《NanoImpact》：In silico temporal mapping of fibrogenic and immune gene dynamics in rat lung following crystalline silica exposure
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硅尘暴露诱导肺纤维化的时间分辨分子机制研究通过整合7组GEO数据（共194只大鼠、5726个基因），揭示急性期以巨噬细胞介导的炎症信号（TNF-α/NF-κB、IL-1b）和粒细胞的趋化（CXCL2）为主，亚急性期出现干扰素信号抑制及氧化应激，亚慢性期则表现为TGF-β/ECM激活和代谢重编程，并鉴定出Chi3l1、Mt1、Phka1、Sod2四个稳定跨期的生物标志物，其预测价值在COPD和IPF肺组织中得到验证。
摘要
吸入结晶二氧化硅（CS）与暴露工人的肺硅沉着病、纤维化和癌症有关，但其潜在的分子机制尚不清楚。我们从NCBI基因表达组（NCBI Gene Expression Omnibus）中获取了关于大鼠肺部因CS诱导的基因表达变化的可公开数据集。通过使用预定义的数据库、搜索词和资格标准，通过PRISMA指导的系统性搜索确定了七个数据集。这七个数据集共包含了194只大鼠和5726个基因，这些基因根据暴露时间被分类为急性（≤2天）、亚急性（3天至1个月）和亚慢性（1至6个月）反应。经过归一化和批量校正后，转录组数据集接受了时间聚类、通路水平基因集富集分析、免疫细胞解卷积以及基于机器学习的特征选择，以识别与结晶二氧化硅暴露相关的关键分子特征。时间聚类揭示了八个不同的基因簇。急性反应表现为巨噬细胞驱动的促炎细胞因子（TNF/NF-κB、Il1b信号通路）和中性粒细胞招募趋化因子（Cxcl2）的活性增强。亚急性反应显示干扰素信号通路短暂抑制，而后期反应则主要由持续的炎症和纤维化相关通路主导，表现为Spp1、TGF-β信号通路以及糖酵解代谢重编程。免疫细胞解卷积表明在亚急性阶段中性粒细胞流入增加，随后在整个暴露期间巨噬细胞逐渐积累。机器学习分析显示Chi3l1、Mt1、Phka1和Sod2是最佳预测生物标志物，这些标志物在所有时间点都发生一致变化，并且在免疫和纤维化通路中富集，且与巨噬细胞亚型有很强的相关性。使用慢性阻塞性肺疾病和特发性肺纤维化患者的转录组谱进行验证进一步支持了它们的预测价值。这种综合方法揭示了时间上的基因表达模式，并指出了CS引起肺病背后的已知和新的机制及肺细胞动态变化。
引言
吸入可吸入结晶二氧化硅（CS）会导致硅沉着病，这是一种不可逆的慢性肺疾病，其特征是持续炎症、进行性纤维化和早死。从职业健康的角度来看，硅沉着病仍然是一个严重的健康问题，尤其是在建筑、农业、采矿、石材切割和金属制造等行业中，这些行业的CS暴露量仍然很高（Barnes等人，2019年）。吸入可吸入CS的人患肺癌的风险也会增加（IARC，2012年），以及其他肺部疾病如慢性阻塞性肺疾病（COPD）和肺纤维化（IPF）（Iversen等人，2024年；Leung等人，2012年）。COPD和IPF与硅沉着病患者有许多共同的病理特征，包括慢性炎症、氧化应激和组织重塑。这表明存在一些与病因无关的过程驱动着纤维化病理，研究CS的发病机制可能有助于更深入地理解其潜在机制。
当吸入不可溶性颗粒物质（如CS）时，它们会沉积在呼吸道中。上呼吸道和细支气管区域的颗粒通常在24小时内被清除，而沉积在深部肺部的颗粒则会持续存在数周、数月甚至终生。沉积在肺泡区域的CS颗粒会被肺泡巨噬细胞迅速吞噬，这些巨噬细胞可能会经历多种形式的细胞死亡并触发早期炎症反应。这表现为大量多形核中性粒细胞（PMN）侵入肺泡腔（Hamilton等人，2008年；IARC，2012年）。随后，I型肺泡上皮细胞（AT1）发生细胞死亡，肺组织出现组织损伤（Li等人，2024年）。另一种可能的分子触发机制涉及CS与肺上皮细胞的直接相互作用（Galli等人，2011年；Halappanavar，2023年），这种作用独立于巨噬细胞介导的途径。
