网络毒理学与机器学习揭示了双酚A暴露对骨关节炎的毒性影响

《Medicine》：Network toxicology and machine learning reveal the toxicological impact of Bisphenol A exposure on osteoarthritis

骨关节炎（OA）的发病与双酚A（BPA）等环境污染物密切相关。本研究通过整合网络毒理学、转录组学及机器学习技术，系统揭示了BPA通过炎症-氧化应激通路影响OA的分子机制。首先预测BPA的235个潜在靶点，结合GEO数据库8组OA转录组数据筛选出3739个OA相关基因，经交集获得47个候选基因。利用113种机器学习模型筛选出最佳模型（AUC=0.901），SHAP分析确定CLK1、PTPRC、ALDH5A1为核心靶点。分子对接证实BPA与这三个蛋白的复合物稳定（结合能

　　随着现代社会对健康问题的关注不断加深，越来越多的研究开始聚焦于环境因素对疾病发生和发展的影响。其中，骨关节炎（Osteoarthritis, OA）作为一种常见的慢性退行性关节疾病，其病理机制不仅与遗传、年龄、机械负荷等因素相关，还受到环境暴露的显著影响。近期，一些研究发现，某些环境污染物，如双酚A（Bisphenol A, BPA），可能通过多种生物学途径影响OA的进展，包括炎症反应、氧化应激和异常的骨代谢。然而，关于BPA如何具体参与OA发病机制的分子机制仍缺乏系统性的探索。因此，理解BPA与OA之间的潜在联系，以及其分子靶点，对于揭示环境因素在OA中的作用，以及寻找新的治疗靶点具有重要意义。

BPA是一种广泛存在于日常生活中的环境化学物质，主要应用于聚碳酸酯塑料和环氧树脂的生产中，同时也被用于制造各种消费品，如电子产品、儿童玩具、厨房用具、水管道和可重复使用的水瓶等。由于人类可通过摄入、皮肤接触以及环境污染途径与BPA发生接触，因此它被归类为典型的环境内分泌干扰物。BPA具有类雌激素活性，能够结合雌激素受体，并通过增强芳香化酶活性产生抗雄激素效应。此外，BPA还能够刺激促炎细胞因子（如TNF-α和IL-6）的产生，从而引发炎症反应；同时，它可能通过干扰线粒体功能、降低抗氧化酶活性以及破坏细胞内信号通路诱导氧化应激。这些机制表明，BPA可能对骨骼健康产生不利影响，从而增加OA的风险。

尽管已有研究揭示了BPA在OA发病中的潜在作用，但其具体分子机制尚未完全阐明。因此，本研究采用了一种整合网络毒理学与转录组学分析的方法，结合机器学习和分子对接技术，系统地探讨了BPA如何通过影响炎症和氧化应激相关通路促进OA的发生和发展。首先，研究人员利用CHEMBL、SwissTargetPrediction和Similarity Ensemble Approach等数据库预测了BPA的潜在靶点，共识别出235个可能的BPA作用蛋白。随后，从Gene Expression Omnibus（GEO）数据库中获取了8个与OA相关的转录组数据集，并通过差异表达分析和加权基因共表达网络分析（WGCNA）筛选出3739个与OA相关的基因。通过将BPA靶点与OA相关基因进行交集分析，最终确定了47个可能的共同靶点。

为了进一步筛选出对OA进展起关键作用的核心基因，研究人员构建了113个机器学习模型，并通过SHapley Additive exPlanations（SHAP）分析来评估各基因在模型预测中的贡献。结果显示，其中三个基因CLK1、PTPRC和ALDH5A1具有最高的重要性得分，被确认为BPA影响OA的关键靶点。为了验证这些基因与BPA之间的潜在相互作用，研究团队进行了分子对接分析。结果表明，BPA与这三个基因的结合能均低于?5 kcal/mol，说明它们之间存在稳定的相互作用关系。

这些发现为理解BPA在OA发病机制中的作用提供了新的视角。CLK1是一种能够磷酸化丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基的双特异性蛋白激酶，主要位于细胞核中，参与调控SR蛋白的磷酸化以及前mRNA剪接过程。研究表明，CLK1能够影响关键剪接因子（如U1-70K和SRSF1）的构象，促进U1小核核糖核蛋白复合物的组装，从而调节剪接位点的识别。异常的RNA剪接与慢性炎症和多种退行性疾病密切相关，而OA中的剪接失调可能导致基质降解酶（如MMPs和ADAMTS）的异常表达，进而破坏软骨稳态。此外，环境毒素如BPA可能通过影响表观遗传调控和转录后机制干扰RNA剪接，例如诱导替代剪接事件和调控剪接体表达。这些机制表明，CLK1可能是BPA影响OA的重要节点之一。

