基于机器学习的宫颈癌焦亡相关预后基因筛选验证及靶向治疗策略探索

《BMC Medical Genomics》：Machine learning-based screening and validation of pyroptosis-associated prognostic genes and potential drugs in cervical cancer

本研究针对宫颈癌焦亡机制不明的问题，通过生物信息学分析筛选出19个焦亡相关差异基因，构建LASSO预测模型鉴定SPP1、VEGFA、CXCL8三个关键预后基因。实验验证显示敲低SPP1可抑制宫颈癌细胞增殖迁移，并预测148种潜在靶向药物，为宫颈癌预后评估和靶向治疗提供新依据。

　　

在全球女性恶性肿瘤发病率排名中，宫颈癌位居第四，2022年全球新增病例约66万、死亡病例约35万，已成为威胁女性健康的重大公共卫生问题。尤其值得关注的是，85%的宫颈癌病例集中在发展中国家，而人乳头瘤病毒（HPV）长期持续感染被确认为主要致病因素。尽管HPV疫苗和筛查技术不断进步，但宫颈癌的发病机制仍未完全阐明，特别是近年来发现的细胞焦亡（pyroptosis）这一新型程序性细胞死亡形式在宫颈癌发生发展中的作用尚不明确。细胞焦亡作为一种炎症性细胞死亡方式，其特征是细胞肿胀、膜穿孔及IL-1β等细胞内容物释放，既可能通过激活抗肿瘤免疫抑制肿瘤增殖，又可能因过度激活导致肿瘤进展，这种双重作用使得探究其在宫颈癌中的调控机制尤为迫切。

为揭示焦亡相关基因在宫颈癌中的表达特征和临床意义，侯宗辰等研究人员在《BMC Medical Genomics》上发表了题为"Machine learning-based screening and validation of pyroptosis-associated prognostic genes and potential drugs in cervical cancer"的研究论文。该研究整合多组学数据与实验验证，系统分析了焦亡相关基因在宫颈癌中的表达模式、预后价值和治疗潜力。

研究团队采用生物信息学与实验验证相结合的技术路线，主要关键技术包括：从GEO数据库获取4个宫颈癌数据集（GSE7803、GSE9750、GSE63514、GSE67522）进行差异表达分析；通过TCGA数据库验证基因表达与预后关联；利用LASSO回归算法构建预测模型；开展GO和KEGG富集分析揭示生物学功能；运用CIBERSORT进行免疫浸润分析；通过DGIdb数据库预测药物-基因相互作用；采用qRT-PCR、Western blot、MTT法、伤口愈合实验和Transwell实验进行体外功能验证。

Definition of pyroptosis-related genes in cervical cancer

研究人员通过对四个宫颈癌数据集进行差异表达分析，结合GeneCards数据库中的831个焦亡相关基因，最终筛选出19个宫颈癌焦亡相关基因。这些基因在染色体上分布广泛，包括DNMT1、MELK、POLA1等。TCGA数据库验证显示，除S100A12和VEGFA外，其余基因在癌与正常组织中的表达差异均显著，其中13个基因在癌组织中高表达，4个基因低表达。

Characteristics and differences of pyroptosis-related genes in cervical cancer

通过蛋白互作网络分析发现，E2H2、BRCA1、DNMT1和CDK1构成核心互作节点。热图分析进一步证实了这些基因在宫颈癌组织中的表达特征，为后续研究奠定了理论基础。

Enrichment analysis of pyroptosis-related genes in cervical cancer

GO和KEGG富集分析显示，这些差异基因主要富集在内肽酶活性调控、炎症反应、细胞因子产生正调控以及细胞对环境刺激的反应等通路。不同数据集中的富集通路存在差异，提示焦亡相关基因可能通过多种生物学过程参与宫颈癌的发生发展。

Correlation analysis of pyroptosis-related genes in cervical cancer

相关性分析揭示了19个焦亡相关基因在正常宫颈组织和癌组织中的表达相关性，这些基因之间存在复杂的调控网络，为进一步理解它们在宫颈癌中的作用机制提供了线索。

Predicting pyroptosis-associated prognostic genes in cervical cancer

研究团队应用LASSO回归算法构建预测模型，基于最优λ值筛选出7个基因，最终确定SPP1、VEGFA和CXCL8为与宫颈癌预后密切相关的关键基因。生存分析显示，这三个基因的高表达均与患者不良预后显著相关，其中SPP1高表达组的总生存期和无进展生存期缩短，VEGFA高表达组的总生存期和疾病特异性生存率下降，CXCL8高表达组的所有生存指标均显著恶化。

Immune infiltration analysis of pyroptosis-associated prognostic genes in cervical cancer

免疫浸润分析发现，SPP1、VEGFA和CXCL8分别与巨噬细胞、Th2细胞和中性粒细胞浸润程度密切相关。这一结果提示这些基因可能通过调节肿瘤免疫微环境影响宫颈癌的进展和治疗效果。

Structural model diagram and drug gene interaction prediction based on pyroptosis-associated prognostic genes in cervical cancer

通过SWISS-MODEL预测了三个关键基因的蛋白结构，并在DGIdb数据库中预测了148种靶向这些基因的潜在药物，为后续靶向治疗研究提供了重要线索。

Verification of the crucial pyroptosis-associated prognostic genes in cervical cancer in the signature

实验验证部分，qRT-PCR证实SPP1、VEGFA和CXCL8在宫颈癌组织中表达显著上调。功能实验显示，敲低SPP1可显著抑制宫颈癌细胞的增殖、迁移和侵袭能力，Western blot验证了敲低效率，MTT法、伤口愈合实验和Transwell实验均证实了SPP1在宫颈癌恶性表型中的关键作用。

研究讨论部分深入分析了细胞焦亡在肿瘤治疗中的双重角色：一方面，细胞毒性T淋巴细胞和自然杀伤细胞可通过颗粒酶途径诱导肿瘤细胞焦亡，激活抗肿瘤免疫；另一方面，巨噬细胞等免疫细胞分泌的TNF-α可能通过激活caspase-8促进焦亡。该研究首次系统揭示了SPP1、VEGFA和CXCL8这三个焦亡相关基因在宫颈癌中的预后价值和功能作用，其中SPP1（分泌性磷蛋白1）作为SIBLING家族成员，可通过SPP1-CD44轴与巨噬细胞相互作用促进肿瘤进展；VEGFA通过结合VEGFR-1和VEGFR-2调控肿瘤血管生成；CXCL8则受HPV E6/E7调控，形成CXCL8/CXCR1和CXCL8/CXCR2信号轴促进肿瘤生长和转移。

该研究的创新之处在于将生物信息学筛选与实验验证相结合，不仅鉴定了宫颈癌焦亡相关的关键预后基因，还预测了148种潜在靶向药物，为开发新的治疗策略提供了理论依据。然而研究也存在一定局限性，如未考虑患者年龄、病理分级等因素对基因表达的影响，样本量有限难以建立精确的预测模型，未来需要扩大样本规模并纳入更多影响因素进行深入探索。这项研究为理解焦亡在宫颈癌中的作用机制提供了新视角，为预后评估和靶向治疗开发奠定了重要基础。