MPO、PRTN3和CTNND1作为儿童急性血源性骨髓炎的生物标志物的识别及其诊断意义：基于机器学习算法的全面分析

《Frontiers in Pediatrics》：Identification and diagnostic significance of MPO, PRTN3, and CTNND1 as biomarkers in acute hematogenous osteomyelitis in children: a comprehensive analysis using machine learning algorithms

急性血源性骨髓炎（AHO）早期诊断困难，本研究基于GEO数据库筛选差异表达基因，结合LASSO、SVM-RFE和随机森林算法，鉴定出MPO、PRTN3、CTNND1等5个候选生物标志物，其中MPO（AUC=0.9803）、PRTN3（AUC=0.9767）、CTNND1（AUC=0.8832）对AHO诊断具有显著价值，且与Cierny-Mader分期相关，治疗后MPO、PRTN3表达下降而CTNND1升高。

　　急性血源性骨髓炎（Acute Hematogenous Osteomyelitis, AHO）是一种严重的细菌性骨感染，主要影响儿童群体。由于该病的早期诊断对于防止其发展为慢性骨髓炎至关重要，因此寻找可靠且特异的生物标志物成为当前研究的重点。然而，现有的诊断方法在敏感性和特异性方面存在局限，难以满足临床需求。本文通过整合基因表达数据与机器学习技术，识别出与AHO相关的潜在生物标志物，并进一步验证其在诊断和病情监测中的价值。

### 研究背景与意义

AHO是由细菌通过血液传播引起的骨感染，常见于儿童，其发病率在高收入国家约为每年每10万儿童8例。由于其可能引发严重的并发症，如抗生素耐药和脓肿形成，AHO的治疗通常需要住院、侵入性检查、手术干预以及长期的抗菌治疗。尽管临床诊断依赖于症状评估、影像学检查和实验室检测，但传统的影像学方法如X光在早期检测中存在局限，而磁共振成像（MRI）虽然被认为是金标准，但其成本高昂且对治疗效果的影响尚不明确。因此，寻找一种快速、非侵入性且具有高特异性的诊断工具显得尤为迫切。

近年来，随着高通量测序技术的发展，基因组学研究为探索AHO的发病机制和潜在生物标志物提供了新的视角。已有研究表明，某些基因的多态性可能与骨髓炎的发生和发展密切相关，例如NLRP3基因的变异已被发现与创伤性骨髓炎风险增加有关。此外，S. aureus（金黄色葡萄球菌）感染会激活NLRP3炎症小体，而抑制其活性的药物如MCC950可减少骨吸收和相关基因的表达。这些发现提示，某些功能性基因在骨髓炎的进展中具有重要作用，但它们在诊断中的应用仍需进一步研究。

### 研究方法与数据处理

本研究利用来自基因表达数据库（Gene Expression Omnibus, GEO）的GSE30119数据集，该数据集专注于儿童期的金黄色葡萄球菌感染，并包含健康对照组。通过筛选，研究者最终纳入了12例仅限于骨和关节感染的样本以及22例健康对照。在数据预处理阶段，原始基因表达数据经过背景校正、对数转换和标准化处理，使用R语言中的limma包进行处理。为了减少技术偏差，研究者还应用了ComBat函数进行批次效应校正，并保留了组别信息（AHO vs. 对照）以确保数据的生物学相关性。

在识别差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs）方面，研究者采用了一种结合多种机器学习算法的方法。首先，使用LASSO回归算法筛选出15个与AHO相关的潜在诊断标志物。随后，通过支持向量机-递归特征消除（SVM-RFE）算法进一步筛选出39个关键特征。最后，利用随机森林（Random Forest, RF）算法，通过构建多个决策树来提高分类和预测的准确性，最终确定了15个RF算法筛选出的基因。通过三种算法的交叉分析，研究者识别出了五个共同的候选基因：MPO、PRTN3、CTNND1、VARS和LOC401525。

为了进一步验证这些候选基因的诊断价值，研究者收集了61例AHO患者的临床样本，并与25例健康对照进行了比较。结果显示，MPO和PRTN3在AHO患者的血清中显著上调，而CTNND1则显著下调。通过受试者工作特征曲线（Receiver Operating Characteristic, ROC）分析，MPO和PRTN3表现出极高的诊断准确性，AUC值分别为0.9803和0.9767，而CTNND1的AUC值为0.8832。这些结果表明，MPO、PRTN3和CTNND1具有作为AHO诊断标志物的潜力。

此外，研究者还发现，MPO和PRTN3的表达水平与AHO的严重程度密切相关，符合Cierny-Mader分期系统。随着病情的进展，这些基因的表达水平显著升高，而在治疗后则有所下降。相比之下，CTNND1的表达水平在AHO患者中随病情加重而降低，但在治疗后却显著上升，这可能表明其在疾病进程中具有一定的保护作用。

### 基因功能与生物学意义

为了进一步理解这些候选基因在AHO中的生物学功能，研究者进行了基因本体（Gene Ontology, GO）和京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG）通路分析。结果显示，上调的基因主要涉及细菌防御、伤口愈合和细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）相关过程，而下调的基因则与细胞连接和神经免疫信号通路相关，尤其是PI3K-Akt和钙信号通路。这些发现表明，这些基因在炎症过程中可能被抑制，从而影响骨髓炎的进展。

