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骨关节炎（OA）的发病机制尚未完全明确，缺乏有效生物标志物。研究人员分析 OA 相关转录组数据和丁酸代谢相关基因（BMRGs），确定 38 个差异表达的 BMRGs，筛选出 IL1B、CXCL8 和 PTGS2 为 OA 生物标志物，为 OA 治疗提供新方向。
骨关节炎（Osteoarthritis，OA）是一种常见的骨科肌肉骨骼退行性疾病，全球约有 3 亿多人受其困扰。它主要表现为软骨退变和关节周围骨质增生，会导致关节疼痛、活动受限、僵硬等症状，严重影响患者的生活质量。目前，OA 的具体发病机制还不完全清楚，普遍认为是由肥胖、衰老、创伤、关节过度使用、代谢功能障碍、炎症和遗传等多种因素共同作用引起的。而且，现有的治疗手段有限，无法逆转 OA 的病理进程，对于晚期患者，全膝关节置换术仍是主要治疗方式。因此，寻找新的生物标志物及其相关病理生理机制，对推动 OA 治疗发展至关重要。
丁酸（Butyrate）作为肠道微生物代谢未消化纤维产生的短链脂肪酸，不仅是结肠细胞的主要能量来源，还在维持肠道稳态和功能方面发挥着重要作用。近年来的研究发现，肠道微生物群在 OA 的发生和发展中起着关键作用，丁酸可能通过调节肠道环境来减轻 OA 的进展。然而，丁酸代谢影响 OA 进展的具体生物标志物和机制尚不清楚，有待进一步研究。
为了解决这些问题，青岛大学附属医院等机构的研究人员开展了一项研究，旨在探讨 BMRGs 与 OA 之间的潜在相关性，并寻找新的 OA 生物标志物。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：从 Gene Expression Omnibus（GEO）数据库获取 OA 相关数据集（GSE55235、GSE12021 和 GSE143514），从 GeneCards 数据库确定丁酸代谢相关基因（BMRGs）。运用 limma 等 R 语言包进行差异表达分析筛选差异表达基因（DEGs）；通过多种生物信息学工具进行富集分析、构建蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）网络等；利用支持向量机递归特征消除（SVM - RFE）和最小绝对收缩和选择算子（LASSO）算法筛选生物标志物；采用定量实时聚合酶链式反应（qRT - PCR）验证生物标志物的表达。
下面介绍该研究的主要结果：
- 38 个差异表达的 BMRGs 的鉴定与分析：通过对 GSE55235 数据集进行差异表达分析，研究人员发现 OA 组和对照组之间有 782 个差异表达基因（DEGs），其中 414 个基因在 OA 组上调，364 个下调。将这些 DEGs 与 385 个 BMRGs 相交，筛选出 38 个差异表达的 BMRGs（DE - BMRGs）。后续的富集分析表明，这些 DE - BMRGs 主要与肌肉细胞增殖相关功能以及多种应激反应过程有关，还涉及 PI3K - Akt 和 HIF - 1 等癌症相关信号通路，这些通路与细胞增殖、分化和凋亡密切相关，可能在 OA 的发病和进展中发挥重要作用。
- IL1B、CXCL8 和 PTGS2 被确定为 OA 的生物标志物：构建 DE - BMRGs 的 PPI 网络，发现 IL6 和 EGFR 具有最高的连接性。通过四种算法（degree、MNC、closeness 和 MCC）筛选出候选枢纽基因，再经 SVM - RFE 和 LASSO 分析，最终确定 IL1B、IGF1、CXCL8、PTGS2、SERPINE1 和 MMP9 为候选生物标志物。其中，IL1B、CXCL8 和 PTGS2 在 OA 组和对照组之间表现出显著差异，且在多个数据集中，它们在对照组中的表达更高，因此被确定为最终的生物标志物，且这三个基因之间存在显著相关性。
- 生物标志物与 OA 密切相关：对这三个生物标志物进行基因集富集分析（GSEA），发现它们主要富集在呼吸和免疫相关过程中，表明其异常表达可能促进 OA 的发展。功能相似性分析显示，这些生物标志物之间相似度较高。基于它们构建的人工神经网络（ANN）模型在多个数据集上表现出良好的诊断准确性。基因集变异分析（GSVA）表明，生物标志物低表达组中与细胞增殖、分化、氧化磷酸化代谢和免疫反应相关的通路上调，说明生物标志物表达降低可能破坏能量代谢、免疫炎症反应以及细胞增殖和分化。
- 生物标志物与多种免疫细胞相互作用促进 OA 进展：免疫浸润分析发现，在 22 种免疫细胞类型中，活化和静止的肥大细胞、浆细胞以及静止记忆 CD4 T 细胞在 OA 组和对照组之间存在显著差异。活化的肥大细胞与生物标志物呈正相关，而生物标志物与免疫调节因子 CD86、CXCL12 呈负相关，与 TNFSF9、IL6 呈正相关，这些免疫调节因子可能成为 OA 免疫干预的潜在治疗靶点。
- 生物标志物的机制分析：预测发现多个 miRNA 和 lncRNA 与这些生物标志物相关，如 hsa - miR - 4312、hsa - miR - 4687 - 3p 等可同时调节多个生物标志物，所有 lncRNAs 均通过 hsa - miR - 1294 调节 CXCL8。药物预测分析确定了一些可能用于 OA 治疗的药物，如 Pranoprofen、Indomethacin 等，但许多药物还需进一步实验验证。此外，还发现多种疾病与这些生物标志物相关。
- 生物标志物表达水平的验证：qRT - PCR 结果进一步证实 IL1B、CXCL8 和 PTGS2 在对照组中的 mRNA 表达更高，GSE143514 数据集的分析结果也与之一致。
研究结论和讨论部分指出，该研究通过综合生物信息学分析和表达验证，确定了 IL1B、CXCL8 和 PTGS2 是与 OA 中丁酸代谢相关的生物标志物。这些生物标志物参与了细胞代谢、免疫反应、免疫细胞激活等多个过程，为理解 OA 的发病机制提供了新视角。研究还发现了一些潜在的治疗靶点和药物，为 OA 的治疗提供了新方向。然而，该研究也存在一定局限性，如缺乏体外实验验证和临床确认，样本量较小等。未来研究可通过获取更多样本或采用先进技术克服这些限制，为 OA 的早期诊断和治疗提供更可靠的依据。总之，这项研究为 OA 的研究和治疗开辟了新的道路，具有重要的理论和实践意义。
