综合性的网络毒理学和转录组学分析揭示了挥发性有机化合物暴露与类风湿性关节炎之间的致病机制

《Economics & Human Biology》：Integrated network toxicology and transcriptomics analysis reveals the pathogenic mechanism linking volatile organic compounds exposure to rheumatoid arthritis

VOCs通过调控炎症信号通路（TNF、IL-17、NF-κB）、细胞过程失调（蛋白酶解、细胞外基质降解）及免疫应答（整合素介导的免疫细胞黏附/迁移、NK细胞介导的细胞毒性）促进RA发生发展，核心靶点ICAM1和CASP3在分子对接及免疫浸润分析中均被验证为关键节点。

　　挥发性有机化合物（VOCs）作为一类重要的空气污染物，近年来被广泛认为与类风湿性关节炎（RA）的发生和进展存在密切联系。尽管已有大量研究关注VOCs对RA的影响，但其具体的生物机制和关键靶点仍不明确。本研究通过整合网络毒理学、转录组学分析以及分子对接技术，系统地揭示了VOCs如何通过多种信号通路和核心靶点参与RA的发病过程，从而改变免疫细胞与滑膜细胞之间的相互作用。研究结果不仅为VOCs相关的RA防治提供了理论依据，还为环境与疾病相互作用的研究提供了新的视角。

类风湿性关节炎是一种系统性自身免疫性疾病，主要特征为慢性滑膜炎症和渐进性骨破坏，常导致不可逆的关节和器官损伤。尽管在治疗方面取得了显著进展，RA的病因仍不完全明确，许多患者对现有疗法反应不足。RA的发病过程涉及复杂的多阶段机制，包括多年来的无症状免疫失调，这种免疫失调由遗传易感性和环境触发因素共同驱动。最终，这些机制导致了以促炎细胞浸润为特征的滑膜免疫微环境，如激活的巨噬细胞、T细胞和成纤维细胞样滑膜细胞，这些细胞持续引发炎症和组织损伤。随着社会经济的发展，新型空气污染物的增加不仅恶化了环境质量，也对全球公共健康构成了重大威胁。VOCs作为其中的代表性污染物之一，可能通过免疫紊乱、表观遗传修饰、自身抗原分子模拟和氧化应激等机制参与自身免疫疾病的形成。然而，尽管有流行病学研究指出某些VOCs与RA存在关联，其具体的生物学机制仍需深入探讨。

本研究选取了六种主要的VOC类别，包括丙烯醛代谢物、丙烯酰胺代谢物、丙烯腈代谢物、N,N-二甲基甲酰胺代谢物、1,3-丁二烯代谢物和甲苯代谢物。这些VOCs的代谢物基于近期流行病学研究，特别是基于NHANES数据的研究，发现它们与RA风险存在显著正相关。研究中通过整合网络毒理学、转录组学分析和分子对接技术，全面分析了这些VOCs代谢物对RA的影响。首先，利用STITCH、SwissTargetPrediction、SEA、GeneCards和OMIM等数据库，识别了VOCs与RA之间可能的靶点。随后，通过DAVID数据库进行功能富集分析，揭示了这些靶点在生物学过程中的作用。接着，使用STRING数据库构建蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络，并通过Cytoscape进行可视化，以识别核心靶点。此外，还通过GEO数据库验证了这些核心靶点在RA患者和健康对照之间的表达差异。分子对接分析则通过CB-Dock2软件评估了VOCs代谢物与核心靶点之间的结合亲和力，进一步支持了这些靶点可能参与RA的发病机制。

研究发现，ICAM1和CASP3是六种VOCs代谢物中共同的核心靶点。ICAM1是一种免疫球蛋白超家族粘附分子，主要参与细胞间的粘附和免疫细胞的募集。CASP3则是一种凋亡执行蛋白酶，对调节性细胞死亡起关键作用。通过功能富集分析和PPI网络分析，研究发现这些VOCs代谢物可能通过影响炎症信号通路（如TNF、IL-17和NF-κB信号通路）、细胞过程（如蛋白酶解和细胞外基质分解）以及免疫反应（如整合素介导的白细胞粘附和迁移以及NK细胞介导的细胞毒性）来促进RA的发展。此外，分子对接结果表明，这些VOCs代谢物与ICAM1和CASP3之间具有较高的结合亲和力，这提示VOCs可能直接调控这些靶点，从而扰乱免疫反应并推动RA的发生。

