《Journal of the Egyptian National Cancer Institute》：Unlocking new therapeutic horizons through integrative bioinformatics and transcriptomics for drug repositioning in breast cancer therapy
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本研究旨在通过整合转录组学与生物信息学框架，识别乳腺癌（Breast Cancer, BRCA）的候选药物靶点及重定位药物。研究人员从基因表达综合数据库（Gene Expression Omnibus, GEO）的四个微阵列数据集中识别差异表达基因（Diffe
本研究旨在通过整合转录组学与生物信息学框架，识别乳腺癌（Breast Cancer, BRCA）的候选药物靶点及重定位药物。研究人员从基因表达综合数据库（Gene Expression Omnibus, GEO）的四个微阵列数据集中识别差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs），采用limma包进行分析，设定阈值|log2倍数变化|>1及错误发现率（False Discovery Rate, FDR）<0.05。通过蛋白质-蛋白质相互作用（Protein-Protein Interaction, PPI）分析，利用STRING数据库扩展重叠DEGs，构建基因互作网络。随后，采用WebGestalt工具对十个生物学证据类别进行功能注释，通过多标准评分方法优先排序BRCA风险基因。药物-基因相互作用通过药物-基因相互作用数据库（Drug-Gene Interaction Database, DGIdb）进行分析，并利用基因型-组织表达项目（Genotype-Tissue Expression, GTEx）数据库评估组织特异性基因表达。
研究结果显示，共识别出28个一致性失调基因，并扩展为包含77个基因的相互作用网络。功能优先排序获得18个BRCA风险基因，其中包含5个可成药的靶点，对应11种候选药物。ITGB7作为有前景的生物标志物和治疗靶点脱颖而出，维得利珠单抗（vedolizumab）被确定为最优先的候选药物。
该研究凸显了整合转录组学分析在识别BRCA生物标志物和药品重定位候选物方面的潜力，为进一步的实验验证奠定了基础。
乳腺癌（Breast Cancer, BRCA）是全球女性中最常见的恶性肿瘤之一，也是导致癌症相关死亡的主要原因，构成了重大的全球健康负担。该疾病在临床和分子层面具有高度异质性，包含多种具有不同组织病理学特征、基因表达谱和治疗反应性的亚型。尽管早期BRCA在约70%-80%的患者中有治愈可能，且总体五年生存率约为91%，但复发、治疗抵抗以及不良预后仍是严峻挑战，特别是在三阴性乳腺癌（Triple-Negative Breast Cancer, TNBC）等侵袭性亚型中。2020年全球新增约230万BRCA病例，约68.5万人因此死亡。这些临床困境凸显了识别新型治疗靶点和开发更有效治疗策略的迫切需求。
药品重定位（drug repositioning）策略通过为已获批药物寻找新的治疗适应症，为解决上述治疗难题提供了新途径。与传统新药研发相比，药品重定位具有研发周期短、成本低、安全性profile明确等优势，因候选药物多已完成临床测试。该策略在多种疾病领域已有成功应用，例如阿司匹林最初作为镇痛药开发，现已被广泛研究用于结直肠癌的化学预防。在肿瘤学领域，药品重定位为快速探索替代治疗选择和识别可能调控肿瘤进展关键分子通路的化合物提供了机遇。
近年来，计算生物学和多组学技术，特别是转录组学的进步，显著增强了识别候选重定位药物的能力。转录组学分析能够全面描绘与BRCA进展相关的基因表达变化，而整合性生物信息学工具则有助于解读这些数据以识别相关的药物-基因相互作用。基于上述背景，研究人员开展了一项整合性生物信息学研究，旨在系统筛选BRCA的潜在药品重定位候选物，该论文发表于《Journal of the Egyptian National Cancer Institute》。
研究采用的关键技术方法包括：从四个GEO微阵列数据集（GSE1992、GSE36295、GSE42568、GSE20711）获取样本，使用R语言limma包进行跨队列差异表达分析；应用STRING数据库进行PPI网络扩展；利用WebGestalt平台基于十个生物学证据类别进行功能注释和多标准基因优先评分；采用DGIdb数据库进行药物-基因相互作用分析；以及通过GTEx数据库进行组织特异性表达谱分析。
研究首先进行了差异表达基因的识别与整合分析。研究人员对四个GEO微阵列数据集进行分析，GSE1992数据集获得277个DEGs（93个上调，184个下调），GSE36295数据集获得924个DEGs（432个上调，492个下调），GSE42568数据集获得5720个DEGs（2744个上调，2976个下调），GSE20711数据集获得543个DEGs（460个上调，83个下调）。通过跨数据集交集分析，识别出28个在四个数据集中共同差异表达的高置信度基因，这些基因被选为下游富集和网络分析的基础。