其中，CTNND1基因编码p120-猫头鹰蛋白（p120-catenin），是连接蛋白的重要组成部分，参与细胞间粘附和组织完整性维持。在骨髓炎中，细胞连接的破坏可能为细菌入侵和扩散提供通道，而CTNND1的表达减少可能削弱机体对金黄色葡萄球菌的防御能力。此外，p120-猫头鹰蛋白还被发现与炎症微环境的调节有关，其缺失可能导致NF-κB信号通路的增强，从而促进白细胞浸润和局部炎症的持续。同时，p120与Rho家族GTP酶相互作用，调控细胞骨架动态和炎症细胞迁移。此外，p120还与经典的Wnt/β-猫头鹰信号通路相关，该通路在维持成骨细胞与破骨细胞之间的平衡及骨稳态中发挥重要作用。这些机制解释了CTNND1在AHO患者中表达减少的可能原因，并强调了其作为诊断标志物和潜在治疗靶点的价值。

MPO（髓过氧化物酶）是一种由中性粒细胞和单核细胞产生的含铁酶，主要参与免疫反应和炎症过程。MPO通过将氢过氧化物与氯离子反应，生成具有杀菌作用的次氯酸。然而，MPO的氧化产物不仅具有杀菌功能，还可能对宿主细胞和组织造成损伤，从而加剧炎症反应并延缓骨组织修复。研究表明，MPO的过度表达可能促进急性骨髓炎向慢性骨髓炎的转变，而其表达水平与疾病严重程度呈正相关。

PRTN3（血清蛋白酶3）是一种主要存在于中性粒细胞颗粒中的丝氨酸蛋白酶。在抗菌防御机制中，PRTN3通过切割微生物蛋白直接杀灭病原体，同时还能激活其他抗菌分子，增强中性粒细胞的杀菌能力。此外，PRTN3还能够调节多种细胞因子和趋化因子的表达，从而影响炎症反应的强度和持续时间。然而，其过度表达可能破坏骨基质和软组织，阻碍骨组织修复，延缓康复过程。

### 临床验证与诊断价值

为了验证这些候选基因在临床中的诊断价值，研究者收集了AHO患者的血清样本，并在术前和术后分别检测了MPO、PRTN3和CTNND1的表达水平。结果显示，MPO和PRTN3的表达水平在术后显著下降，而CTNND1的表达水平则明显上升。这表明这些基因不仅在诊断中具有价值，还可能用于监测治疗效果。

与传统的炎症标志物如白细胞计数（WBC）、C反应蛋白（CRP）、红细胞沉降率（ESR）和降钙素原（PCT）相比，这些新发现的生物标志物表现出更高的诊断准确性。MPO和PRTN3的AUC值显著高于常规标志物，而CTNND1的AUC值也达到0.8832，表明其在诊断中的应用潜力。这些基因的表达水平与AHO的严重程度和治疗反应密切相关，因此可能成为评估病情进展和治疗效果的重要工具。

### 临床应用前景

尽管本研究的结果表明MPO、PRTN3和CTNND1具有作为AHO诊断标志物的潜力，但仍需进一步研究以确认其在临床中的实际应用价值。当前的文献表明，这些基因的表达变化可能与骨髓炎的病理机制密切相关，例如MPO和PRTN3的过度表达可能促进炎症反应并影响骨组织修复，而CTNND1的表达减少可能削弱细胞连接的稳定性，从而增加感染风险。然而，这些解释仍需更多的实验数据支持，特别是在机制层面的深入研究。

此外，本研究的样本量相对较小，仅包括61例AHO患者和25例健康对照，这可能限制了其统计效力，尤其是在检测中等关联或进行亚组分析时。因此，未来需要更大规模的多中心研究来验证这些生物标志物的普遍适用性。同时，由于所有参与者均来自中国西南地区，研究结果的外推性可能受到地域和人种因素的影响，未来的研究应考虑纳入更多样化的群体以提高结论的广泛适用性。

### 研究局限与未来方向

本研究存在一些局限性，包括样本量较小、研究人群单一以及随访时间较短。这些因素可能影响对生物标志物长期预后价值的评估，尤其是其在急性向慢性骨髓炎转变中的作用。因此，未来的研究应进一步扩大样本量，增加不同地区和人种的参与，以提高研究的代表性。同时，延长随访时间有助于更全面地评估这些生物标志物的临床价值，尤其是在预测疾病进展和治疗效果方面。

此外，虽然本研究通过机器学习算法筛选出了一些潜在的诊断标志物，但这些算法的输出仍需结合临床数据进行验证。例如，LOC401525和VARS虽然在筛选中被纳入，但其在AHO中的诊断价值尚未得到充分证实。未来的研究可以进一步探讨这些基因的功能及其在骨髓炎中的作用机制，以确定它们是否具有实际应用价值。

### 结论与展望

综上所述，MPO、PRTN3和CTNND1在AHO的诊断和病情监测中表现出显著的潜力。它们的表达水平不仅与疾病严重程度相关，还能反映治疗效果，因此可能成为未来临床诊断的重要工具。然而，为了确保这些生物标志物的广泛适用性和临床价值，还需要更多的研究来验证其机制和实际应用效果。未来的工作可以包括多中心研究、更大规模的样本采集以及对这些标志物与其他病理机制（如铁死亡和铜死亡）相关性的探索，以进一步提高AHO的诊断和治疗策略的精准性。