《Computational Biology and Chemistry》：Integrative Transcriptomic and Experimental Analysis Identifies Collagen-Associated Hub Genes Bridging Chronic Hypersensitivity Pneumonitis and Lung Cancer
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本研究通过整合计算生物学、体外实验和临床分析，揭示了慢性过敏性肺炎（CHP）与肺癌（LC）共享的胶原蛋白相关分子特征。转录组测序鉴定出158个共表达基因，其中9个关键基因（如COL10A1、COL22A1等）富集于胶原蛋白合成及细胞外基质重塑通路。实验验证显示这些基因在CHP和LC患者中显著上调，并通过分子对接证实布地奈德硫酸盐对胶原蛋白相关蛋白具有潜在抑制作用，其药代动力学特性显示良好的口服生物利用度和低毒性，提示其作为靶向治疗的新策略。
桑朱克塔·达斯古普塔（Sanjukta Dasgupta）|比什努普里亚·萨哈（Bishnupriya Saha）|苏班杜·查克拉巴蒂（Subhendu Chakrabarty）|阿姆兰·达斯（Amlan Das）|莫皮娅·戈什（Moupiya Ghosh）|帕拉什·保罗（Palash Paul）|苏什米塔·罗伊·乔杜里（Sushmita Roy Chowdhury）|科埃尔·乔杜里（Koel Chaudhury）
印度巴拉萨特（Barasat）Brainware大学生物技术系
摘要 慢性过敏性肺炎（CHP）是一种炎症性肺病，在持续抗原暴露的情况下会发展为纤维化，并增加患肺癌（LC）的风险。本研究探讨了CHP与肺癌之间的共同分子特征，强调了与胶原蛋白相关的基因在疾病进展中的作用。转录组分析发现了158个差异表达的基因，网络分析揭示了9个核心基因：COL10A1 、COL22A1 、COL7A1 、COL5A2 、COL17A1 、GPR17 、CCK 、ADRA1A 和EDNRB ，这些基因主要富集在与胶原蛋白生物合成和细胞外基质（ECM）组织相关的通路中。观察到5个胶原蛋白基因（COL10A1 、COL22A1 、COL7A1 、COL5A2 和COL17A1 ）的表达显著上调，这些计算机模拟结果通过来自CHP患者（n = 7）、肺癌患者（n = 8）和对照组（n = 7）的支气管肺泡灌洗液样本得到了实验验证。
药物-基因相互作用分析表明硫酸沙丁胺醇（albuterol sulfate）可能是针对胶原蛋白相关通路的潜在候选药物。分子对接分析显示硫酸沙丁胺醇与胶原蛋白具有中等亲和力，提示其在调节ECM方面可能发挥作用。药代动力学和ADMET分析表明其具有良好的口服生物利用度（生物利用度评分：0.17）和低毒性。体外验证显示硫酸沙丁胺醇对A549肺癌细胞表现出中等细胞毒性（IC?? = 150 μg/mL），但在WI38正常肺成纤维细胞中的毒性显著降低，这支持了其选择性抗癌活性并对正常人体细胞的影响较小。总体而言，本研究强调了胶原蛋白失调在连接CHP和肺癌中的核心作用，并展示了如何结合计算机模拟、体外实验和临床分析以及分子对接方法来揭示纤维化和肿瘤性病理的新治疗见解。
引言 慢性过敏性肺炎（CHP）是一种由长期或反复接触空气中的抗原（如灰尘、霉菌或动物蛋白质）引起的炎症性肺病。这种持续的暴露会触发慢性免疫反应，导致持续的炎症和进行性的肺损伤（Morisset等人，2018年）。随着时间的推移，持续的炎症过程会促进组织重塑和纤维化的发生。随着肺纤维化的进展，受损的肺组织会经历反复的损伤和修复周期，从而形成有利于基因突变的微环境（Yasuma和Gabazza，2022年）。这些突变增加了肺细胞发生恶性转化的风险，建立了CHP与肺癌风险增加之间的潜在联系。Kuramochi等人报告称，CHP患者的肺癌发病率较高，为10.6%。肿瘤主要位于肺实质纤维化区域的蜂窝状结构附近（Kuramochi等人，2011年）。尽管确切机制仍在研究中，但慢性炎症、纤维化和癌症风险之间的联系在CHP患者中变得越来越明显。
