整合多组学分析表明，嘌呤代谢和PI3K-Akt通路在辐射诱导的肺损伤中起重要作用

《Tissue and Cell》：Integrative Multi-Omics Profiling Implicates Purine Metabolism and the PI3K-Akt Pathway in Radiation-Induced Lung Injury

放射性肺损伤机制及生物标志物研究，基于代谢组学和转录组学分析，揭示PI3K-Akt和磷脂酶D信号通路异常及其与肺部微生物群失调的关联，为早期诊断和治疗提供新靶点。

　　

邱俊|李新攀|方毅|吴巧媛|梁世雄

广西医科大学附属医院放射肿瘤科，中国广西壮族自治区南宁市530021

摘要

背景

胸部放射治疗常导致放射性肺损伤（RILI）；然而，其机制尚未完全明了，目前尚无获得FDA批准的疗法。

方法

为了识别关键通路和调控因子，我们在RILI的小鼠模型中分析了代谢和转录组的变化。在接受15 Gy胸部照射后，通过组织病理学（H&E和Masson染色）、基于LC-MS的代谢组学以及转录组学方法对肺组织进行了评估。

结果

受照射的肺部表现出红细胞渗出、炎症浸润、纤维化和上皮损伤，而对照组的组织则没有病理变化。代谢组学分析发现了186种差异表达的代谢物，主要涉及嘌呤代谢和甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢。转录组学分析显示有180个差异表达的基因。综合分析表明，这些代谢物和基因都与PI3K–Akt和磷脂酶D信号通路相关，提示它们可能作为RILI的早期生物标志物。分析还揭示了RILI与肺部微生物群失调之间的关联，为进一步研究提供了新的机制线索。

结论

我们的综合多组学分析表明，RILI的进展特征是嘌呤代谢紊乱和转录组变化，这些变化都集中在PI3K-Akt和磷脂酶D信号通路。这些通路的变化与肺部微生物群失调有关，为早期生物标志物的发现和治疗干预提供了新的途径。

引言

肺癌是全球癌症死亡的主要原因之一[1]，其发病率和死亡率每年都在上升[2]。在治疗方法中，放射治疗（RT）仍然是一个核心手段，既可作为根治性治疗，也可与化疗放疗联合使用。然而，胸部RT的治疗效果受到放射性肺损伤（RILI）的显著限制——这是一种包括急性放射性肺炎（RP）和慢性放射性纤维化（RF）在内的双相病理过程。尽管 conformal RT 技术有所进步，但RP 的发生率仍然很高（15-40%），严重病例甚至危及生命。导致 RILI 进展的潜在机制，特别是从炎症到纤维化的转变，尚未完全阐明，但与肺泡微环境的失调密切相关。这种微环境包含多种细胞成分，包括上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞和免疫细胞，它们通过复杂的信号网络相互作用以维持稳态并应对损伤。持续的放射诱导炎症会破坏这些精细调节的网络，导致异常的修复过程，最终引发纤维化[3]、[4]、[5]。因此，系统地阐明 RILI 中涉及的分子网络和调控通路对于理解其发病机制和开发有效干预措施至关重要。

代谢组学领域为精准医学应用提供了变革潜力，通过分析低分子量化合物来系统地表征代谢紊乱[6]。目前的分析平台，包括核磁共振（NMR）光谱、气相色谱-质谱（GC/MS）和液相色谱-质谱（LC/MS），为生物标志物的发现提供了互补策略。值得注意的是，LC/MS 由于其高灵敏度和高通量能力，已成为临床代谢组学的主要技术[7]、[8]。然而，现有的关于放射诱导的代谢紊乱的研究仍受到一些关键限制的阻碍：样本量不足、组织特异性分析不足以及缺乏多组学验证——这些限制阻碍了临床转化[9]。