近年来，研究表明，像石棉、碳纳米管和二氧化硅这样的致纤维化物质会显著改变全球基因表达谱，这与肺细胞组成的变化和纤维化过程有关（Cheng等人，2024年）。早期免疫反应的特点是肺泡巨噬细胞减少，被单核细胞衍生的巨噬细胞取代（Cheng等人，2024年）。传统上认为幼稚巨噬细胞会分化为M1/M2功能亚群（Galli等人，2011年），但最近的研究（例如在石棉和碳纳米管以及辐射诱导的纤维化病理学中）表明，肺泡巨噬细胞被表达促纤维化介质的功能不同的单核细胞群体所取代（Joshi等人，2020年）。中性粒细胞在CS吸入的早期免疫反应中也起着关键作用。在肺上皮细胞和巨噬细胞被激活后，趋化因子如CXCL1、CXCL2和CXCL5会迅速招募中性粒细胞到肺部，它们通过活性氧物种和中性粒细胞细胞外陷阱加剧炎症和组织损伤（Girbl等人，2018年）。CS引起的肺损伤的强度和发展程度在很大程度上取决于暴露的剂量和持续时间。多项研究表明，长期暴露于CS粉尘会导致肺功能逐渐下降，并增加患硅沉着病和其他呼吸系统疾病的风险（Leung等人，2012年）。高剂量的CS会急性引发强烈的炎症反应，表现为中性粒细胞浸润和巨噬细胞激活（Sellamuthu等人，2012年；Umbright等人，2017年）。因此，CS引起的病理变化在急性炎症期、中间免疫调节或过渡期以及以结构性肺重塑和细胞外基质沉积为主的慢性纤维化期之间没有明显区别。尽管剂量和持续时间对CS引起的肺病理变化至关重要，但大多数研究仅关注单一时间点或有限的暴露窗口，仅提供了疾病进展的快照。此外，许多研究仅关注单次剂量情况，这限制了我们对疾病进展的理解。
本研究旨在通过整合不同暴露程度（轻度、中度和重度）下的大鼠肺部基因组数据集，填补关于CS引起的肺病的现有知识空白。利用先进的生物信息学技术，我们致力于开发一个全面的、时间分辨的CS引起的肺病理分子图谱，以便识别新的生物标志物并揭示疾病进展的关键分子特征。
文献搜索和数据收集
为了全面了解CS引起的转录组反应，我们使用了NCBI基因表达组（GEO）和Web of Science数据库进行了系统性的文献搜索。搜索策略应用了医学主题词（MeSH）及其对应的条目词，以确保涵盖相关研究。具体来说，“silica”或“quartz”与“gene expression”或“microarray”或“transcriptome”或“pulmonary inflammation”结合使用AND操作符进行搜索，以确保全面覆盖相关研究。
数据整合和差异基因表达
我们从GEO数据库中识别出七个符合纳入标准的大鼠肺部转录组数据集，包括GSE29110（Langley等人，2011年）、GSE30178（Sellamuthu等人，2011年）、GSE32147（Sellamuthu等人，2013年）、GSE158903（Valentino等人，2023年）、GSE36208（Sellamuthu等人，2012年）、GSE49144（Umbright等人，2017年）和GSE41572（Sellamuthu等人，2017年）。这些数据集的关键特征按暴露组、暴露剂量和暴露时间进行了分类。
讨论
本研究旨在全面描述大鼠肺部在CS暴露后基因表达的动态变化，涵盖急性、亚急性和亚慢性暴露时间，并特别关注将这些分子变化与免疫反应和纤维化进程相关联。通过整合多个转录组数据集，我们确定了驱动CS引起的肺病理变化的稳健基因表达轨迹。
在CS暴露后的急性阶段
结论
本研究通过定义一个时间分辨的框架，加深了我们对CS致病机制的理解。在CS引起的肺部反应中，急性暴露会引发IL-1/TNF-α信号通路和中性粒细胞招募；亚急性暴露表现为干扰素信号通路抑制以及氧化应激和溶酶体应激；亚慢性暴露则表现出以巨噬细胞为主导的纤维化状态，伴有TGF-β/ECM激活和代谢重编程。
CRediT作者贡献声明
Peng Lei：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法学设计、研究实施、数据分析、概念化。
H?kan Wallin：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。
Shan Zienolddiny-Narui：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。
Johanna Samulin Erdem：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。
未引用的参考文献
Halappanavar等人，2023年
Hamilton Jr.等人，2008年
Hoerl和Kennard，1970年
Mandler等人，2025年
Shi等人，2024年
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了欧盟“Horizon Europe计划”通过nanoPASS项目（授权协议编号：101092741）的财政支持。