进一步的免疫浸润分析显示，RA患者的滑膜组织中，静息性树突状细胞、肥大细胞、记忆性CD4? T细胞和NK细胞的比例显著降低，而记忆性B细胞、浆细胞、滤泡辅助T细胞、γδ T细胞和M1型巨噬细胞的比例则显著增加。研究发现，ICAM1的表达与M1型巨噬细胞、滤泡辅助T细胞和激活的记忆性CD4? T细胞呈正相关，而与调节性T细胞和激活的NK细胞呈负相关。CASP3的表达则与浆细胞、激活的记忆性CD4? T细胞、γδ T细胞和M1型巨噬细胞呈正相关，与静息性和激活的NK细胞呈负相关。这些结果表明，VOCs可能通过ICAM1和CASP3的共同作用，改变RA滑膜组织中的免疫细胞组成，从而促进炎性病理微环境的形成。

在讨论部分，研究指出VOCs的暴露可能与RA的发病机制存在剂量反应关系。多个基于NHANES的研究发现，特定VOCs代谢物在尿液中的浓度与RA的患病率呈正相关。这种浓度依赖性效应加强了VOCs诱导免疫毒性的生物合理性，并突显了监测和控制环境中VOCs水平的重要性。研究还强调了ICAM1和CASP3在RA进展中的交叉激活作用。ICAM1介导的白细胞粘附可以增强局部炎症反应，从而放大TNF-α和中性粒细胞胞外陷阱（NETs）的产生，这可能进一步激活CASP3并导致细胞死亡。相反，CASP3依赖的焦亡会释放损伤相关分子模式（DAMPs），这些分子可能上调滑膜细胞中ICAM1的表达，促进更多的免疫细胞浸润。这种协同作用形成了一个恶性循环，持续加剧滑膜炎症和关节损伤。

此外，研究还探讨了不同VOCs代谢物在免疫过程中的具体作用机制。例如，丙烯酰胺代谢物（AAMA）和丙烯腈代谢物（CEMA）可能通过诱导NETs的形成，放大炎症级联反应。这种作用可能与它们的化学特性和代谢特性有关。甲苯代谢物由于具有显著的脂溶性，能够更容易地穿透细胞膜，尤其是在富含脂质的组织中，如大脑和滑膜组织。这种特性可能增强了MB3C和MHBMA3对关键靶点（如ICAM1和CASP3）的结合亲和力，从而促进白细胞粘附和焦亡通路的激活。相比之下，丙烯酰胺和丙烯腈代谢物由于其α, β-不饱和羰基结构，具有较高的亲电反应性，容易生成氧化性自由基。这些反应性中间体可能诱导显著的氧化应激，主要激活NF-κB通路，并促进NETs的形成。研究还指出，RA患者的滑膜组织中NK细胞的数量和功能存在缺陷，而ICAM1和CASP3的表达与NK细胞水平呈负相关，这表明VOCs的暴露可能损害NK细胞的细胞毒性，从而破坏免疫耐受并促进自身免疫反应。

在方法学方面，本研究采用了一种多层级的整合策略，结合了网络毒理学、分子对接、转录组学验证和免疫浸润分析。这种综合方法为评估新兴环境化学物质的毒性提供了系统且可靠的框架。通过这种方法，研究不仅揭示了VOCs在RA发病中的多重免疫过程，还为VOCs相关疾病的预防和治疗奠定了理论基础。然而，研究也指出了其局限性。首先，研究依赖于公开的GEO数据集，这些数据库缺乏全面的临床数据，如疾病活动评分和用药史，这限制了对药物对基因表达模式潜在影响的分析。为解决这一问题，研究采用交叉验证策略，使用了两个独立的数据集，并仅考虑一致性的差异表达靶点作为显著结果。尽管如此，仍需更大的临床样本队列来验证这些发现。其次，虽然计算方法揭示了新的见解，但仍需通过体外实验和动物模型进行实验验证。例如，未来的研究应验证RA成纤维细胞样滑膜细胞（RAFLSs）在接触代表性VOCs后的基因和蛋白表达，以及评估细胞粘附、迁移、凋亡和焦亡等功能。此外，在控制VOC暴露的胶原诱导性关节炎小鼠模型中进行体内验证，将有助于进一步确认这些靶点在RA进展中的功能作用。同时，由于实际环境中VOCs的暴露复杂且多变，需要更精确的环境监测和前瞻性队列研究，以确定减少VOC暴露是否能够有效降低RA的发病率。

综上所述，本研究通过系统性的生物信息学方法，揭示了VOCs暴露如何通过多种信号通路和关键靶点促进RA的发病机制。这些发现不仅加深了对VOCs在RA中的作用的理解，还为未来的预防和治疗策略提供了理论支持。例如，针对ICAM1或CASP3的单克隆抗体可能成为新的治疗手段，而对RA高风险人群的VOC暴露监测则有助于降低疾病的发生率。此外，本研究强调了VOCs作为可调节的环境风险因素的重要性，并指出未来的研究需要进一步探索这些化合物在免疫调节中的具体作用，以及如何通过干预手段减轻其对RA的不良影响。这些成果为环境健康研究提供了重要的参考，也为RA的个性化预防和治疗策略的制定提供了科学依据。