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      膿毒癥心肌功能障礙關(guān)鍵基因的篩選及生物信息學(xué)分析

      2022-02-16 05:57:30蔣萬威楊國輝
      中國醫(yī)藥導(dǎo)報 2022年3期
      關(guān)鍵詞:差異基因膿毒癥外周血

      蔣萬威 楊國輝

      貴州醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院,貴州貴陽 550004

      膿毒癥心肌功能障礙(sepsis-induced myocardial dysfunction,SIMD)是因膿毒癥導(dǎo)致的心臟收縮或舒張功能下降,是膿毒癥常見的器官功能障礙之一,與患者的生存風(fēng)險顯著相關(guān)[1-3]。超過10%的SIMD 患者可進(jìn)一步發(fā)展為膿毒癥性心肌病,長期影響患者心功能[4]。至今仍未完全闡明其具體的發(fā)病機(jī)制,多個潛在病理生理過程可能共同參與其中[5]?,F(xiàn)階段多使用超聲多普勒、心肌標(biāo)志物等輔助措施識別SIMD,但這些指標(biāo)缺乏特異性,且尚無針對性的治療措施[6-8]。本研究通過分析高通量基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫中的多個數(shù)據(jù)集,對差異表達(dá)的基因進(jìn)行研究,以期發(fā)掘SIMD 潛在的研究方向。

      1 資料與方法

      1.1 基因表達(dá)數(shù)據(jù)集選擇

      在高通量基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫中檢索膿毒癥患者外周血轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集及SIMD 小鼠心肌組織轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集(表1),為匹配膿毒癥患者外周血樣本選擇小鼠盲腸結(jié)扎穿孔術(shù)(cecal ligation and puncture,CLP)后24 h 的心肌轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)為研究對象。

      表1 膿毒癥患者及膿毒癥心肌功能障礙動物模型數(shù)據(jù)集

      1.2 差異基因篩選

      人體以膿毒癥患者及健康受試者分組,小鼠以CLP 及假手術(shù)分組。使用R 軟件對各組數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析,采用P-Value<0.05、Log2FC >1 為顯著性篩選條件,對小鼠共同差異基因進(jìn)行同源轉(zhuǎn)換,提取膿毒癥患者與動物模型共同差異基因。見圖1。

      圖1 膿毒癥心肌功能障礙差異基因篩選流程

      1.3 差異基因生物功能分析

      對膿毒癥外周血及SIMD 差異基因進(jìn)行基因本體(gene ontology,GO)及京都基因和基因組數(shù)據(jù)庫(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)富集分析。

      1.4 篩選SIMD 關(guān)鍵基因

      對膿毒癥患者差異基因進(jìn)行加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析(weighted correlation network analysis,WGCNA),以P <0.05 提取與臨床性狀顯著相關(guān)的基因模塊,篩選各基因模塊的前50 核心基因,同時定位SIMD 相關(guān)基因。

      1.5 繪制蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(protein-protein interaction,PPI)網(wǎng)絡(luò)

      利用STRING 數(shù)據(jù)庫對膿毒癥患者差異基因進(jìn)行蛋白轉(zhuǎn)換,取中等置信度>0.400 繪制PPI 網(wǎng)絡(luò),篩選提取核心蛋白,并從中定位SIMD 相關(guān)蛋白。

      2 結(jié)果

      2.1 膿毒癥心肌損傷差異基因篩選結(jié)果

      膿毒癥患者外周血及小鼠膿毒癥心肌組織分別有318 個及143 個共同差異基因,SIMD 差異基因占84 個,其中下調(diào)基因54 個,上調(diào)基因30 個。見圖2。

      圖2 膿毒癥心肌功能障礙差異基因

      2.2 膿毒癥心肌損傷差異基因GO 及KEGG 富集分析

      膿毒癥及SIMD 差異基因集中在T 細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、炎癥反應(yīng)等生物學(xué)過程;兩者在細(xì)胞成分及分子功能中也有相似基因富集(圖3~4)。膿毒癥外周血與SIMD 差異基因在KEGG 富集分析中有較大差異(圖5~6)。

