），其中 Cluster A 患者的生存优势显著。IRDEG-based 亚型与 N 阶段、M 阶段、TNM 阶段和生存状态显著相关。
3. Iriscore 模型的构建和预后价值验证：基于 IRDEG-based 亚型构建 Iriscore 模型，低 Iriscore 患者的总生存期（OS）更长。在验证队列中也得到了类似的结果，且 Iriscore 与 T 阶段相关，T3-4 期的低 Iriscore 患者预后更好。
4. TMB 与 Iriscore 的相关性：低 Iriscore 组的 TMB 更高，且 TMB 与 Iriscore 呈负相关。低 TMB 且低 Iriscore 的患者生存优势显著。
5. Iriscore 作为化疗和靶向治疗反应的预测工具：高 Iriscore 组对传统化疗药物和靶向药物的 IC₅₀值更低，表明 Iriscore 可作为治疗反应的有效预测指标。
6. 高低 Iriscore 结直肠癌患者的免疫景观：低 Iriscore 组中 MSI-H 患者的比例更高，Iriscore 与免疫检查点 TIM-3、免疫治疗反应以及免疫微环境相关。
7. 结直肠癌细胞的单细胞 RNA 测序揭示关键伊立替康相关调节因子的表达特征：scRNA-seq 分析发现 FSTL3 和 TMEM98 在组织干细胞和 fibroblasts 中高表达，其他调节因子在不同免疫细胞中表达，可能影响免疫治疗效果。
8. 关键伊立替康相关调节因子的鉴定以及转录和免疫微环境景观：随机森林分析确定了 18 个关键伊立替康相关调节因子，FSTL3 是最重要的风险因素。FSTL3 与转录因子和免疫微环境密切相关。
9. 针对结直肠癌中伊立替康相关调节因子的治疗药物验证：预测了 28 种潜在的伊立替康相关治疗药物，其中 telatinib 可与 FSTL3 蛋白结合，其潜在靶点与细胞增殖、分化和代谢相关。
10. FSTL3 是与预后和临床特征相关的核心伊立替康相关调节因子：高 FSTL3 表达与患者较差的生存相关，其表达水平与 TNM 阶段、生存状态和 T 阶段相关。
11. 整合 FSTL3 和其他独立预后因素的列线图的构建和验证：FSTL3 表达、年龄、T 阶段和 M 阶段是结直肠癌患者的独立预测因素，基于这些因素构建的列线图具有良好的预测性能。
12. FSTL3 可能通过抑制铁死亡促进癌症进展：FSTL3 与铁死亡显著相关，与铁死亡相关的关键基因和代谢途径在高低 FSTL3 表达组中存在差异。
13. SN38 抑制结直肠癌细胞中 FSTL3 和关键铁死亡防御蛋白的表达并诱导铁死亡：SN38 处理后，结直肠癌细胞中 FSTL3 的 mRNA 表达受到抑制，ROS 水平、脂质过氧化和细胞内 Fe²⁺离子浓度增加，铁死亡防御蛋白 GPX4 和 SLC7A11 的表达受到抑制。
    研究结论表明，Iriscore 与预后、TMB、免疫和化疗反应密切相关，FSTL3 作为伊立替康相关的关键风险调节因子，在结直肠癌患者中具有很强的预后价值。scRNA-seq 显示 FSTL3 主要在癌症干细胞中表达，可能是癌症治疗的关键靶点。此外，研究还验证了 FSTL3 与铁死亡的相关性，推测伊立替康可能通过靶向 FSTL3 促进铁死亡。该研究为理解伊立替康在铁死亡中的作用和耐药机制提供了新的视角，有助于开发针对结直肠癌患者的个性化治疗方案。然而，研究也存在一些局限性，如需要更多队列进行外部验证、进一步开展临床队列研究和分子生物学及动物实验等。尽管如此，该研究依然为结直肠癌的治疗研究开辟了新的方向，具有重要的理论和临床意义。