流行病学和临床病理学证据强烈支持CHP相关纤维化与肺癌风险之间的关联。肺癌是癌症相关死亡的主要原因之一，源于异常肺细胞的失控生长（Nasim等人，2019年）。虽然吸烟是主要的风险因素，但像肺纤维化这样的慢性肺病也会增加肺癌风险。纤维化会导致过度瘢痕形成、肺组织硬化，并创造一个易于发生基因突变的微环境。特发性肺纤维化（IPF）患者的肺癌风险显著高于普通人群（Leng等人，2020年），在尸检研究中的发病率介于4.4%到13%之间（Naccache等人，2018年；Kato等人，2018年；Bargagli等人，2017年；Brown等人，2019年）。在国家肺筛查试验中，即使是肺纤维化的最早迹象——即间质性肺异常，也与癌症风险增加相关，调整后的发病率比为1.33（Whittaker Brown等人，2019年）。
从机制上讲，纤维化肺微环境的特征是由慢性炎症、氧化应激和持续的组织重塑驱动的促肿瘤微环境（Brown等人，2019年）。转化生长因子-β（TGF-β）由活化的成纤维细胞和失调的上皮细胞分泌，在纤维化和癌症中起核心作用，它促进了上皮-间充质转化、免疫逃逸和抗凋亡抵抗（Kinoshita和Goto，2019年）。肌成纤维细胞在肿瘤边缘积累，提供结构和生化支持，增强了肿瘤的侵袭和进展。因此，肺纤维化和肺癌似乎代表了由共同的微环境和分子机制联系起来的相互关联的病理状态。
近年来，肺纤维化越来越被理解为一种网络驱动的疾病，在这种疾病中，特定的核心基因协调代谢、炎症和细胞外基质（ECM）通路的改变，而不是作为孤立的分子实体。值得注意的是，在之前的一项研究中，共有11个核心基因ASPN 、CDH2 、COL1A1 、COL1A2 、COL3A1 、COL14A1 、CTSK 、MMP1 、MMP7 、POSTN 和SPP1 在IPF患者的纤维化肺组织中一致上调。功能富集分析显示，这些基因主要参与ECM组织、胶原纤维形成、基质降解和组织重塑，突显了它们在IPF发病机制中的核心作用。这些核心基因在与胶原蛋白代谢、ECM重塑以及蛋白质消化和吸收相关的信号通路中发挥重要作用，从而促进了持续的纤维化和疾病进展（Wan等人，2021年）。最近，Jin等人（2024年）报道了5个与ECM相关的基因（POSTN 、CTHRC1 、COL3A1 、COL5A2 和COL12A1 ），这些基因在特定类型的成纤维细胞中高度表达。这些基因参与ECM沉积，在肺纤维化的纤维化重塑中起关键作用（Jin等人，2024年）。在另一项研究中，对多个独立微阵列数据集的整合分析一致发现了IPF中的失调基因，其中一些基因也与肺癌的发展有关，支持了纤维化重塑和肿瘤发生之间的共同分子基础。这项分析确定了一组核心基因，包括TNC 、CDH2 、APOE 、SPP1 、SERPINA1 、FBN1 、IL6 、FN1 和CYR61 ，作为IPF的潜在调节因子和诊断及预后生物标志物。此外，其中一些核心基因（包括CDH2 、SPP1 、TNC 、CYR61 和IL6
生物信息学和系统生物学的进步促进了这种分子重叠的认识。公共数据库如Gene Expression Omnibus（GEO）能够大规模地查询与疾病相关的转录组变化，从而识别出共有的差异表达基因（DEGs）、调控网络和潜在的治疗靶点。整合转录因子、microRNAs、免疫调节因子和蛋白质-蛋白质相互作用网络的系统级分析在阐明复杂呼吸系统疾病的机制方面特别有效（Zhang等人，2015年；Dasgupta等人，2023年；Dasgupta，2024a年；Choudhury等人，2024年）。此外，将生物信息学与分子对接和药物信息学相结合，可以合理预测能够靶向关键疾病相关蛋白的小分子，从而加速转化药物发现。