      圖3 膿毒癥患者外周血差異基因基因本體富集分析

      圖4 膿毒癥心肌功能障礙差異基因基因本體富集分析

      圖5 膿毒癥患者外周血差異基因京都基因和基因組數(shù)據(jù)庫富集分析

      圖6 膿毒癥心肌功能障礙差異基因京都基因和基因組數(shù)據(jù)庫富集分析

      2.3 差異基因WGCNA 分析

      休克、APPCHE Ⅳ評分、主要診斷與綠色及藍(lán)色基因模塊相關(guān),28 d 存活率與棕色基因模塊相關(guān),見圖7。IRAK3、ANXA3、S100A8、GADD45A、LCN2、MME、LTF、NLRP1、FGL2、GBP5、KLHL2、KIF1B 等 為SIMD的關(guān)鍵基因,見圖8。

      圖7 膿毒癥患者外周血差異基因與臨床性狀特征的關(guān)系

      圖8 膿毒癥心肌功能障礙基因相互作用關(guān)系

      2.5 SIMD 關(guān)鍵蛋白

      共轉(zhuǎn)化658 個蛋白,LTF、LCN2、SOCS3、ITGA4、TLR2、JAK2、FCER1G、ITGAM、IL1R1、CD74、CIITA、MMP9 為SIMD 的關(guān)鍵蛋白。見圖9。

      圖9 膿毒癥心肌功能障礙蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)

      3 討論

      多個病理生理過程參與了膿毒癥器官所致的損傷,免疫調(diào)節(jié)失衡是重要的機(jī)制之一[9-10]。通過基因富集分析發(fā)現(xiàn),SIMD 差異基因同樣集中在免疫的調(diào)控中,這些差異基因與患者的臨床性狀顯著相關(guān),提示免疫調(diào)節(jié)失衡是造成心肌損傷的主要原因[11-13]。

      LCN2 和LTF 處于WGCNA 及PPI 網(wǎng)絡(luò)的核心位置。LCN2 是脂質(zhì)運載蛋白之一,其通過限制細(xì)菌增殖發(fā)揮先天性免疫作用,是巨噬細(xì)胞及中性粒細(xì)胞分化所必須的關(guān)鍵基因,具有調(diào)節(jié)免疫及預(yù)防器官功能損傷的作用[14-17]。LTF 在機(jī)體應(yīng)激時可發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用,其參與了NF-κB 和TLR4 等炎癥信號通路的傳導(dǎo)[18-20]。在膿毒癥患者及動物模型中,LCN2 及LTF 在24 h 內(nèi)顯著升高,與膿毒癥患者呼吸衰竭、APACH Ⅳ評分、休克等有著高度相關(guān)性,可能是SIMD 的關(guān)鍵標(biāo)志物之一。ANXA3 及S100A8 同樣參與炎癥反應(yīng)的調(diào)控,沉默前者可減輕炎癥反應(yīng)[21],而后者可改善膿毒癥所導(dǎo)致的心肌重構(gòu),減輕心肌損傷[22-23]。KLHL2 則參與抗原加工呈遞及先天性免疫系統(tǒng)過程[24-26]。

      SOCS3 同樣是調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)的重要基因之一,其接受多種細(xì)胞因子的刺激,發(fā)揮抑制免疫反應(yīng)的作用[27-28]。一項死亡患者心肌組織的研究中發(fā)現(xiàn),區(qū)別于擴(kuò)張型心肌病及缺血性心肌病,SOCS3 在膿毒癥患者心肌組織內(nèi)呈高表達(dá)趨勢,具有特異性[29]。而該基因在膿毒癥外周血中具有同樣趨勢,可能有利于對SIMD的鑒別[30]。

      綜上所述,本研究聯(lián)合研究多個SIMD 動物及膿毒癥患者的轉(zhuǎn)錄組基因數(shù)據(jù)集,LCN2、LTF、ANXA3、S100A8、KLHL2、SOCS3 是SIMD 潛在的關(guān)鍵基因,在臨床診斷、預(yù)后判斷及治療等方面具有重要意義。

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