PTPRC，也被称为CD45，是一种在所有有核造血细胞中表达的蛋白酪氨酸磷酸酶，包括T细胞、B细胞和巨噬细胞等。它在调控免疫细胞激活和信号传导过程中发挥核心作用。研究表明，在创伤性OA的滑膜组织中，PTPRC基因表达在免疫细胞群体中高度富集，尤其是单核-巨噬细胞、T细胞和树突状细胞亚群中。蛋白组学分析也显示PTPRC在OA滑膜中的表达水平与炎症状态相关，尽管在类风湿性关节炎中更为显著，但这些结果仍提示PTPRC可能在OA的免疫微环境中具有重要作用。此外，最近的研究发现PTPRC在OA软骨和滑膜组织中均呈现上调趋势，并且与基质降解、细胞死亡和促炎细胞因子表达（如IL-1β和TNF-α）呈正相关。这表明，PTPRC可能通过调控免疫细胞浸润和促炎介质的产生，促进滑膜炎症和软骨降解。因此，PTPRC被确认为BPA与OA之间的核心靶点，这一结论具有生物学合理性。

ALDH5A1是一种编码线粒体NAD?依赖性琥珀酸半醛脱氢酶的基因，该酶在γ-氨基丁酸（GABA）代谢通路中起关键作用，能够将琥珀酸半醛转化为琥珀酸，从而参与能量代谢和抗氧化稳态的调节。ALDH5A1的缺失会导致GABA代谢紊乱，并积累氧化代谢中间产物，进而引发神经系统损伤。近年来，关于OA的研究表明，氧化应激和线粒体功能障碍在OA的发病过程中起着核心作用。活性氧（ROS）的积累可导致软骨细胞凋亡、细胞外基质降解以及NF-κB和MAPK等信号通路的紊乱。ALDH5A1在抗氧化反应中具有解毒功能，其表达水平的降低可能加剧ROS的积累和线粒体损伤，从而破坏软骨代谢稳态。本研究进一步指出，BPA通过诱导氧化应激并抑制抗氧化酶活性，可能进一步损害ALDH5A1的功能，加剧氧化损伤，促进OA中软骨的退化。此外，该基因可能将GABA代谢与关节微环境调控联系起来，为理解代谢-炎症-软骨稳态轴提供了新的思路。

本研究的发现不仅揭示了BPA在OA中的潜在作用机制，也为环境毒理学和相关疾病的预防提供了新的方向。BPA作为一种环境暴露因素，其对OA的影响提示我们应加强对环境内分泌干扰物的监管，以减少其对公众健康的潜在威胁。通过改善工业标准、采用更安全的替代材料以及加强环境监测，可以有效降低BPA的暴露水平，从而降低OA的发生风险。此外，提高公众对减少日常接触BPA相关产品的意识，也是一种有效的预防措施。这些结果强调了将分子毒理学研究转化为实际环境健康保护策略的重要性。

尽管本研究取得了一定成果，但仍存在一些局限性。首先，尽管所用样本量满足探索性分析的基本要求，但仍可能影响结果的外部推广性，进而影响其在更广泛人群中的适用性。其次，尽管在分析过程中部分控制了年龄、遗传背景和生活方式等混杂因素，但无法完全排除残留的混杂效应，这可能对研究结果产生一定影响。第三，本研究的预测结果主要基于生物信息学和计算建模，因此需要进一步通过体外和体内实验验证其生物学意义和准确性。未来的研究应扩大样本量并增加样本多样性，特别是关注高BPA暴露的人群，以更全面地阐明其在特定易感群体中的作用机制。此外，结合分子生物学实验、动物模型和临床随访等多维度研究，有助于进一步验证和优化这些发现的机制基础，从而提升结论的可靠性和转化价值。

综上所述，本研究系统地揭示了BPA可能通过影响炎症和氧化应激相关通路促进OA进展的潜在机制。这些发现不仅为理解环境因素在OA中的作用提供了新的证据，也为预防和控制与环境相关的骨关节疾病提供了理论支持和潜在靶点。未来的研究应进一步探索BPA对OA的具体作用机制，以期为环境健康政策的制定和疾病的干预提供更加坚实的科学依据。同时，这些成果也为相关领域的研究者提供了新的方向，有助于推动对环境毒理学和关节疾病分子机制的深入探索。