《COPD: Journal of Chronic Obstructive Pulmonary Disease》：Ferroptosis-Related Signature Genes and Immune Landscape in Acute Exacerbation of Chronic Obstructive Pulmonary Disease
编辑推荐：
本研究首次系統性揭示了脂肪酸結合蛋白4 (FABP4) 在慢性阻塞性肺疾病急性加重期（AECOPD）中的關鍵作用，將其與鐵死亡 (Ferroptosis)、脂質代謝紊亂及免疫細胞（特別是中性粒細胞和常規樹突狀細胞cDCs）浸潤失調聯繫起來。文章通過整合轉錄組數據分析、機器學習模型和臨床樣本驗證，提出FABP4是AECOPD潛在的診斷標誌物和治療靶點，為理解AECOPD發病機制和精準醫療提供了新視角。
1. 材料與方法
本研究旨在探討鐵死亡相關基因在慢性阻塞性肺疾病急性加重（AECOPD）中的作用及其免疫學意義。研究團隊從GEO數據庫獲取了AECOPD相關的痰液轉錄組數據集（GSE112165），並以另一個數據集（GSE22148）進行外部驗證。此外，還收集了6份支氣管肺泡灌洗液（BALF）樣本和40份臨床痰液樣本進行多層次驗證。分析方法包括差異表達基因（DEGs）篩選、鐵死亡相關基因提取、機器學習（隨機森林和SVM-RFE）模型構建、蛋白質-蛋白質相互作用（PPI）網絡分析、功能富集分析（GO和KEGG）以及使用xCell和CIBERSORT算法評估免疫/基質細胞浸潤情況。
2. 結果
2.1. 鐵死亡相關差異表達基因的鑑定
在GSE112165數據集中，基因集富集分析（GSEA）顯示AECOPD中鐵死亡通路顯著富集。共鑑定出2499個DEGs，與FerrDb數據庫中的鐵死亡相關基因取交集後，得到50個與AECOPD相關的鐵死亡相關DEGs。這些基因包括14個驅動基因、23個抑制基因和13個未分類基因，其中GPX4顯著下調。
2.2. 關鍵生物標誌物的鑑定
研究採用三種計算方法從上述50個基因中篩選關鍵基因：
- •
隨機森林算法確定了重要性排名前10的基因，其ROC曲線下面積（AUROC）為0.958。
- •
支持向量機-遞歸特徵消除（SVM-RFE）算法確定了20個特徵基因，其AUROC為1.0。
- •
通過STRING數據庫構建PPI網絡，鑑定了連接度最高的10個樞紐基因（hub genes）。
將這三種方法篩選出的基因取交集，最終鎖定了兩個關鍵的鐵死亡相關特徵基因：SCD（硬脂醘輔酶A去飽和酶）和FABP4（脂肪酸結合蛋白4）。
2.3. 鐵死亡相關特徵基因在外部驗證隊列中的診斷性能
在外部驗證集GSE22148中，相對於對照組，AECOPD患者中FABP4和SCD的表達均顯著降低。FABP4和SCD單獨診斷AECOPD的AUROC分別為0.736和0.783。而將兩個基因聯合使用，診斷性能有所提升，AUROC達到0.785。
2.4. 使用臨床樣本驗證
對6名患者的BALF樣本進行轉錄組測序分析發現，與穩定期COPD組相比，AECOPD組中FABP4的表達顯著下調。對額外40名患者的痰液樣本進行實時熒光定量PCR（RT-qPCR）分析，進一步證實了AECOPD組中FABP4表達的顯著降低。
2.5. 功能富集分析
基因本體（GO）分析表明，差異表達基因主要參與氧化應激反應、脂肪酸代謝調節和細胞對營養水平的反應等生物過程。京都基因與基因組百科全書（KEGG）通路分析進一步揭示了這些基因在脂質代謝相關通路（如過氧化物酶體通路）中顯著富集。值得注意的是，FABP4在PPAR信號通路中顯著富集。
2.6. 免疫與非免疫細胞浸潤及相關性分析
使用CIBERSORT和xCell算法對GSE112165數據集進行分析，結果顯示AECOPD患者與穩定期患者相比，其免疫和基質細胞浸潤存在顯著差異。與穩定期患者相比，AECOPD組的NKT細胞、B細胞和中性粒細胞比例顯著增加，而樹突狀細胞、M0型巨噬細胞和巨核細胞-紅細胞祖細胞（MEP）的浸潤則顯著減少。BALF樣本的轉錄組數據分析進一步證實了cDCs、MEP細胞和中性粒細胞在AECOPD組中的差異趨勢具有一致性。此外，FABP4表達與樹突狀細胞、MEP細胞呈正相關，而與中性粒細胞呈負相關，這提示FABP4在AECOPD的免疫微環境中可能扮演重要角色。
3. 討論
慢性阻塞性肺疾病（COPD）是全球高死亡率的慢性呼吸系統疾病，其急性加重（AECOPD）顯著增加了疾病負擔。本研究整合生物信息學手段，首次系統性鑑定了FABP4和SCD作為AECOPD中關鍵的鐵死亡相關基因，兩者在AECOPD中均顯著下調，提示它們可能通過調節鐵死亡參與AECOPD的發病。FABP4作為脂肪酸轉運和脂質穩態的關鍵介質，其下調可能損害脂肪酸清除和抗氧化能力，促進細胞膜上脂質過氧化物的積累，從而誘導鐵死亡。SCD是膜脂不飽和脂肪酸合成的關鍵酶，其表達降低可能導致膜脂過度飽和，增加細胞對脂質過氧化物攻擊的敏感性。
多組學驗證表明，FABP4在AECOPD患者的BALF和痰液樣本中表達均顯著降低。通路分析揭示了“氧化應激反應”、“脂肪酸代謝過程”以及“過氧化物酶體”和“PPAR信號通路”的顯著富集，表明脂質代謝失調、抗氧化防禦受損和脂質過氧化積累共同驅動了AECOPD肺組織中鐵死亡的發生發展。
免疫浸潤分析發現AECOPD組中性粒細胞浸潤顯著增加，而常規樹突狀細胞（cDCs）浸潤顯著減少。相關性分析顯示FABP4表達與cDCs呈正相關，與中性粒細胞呈負相關。先前研究表明，FABP4與樹突狀細胞功能密切相關，其缺失會削弱IκB激酶–NF-κB通路的信號傳導。因此，AECOPD急性加重期FABP4的下調可能導致樹突狀細胞PPAR–NF-κB炎症通路信號減弱，進而可能引起中性粒細胞的代償性增加。這提示鐵死亡可能通過調節中性粒細胞和樹突狀細胞的浸潤參與AECOPD的炎症過程。
總之，通過整合多組學分析和臨床樣本驗證，本研究闡明了FABP4在AECOPD期間鐵死亡和免疫微環境失調中的關鍵作用。作為一個關鍵的免疫代謝節點，FABP4有望成為AECOPD早期診斷和靶向干預的候選生物標誌物和治療靶點。研究也承認了樣本量有限等局限性，未來需要擴大隊列進行進一步驗證。
