生物信息学分析发现了新生儿坏死性小肠结肠炎的重要靶点及潜在的小分子药物

《Letters in Drug Design & Discovery》：Bioinformatics analysis uncovers vital targets and potential small molecule drugs for neonatal necrotizing enterocolitis

本研究基于GSE226086基因表达数据集，分析24h和72h处理的新生儿坏死性小肠结肠炎（NEC）模型中差异表达基因（DEGs），发现24h样本中420基因上调、1285基因下调，72h样本中337基因上调、10306基因下调。通过PPI网络构建筛选出36个核心基因，包括CCL2、CDH1和JUN等。基于 Connectivity map（CMAP）预测出10种潜在小分子药物，如meclizine、ibrutinib和coumarin。KEGG和GO分析显示关键通路涉及Th17细胞分化、凋亡调控及氧化还原酶活性。该研究为NEC的早期诊断和治疗提供新靶点。

　　新生儿坏死性小肠结肠炎（NEC）是一种严重威胁早产儿和极低出生体重儿健康的疾病，其病理机制复杂且治疗难度较大。NEC不仅会导致肠道组织的炎症和坏死，还可能引发腹膜炎、败血症、肠穿孔等并发症，甚至导致新生儿死亡。此外，NEC还与早产儿的支气管肺发育不良和中枢神经系统损伤密切相关。因此，探索NEC的潜在生物标志物和治疗药物具有重要的临床意义。

目前，NEC的诊断仍面临较大挑战，缺乏特异性较强的生物标志物。常规的诊断方法包括全血细胞计数、电解质检测和炎症标志物C反应蛋白（CRP）的测定，但这些方法在敏感性和特异性方面均存在不足。治疗方面，NEC的管理通常依赖于支持性治疗，如禁食、胃肠减压、维持血流动力学稳定和优化营养状态。抗生素疗法在NEC治疗中扮演重要角色，但目前尚缺乏明确的抗生素使用指南。一旦出现腹膜炎或肠穿孔等严重并发症，手术干预成为最后的治疗手段，但手术风险较高且具有不确定性。因此，迫切需要发现能够用于NEC诊断和治疗的潜在生物标志物和药物。

NEC的发病机制涉及多种因素，其中肠道上皮细胞的损伤是关键环节之一。在肠道屏障功能受损的情况下，肠道内的多种细菌可能进入组织内部，引发炎症反应并进一步加剧屏障损伤，形成恶性循环。近年来，组学技术的发展为NEC的研究提供了新的思路。例如，有研究通过分析DNA甲基化和转录组数据，识别了与NEC相关的甲基化差异基因；另一项研究则通过生物信息学分析筛选出了9个关键基因和一些代谢通路。这些研究为理解NEC的分子机制提供了重要线索。

本研究基于GSE226086这一基因表达数据集，该数据集来源于从一名因NEC死亡的新生儿肠道中分离出的多菌种肠道细菌，对新生儿小肠来源的上皮细胞进行24小时和72小时的处理。通过比较处理后的样本与对照组样本的基因表达差异，研究人员识别出大量差异表达基因（DEGs），并进一步利用生物信息学方法进行分析，以发现与NEC相关的潜在靶点和药物。研究发现，在24小时NEC样本中，共有420个基因上调，1285个基因下调；而在72小时NEC样本中，上调基因有337个，下调基因则高达10306个。这些差异基因的识别有助于揭示NEC发生发展的分子机制。

通过基因集变异分析（GSVA），研究人员评估了不同通路与基因表达之间的关系。结果显示，在24小时NEC样本中，CDX2过表达、糖异生等通路显著上调，而凝结素I亚基的修饰、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）生物合成等通路则显著下调。而在72小时NEC样本中，UCHL1介导的水解、MHC I类分子介导的抗原处理与呈递等通路显著上调，而Notch信号通路和TGF-β信号通路则表现出下调趋势。这些通路的变化可能反映了NEC在不同时间阶段的病理生理特征，为深入理解其发病机制提供了重要依据。

为了进一步筛选与NEC相关的关键基因，研究人员利用Venn图分析了GSE226086数据集中24小时和72小时样本以及Genecards数据库中与NEC相关的基因，最终确定了36个共有基因。这些基因可能在NEC的发生发展中起重要作用。通过构建蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络，研究人员发现某些基因如JUN、CDH1和CCL2在基因网络中表现出高度的连接性。这些基因的相互作用可能在NEC的病理过程中起到关键作用。

进一步的KEGG和GO分析揭示了这些关键基因可能参与的通路和功能。KEGG分析表明，Th17细胞分化是这些基因富集的重要通路之一，而GO分析则显示这些基因主要与细胞间连接、细胞凋亡过程和氧化还原酶活性相关。细胞间连接（如紧密连接和粘附连接）在维持肠道屏障功能方面具有重要作用，而细胞凋亡过程则是NEC发生发展中的关键机制。此外，氧化还原酶活性的变化可能与NEC相关的氧化应激有关。

基于这些关键基因，研究人员进一步筛选了可能与其相互作用的小分子化合物。通过分析公共数据库Connectivity Map（CMAP），共预测出10种具有潜在治疗价值的小分子化合物，包括氯丙嗪、BRD-K97440753、加巴喷丁、氟达拉滨磷酸盐、甲苯咪唑、罗替戈汀、贝沙罗汀、依鲁替尼、达沙替尼和香豆素。这些化合物可能通过调节关键基因的表达或通路活性，对NEC产生治疗作用。

值得注意的是，虽然本研究提供了许多有价值的发现，但仍存在一定的局限性。首先，NEC的发病机制涉及免疫、血管和微生物等多个因素，本研究通过简化模型来探讨上皮细胞与细菌的相互作用，忽略了免疫系统可能带来的干扰信号。未来的研究可以考虑构建包含上皮细胞、免疫细胞和内皮细胞的三维模型，以更真实地模拟NEC的微环境。其次，当前研究仅基于一名新生儿的肠道菌群数据，可能存在样本选择偏差。未来计划收集至少10名NEC患者和匹配健康对照的肠道菌群样本，以提高研究的代表性和准确性。此外，研究中未包含非NEC败血症病例作为对照，这可能影响对NEC特异性信号的识别。未来研究将优先收集非NEC败血症患者的肠道菌群样本，以验证所发现的关键信号是否具有NEC特异性。

最后，尽管本研究通过生物信息学方法初步探讨了细菌刺激对肠道上皮细胞转录组的影响，但关于NEC相关表型和功能指标的验证仍然不足。因此，未来的研究需要结合后续实验，进一步验证这些关键基因和小分子药物的功能意义，以推动NEC的精准治疗。