本研究采用了一种综合的计算机模拟-体外-临床框架 ，以阐明胶原蛋白驱动的分子相互作用，将CHP与肺癌联系起来，从而揭示关键的分子特征和具有药理相关性的潜在治疗靶点。分析了两个GEO数据集，以识别重叠的基因表达特征，并使用额外的GEO和GEPIA数据集进行了进一步验证。特别关注了与胶原蛋白相关的基因，因为它们在纤维化和肿瘤微环境重塑中起着关键作用。这些候选基因的表达模式在CHP、肺癌和对照组的支气管肺泡灌洗液样本中得到了进一步的实验验证，证实了计算机模拟的结果。最后，确定了针对胶原蛋白相关蛋白的潜在候选药物，分子对接证实了它们具有有利的结合亲和力，表明这些靶点具有转化相关性。在A549肺癌细胞中的药物有效性进一步证实了所识别靶点的功能重要性和治疗潜力。
章节片段 共同差异表达基因的识别 使用关键词“lung cancer”和“chronic hypersensitivity pneumonitis”在公开数据库NCBI-GEO（
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ ）中进行了搜索（访问时间：2024年9月17日）。根据两个标准筛选数据集：（i）数据集的完整性；（ii）数据集属于“
Homo sapiens ”。经过广泛研究，选择了GSE150910和GSE268175两个数据集，分别用于CHP和肺癌患者。
CHP和肺癌中的基因表达改变 CHP和肺癌的基因表达分析显示了不同的但重叠的转录变化。在CHP中，257个基因表达上调，114个基因表达下调；相比之下，肺癌中有1270个基因表达上调，933个基因表达下调。这种差异表达突显了这两种疾病的多样性。然而，CHP和肺癌之间的比较分析发现了158个
讨论 CHP与肺癌之间的关联是一个值得研究的领域，基因表达分析揭示了两种疾病中涉及的分子途径的显著重叠。本研究的结果强调了探索共同基因表达机制的重要性，提供了对潜在共同疾病进展途径的见解，并突出了新的治疗靶点。
基因表达分析为
结论 本研究揭示了CHP和肺癌之间的重要分子联系，突出了共同的转录机制和通路。转录组和网络分析表明，胶原蛋白生物合成和ECM重塑的失调构成了这种分子相互作用的核心，促进了有利于肿瘤形成的微环境。在患者样本中的实验验证证实了关键胶原蛋白基因的上调，进一步强调了基于生物信息学的
伦理批准 该研究获得了印度加尔各答Fortis医院伦理委员会的批准（IEC/2023/OAS/05）。所有患者在参与研究前都获得了书面知情同意。
CRediT作者贡献声明 科埃尔·乔杜里（Koel Chaudhury）： 研究、资金获取。帕拉什·保罗（Palash Paul）： 数据管理。苏什米塔·罗伊·乔杜里（Sushmita Roy Chowdhury）： 研究、数据管理。阿姆兰·达斯（Amlan Das）： 正式分析。莫皮娅·戈什（Moupiya Ghosh）： 正式分析。比什努普里亚·萨哈（Bishnupriya Saha）： 数据管理。苏班杜·查克拉巴蒂（Subhendu Chakrabarty）： 正式分析。桑朱克塔·达斯古普塔（Sanjukta Dasgupta）： 写作-审稿与编辑、初稿撰写、正式分析、数据管理、概念化。
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢 作者感谢Srijit Set先生、Tamanita Kundu小姐、加尔各答Fortis医院的临床医生以及研究参与者提供的宝贵帮助。
