基于机器学习的PANoptosis关键基因IL1R1在心肌缺血再灌注损伤中的鉴定与机制研究

《Scientific Reports》：Identification of IL1R1 as a potential key PANoptosis-related gene in myocardial ischemia-reperfusion injury using machine learning

本研究聚焦心肌缺血再灌注损伤(MIRI)中程序性细胞死亡新机制——PANoptosis的调控基因鉴定难题。研究人员通过整合生物信息学与机器学习算法，从转录组数据中筛选出白细胞介素1受体1(IL1R1)作为关键PANoptosis相关基因，并利用氧糖剥夺/再灌注(OGD/R)细胞模型和小鼠MIRI模型验证其通过激活IL1R1/p-P65轴促进心肌细胞死亡的机制。该发现为MIRI的早期诊断和靶向治疗提供了新思路。

　　

当心脏的血液供应突然中断后又恢复，心肌组织反而会遭受更严重的损伤，这种看似矛盾的现象被称为心肌缺血再灌注损伤（Myocardial Ischemia-Reperfusion Injury, MIRI）。它是冠心病患者接受经皮冠状动脉介入治疗、心脏手术等再灌注疗法时常见且棘手的并发症。尽管及时恢复血流对挽救濒死心肌至关重要，但再灌注过程本身会触发氧化应激、钙超载、线粒体功能障碍以及剧烈的炎症反应等一系列连锁反应，最终导致心肌细胞大量死亡和心脏不良重构。

在MIRI的复杂病理机制中，程序性细胞死亡扮演着核心角色。近年来，一种新型的细胞死亡模式——PANoptosis（PAN凋亡）引起了学界关注。它不同于传统的凋亡、坏死或焦亡，而是将三者整合在一个统一的调控框架内，可由细胞应激和病原体识别等信号触发，由炎症小体组分、炎症因子和半胱天冬酶（Caspase）信号驱动。虽然个别死亡通路在MIRI中的作用已有部分研究，但PANoptosis作为一个整合性的细胞死亡模式在MIRI中的作用仍不清楚。鉴定其中的关键调控基因，可能为MIRI的早期诊断和干预提供新的靶点。

为此，发表在《Scientific Reports》上的一项研究，题为“Identification of IL1R1 as a potential key PANoptosis-related gene in myocardial ischemia-reperfusion injury using machine learning”，开展了一项跨学科研究。研究人员巧妙地将生物信息学、多种机器学习算法与实验验证相结合，旨在挖掘MIRI中PANoptosis的关键调控基因，并深入探索其作用机制。

研究主要采用了生物信息学分析、机器学习算法筛选、免疫浸润分析、分子对接预测以及体外（氧糖剥夺/再灌注OGD/R细胞模型）和体内（小鼠心肌缺血再灌注模型）实验验证等关键技术方法。所使用的基因表达数据来源于公共数据库GEO中的GSE108940和GSE160516数据集。

识别差异表达的PANoptosis相关基因（DPRGs）

研究人员通过分析公共数据库中的MIRI转录组数据，并与已知的PANoptosis相关基因（PRGs）集进行比对，成功鉴定出五个在MIRI中差异表达的PANoptosis相关基因（DPRGs），它们分别是IL1R1、CASP4、PIK3R5、CD14和IL1B。

功能富集分析

对这五个DPRGs进行的基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析显示，它们显著富集在与炎症反应密切相关的生物过程和信号通路上，例如MAPK信号通路、IL-17信号通路、脂质与动脉粥样硬化等。这表明这些基因可能通过调控炎症信号网络参与MIRI的病理过程。

IL1R1被鉴定为关键PANoptosis相关基因（KPRG）

为了从五个候选基因中筛选出最关键的基因，研究团队运用了三种机器学习算法：LASSO回归、支持向量机递归特征消除（SVM-RFE）和随机森林。令人瞩目的是，IL1R1在所有三种算法中均被一致地筛选出来，因此被确定为关键PANoptosis相关基因（KPRG）。接受者操作特征（ROC）曲线分析进一步显示，IL1R1对于诊断MIRI具有极高的价值，曲线下面积（AUC）达到了0.956。

IL1R1与免疫细胞浸润

基因集富集分析（GSEA）提示IL1R1与细胞外基质受体相互作用、黏着斑和MAPK信号通路等相关。免疫浸润分析发现MIRI组织中存在广泛的免疫反应，涉及21种免疫细胞亚群的改变。特别值得注意的是，IL1R1的表达水平与活化的CD8⁺ T细胞等关键免疫细胞呈显著负相关，提示IL1R1可能参与塑造MIRI过程中独特的免疫微环境。

靶向药物预测

通过数据库预测，研究发现包括阿托伐他汀和吡格列酮在内的20种潜在药物可能靶向IL1R1。分子对接分析显示这些药物与IL1R1具有良好的结合潜力，为老药新用提供了线索。

实验验证IL1R1/p-P65轴在MIRI中的作用

在细胞层面，研究人员建立了AC16人心肌细胞系的OGD/R模型，模拟MIRI。与对照组相比，OGD/R处理导致细胞活力下降、线粒体膜电位降低，同时IL1R1和磷酸化P65（p-P65，NF-κB通路活化的标志物）的蛋白表达水平显著上调。在动物层面，通过结扎小鼠左前降支冠状动脉构建的MIRI模型也成功复制了心肌梗死和纤维化损伤，并在心脏组织中同样检测到IL1R1和p-P65蛋白的上调，证实了IL1R1/p-P65轴在体内的激活。

最关键的功能验证实验显示，利用小干扰RNA（siRNA）敲低AC16细胞中的IL1R1后，不仅IL1R1本身表达下降，P65的蛋白水平也随之降低。这初步证明抑制IL1R1/p-P65轴能够减轻OGD/R诱导的PANoptosis相关信号激活。

综上所述，本研究通过多学科交叉的策略，首次系统地将IL1R1确立为MIRI中潜在的关键PANoptosis相关基因。IL1R1不仅展现出优异的诊断潜力，其介导的IL1R1/p-P65信号轴很可能在MIRI的细胞死亡和炎症反应中扮演着重要角色。这一发现为理解MIRI的发病机制提供了新视角，提示靶向IL1R1可能成为缓解再灌注损伤的新策略。尽管其临床转化价值仍需更大规模的深入研究来证实，但本研究无疑为开发针对MIRI的新型生物标志物和治疗方法奠定了重要的理论基础。