接着进行了BRCA风险基因的功能优先排序。研究人员将28个高置信度DEGs提交至STRING数据库进行PPI网络扩展，设定最小相互作用置信度阈值为0.5，获得包含77个基因的扩展网络。为系统优先排序具有治疗潜力的基因，研究人员采用基于多标准功能注释的复合评分框架，涵盖以下十个类别：基因本体（Gene Ontology, GO）生物学过程（16个）、分子功能（11个）、细胞组分（12个），京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG）通路（23个），DisGeNET疾病关联（4个），人类细胞图谱（Human Cell Landscape）组织特异性表达（18个），人类表型本体（Human Phenotype Ontology）表型相关性（10个），全基因组关联研究（Genome-Wide Association Study, GWAS）信号（2个），敲除小鼠表型数据（20个），以及癌症基因组图谱（The Cancer Genome Atlas, TCGA）BRCA RNA-Seq差异表达数据（28个）。采用累积评分系统，评分≥4的基因被认定为生物学BRCA风险基因，最终获得18个优先候选基因。
在候选药物识别方面，研究人员将18个BRCA风险基因映射至DGIdb数据库，仅5个基因具有可成药性，对应11种药物。其中，帕米膦酸二钠（pamidronate，NCT00128297）处于BRCA临床研究阶段，依替巴肽（eptifibatide）和替罗非班（tirofiban）处于临床前研究阶段，其余8种尚未在BRCA治疗中报道。值得注意的是，ITGB7与维得利珠单抗存在重叠，且获得较高的相互作用评分（8.7），成为最有前景的靶点。GTEx数据分析显示，ITGB7主要在免疫相关组织中表达，包括全血、脾和EBV转化淋巴细胞，且在男性和女性中表达模式一致，支持其在免疫调节中的作用及其作为BRCA候选生物标志物的合理性。
讨论部分，研究人员指出该研究构建了整合多队列转录组分析、PPI网络扩展、多标准功能评分系统和药物-基因相互作用映射的计算框架。与传统基于转录组学的药品重定位方法相比，该框架通过多队列DEG交集、基于PPI的网络扩展以及整合十个生物学证据来源的多标准功能评分系统，系统优先排序生物学相关的BRCA相关基因，旨在增强生物学可解释性并减少假阳性候选靶点。
研究人员深入分析了ITGB7的生物学意义。ITGB7编码整合素β亚基，参与细胞-细胞黏附、免疫细胞迁移和组织微环境中的信号转导。GTEx数据证实ITGB7主要在全血和脾等免疫相关组织中表达，与其在免疫细胞归巢和淋巴细胞迁移中的已知功能一致。整合素被公认为细胞黏附和免疫信号通路的关键调控因子，其失调与多种肿瘤类型的肿瘤进展和肿瘤-免疫相互作用相关。既往研究提示ITGB7在BRCA中表达可能发生改变，并与黏着斑、细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）-受体相互作用、PI3K-Akt信号等通路相关，这些通路在肿瘤黏附、迁移和存活中发挥核心作用。此外，ITGB7可能通过激活整合素相关信号通路（包括FAK和HIF-1α）参与TNBC的代谢重编程和肿瘤侵袭性，且其与免疫细胞浸润模式及免疫耗竭标志物CTLA4、LAG3和TIM-3存在相关性。然而，这些发现主要为相关性研究，尚不能建立因果关系。
维得利珠单抗作为靶向α4β7整合素复合物的单克隆抗体，目前获批用于炎症性肠病治疗，通过调节淋巴细胞向肠道组织的迁移发挥作用。研究人员指出，β7整合素参与T细胞迁移、调节性T细胞归巢和组织驻留免疫细胞群的功能，且整合素介导的免疫细胞相互作用在多种肿瘤模型中被证实参与抗肿瘤免疫。这些观察为探索ITGB7相关通路的调控是否可能影响BRCA微环境中的免疫动态提供了生物学依据。但研究人员强调，鉴于所有发现均来自生物信息学分析，维得利珠单抗在BRCA中的相关性应被视为假设生成性发现，需在实验和临床前BRCA模型中进一步验证。
研究人员也客观阐述了研究的局限性：所用转录组数据集样本量相对较小且存在异质性；DGIdb数据库虽为 curated 资源但整合了多个来源的证据，数据库来源的药物-基因相互作用不一定在特定疾病背景下具有直接治疗效力；ITGB7表达与免疫浸润、代谢特征之间的关联为相关性而非因果性；ITGB7在BRCA中的临床相关性在不同研究中尚不一致，需在更大规模、注释完善的患者队列中验证；且该研究完全基于生物信息学分析，未来需要体外功能实验和体内临床前模型等实验研究来证实ITGB7作为治疗靶点的价值以及维得利珠单抗等候选药物的转化潜力。因此，识别的候选药物应被视为未来转化研究的起点，而非BRCA治疗的即刻策略。
研究结论部分指出：该整合分析凸显了ITGB7作为BRCA有前景的生物标志物和治疗切入点的价值，将肿瘤代谢、免疫调控和疾病进展联系起来。与维得利珠单抗的强相互作用说明了药品重定位策略加速治疗发现的潜力。虽然仍需实验验证，但这些发现为探索ITGB7靶向治疗以改善BRCA预后提供了令人信服的依据。研究人员同时强调，这些发现应被视为初步的计算预测，需要进一步的实验和转化验证。