与此同时，转录组学技术通过实现全基因组的基因表达谱分析，彻底改变了生物医学研究。RNA测序可以检测组织样本中所有细胞的平均基因表达，已被广泛用于识别各种疾病模型中的分子特征和失调通路[10]。这种方法已成功应用于阐明多种复杂疾病的发病机制，包括肿瘤性疾病、自身免疫性疾病和呼吸系统疾病[11]、[12]、[13]。对于 RILI 的研究，RNA测序为揭示肺部疾病和损伤模型中的分子机制提供了强有力的手段，从而为疾病进展和潜在的治疗靶点提供了见解[13]。此外，针对肺部损伤关键事件的新兴干预策略也显示出前景。例如，天然化合物 astilbin 已被证明可以通过激活NRF2通路和抑制上皮细胞中的铁死亡（ferroptosis）来减轻急性肺损伤，为 RILI 的干预提供了新的视角[14]。

基于这些技术进步，我们的研究使用 RNA 测序系统地识别了与放射性肺损伤（RILI）相关的重要差异表达基因（DEGs）。通过包括层次聚类、基因本体（GO）功能注释和京都基因组百科全书（KEGG）通路富集在内的综合生物信息学分析，我们旨在表征 RILI 发病机制中失调的分子网络和生物过程。这种转录组学方法与代谢组学分析相结合，有望阐明放射性肺损伤的机制，并为未来的靶向治疗策略奠定基础。

章节片段

RILI 小鼠模型的建立

从中国上海的实验动物中心获得了C57BL/6小鼠（6-8周龄，SPF）。小鼠在标准条件下饲养了两周以适应环境。将小鼠随机分为两组（每组6只）：（1）对照组：接受假照射；（2）RILI组：在麻醉状态下接受单次15 Gy的胸部照射。照射使用直线加速器（Elekta Infinity）产生的6 MV X射线，照射范围为2.0 cm × 2.0 cm，覆盖双肺。

肺组织中的放射诱导病理变化

组织病理学检查显示，RILI组出现了急性和亚急性损伤。光学显微镜分析发现红细胞渗出、淋巴细胞浸润、肺泡上皮细胞退化和坏死、毛细血管扩张和充血，以及轻度纤维化。气管支气管上皮组织紊乱并脱落。相比之下，对照组的肺实质和间质在组织学上没有明显变化（图1B）。Masson染色进一步证实了这些观察结果。

讨论

RILI 是胸部放射治疗的严重并发症[15]，通常在照射后数周至数月内发生。在我们通过15 Gy胸部照射建立的小鼠模型中，1个月随访时观察到明显的组织病理学变化，包括血管充血、间质水肿、肺泡隔增厚、单核细胞浸润和胶原沉积，表明了进行性的纤维化转变。尽管有这些特征性的病理变化……

结论

利用放射性肺损伤的小鼠模型，我们发现了嘌呤代谢和甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸通路的显著变化，多组学整合分析表明这些变化集中在PI3K-AKT和磷脂酶D信号通路。免疫组化验证证实RILI组织中p-PI3K和p-AKT的表达升高。这些发现不仅揭示了RILI的发病机制，还确定了潜在的生物标志物和治疗靶点。

声明

无。

伦理批准声明

所有程序均获得了湖南省人民医院动物保护与利用委员会的批准（2023-Ethics -51）。作者确认所有动物实验均符合ARRIVE指南、1986年英国《动物（科学程序）法案》及相关指南、欧盟指令2010/63/EU关于动物实验的规定，或美国国立卫生研究院关于实验动物护理和使用的指南（NIH Publications No. 8023，修订于1978年）。

利益冲突披露

作者声明没有利益冲突。

未引用的参考文献

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资助

本项目得到了中国国家自然科学基金区域科学基金项目（项目编号：8246120110）的资助。

CRediT作者贡献声明

邱俊：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、资源准备、方法学设计、概念构建。李新攀：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、资源准备、方法学设计、概念构建。方毅：撰写 – 审稿与编辑、监督、实验设计。吴巧媛：撰写 – 审稿与编辑、监督、实验设计。梁世雄：撰写 – 审稿与编辑、监督、实验设计。

致谢

本项目得到了中国国家自然科学基金区域科学基金项目（项目编号：8246120110）的资助。

患者同意书

不适用。

出版同意

不适用。