空气污染相关免疫基因预后标志物在肝细胞癌中的作用：网络毒理学、机器学习与多组学分析

本综述系统探讨了空气污染物（APs）通过调控免疫微环境促进肝细胞癌（HCC）进展的机制，构建了基于空气污染物相关免疫基因（APIGs）的预后标志物（APIGPS），并利用机器学习与多组学分析验证其预测效能。研究发现CDC25C等7个关键基因与HCC预后显著相关，且与巨噬细胞（Mφ）浸润及免疫治疗反应密切相关，为HCC的个体化治疗和环境致癌机制研究提供了新视角。

　　

背景

全球工业化进程加速加剧了空气污染，其与多种癌症的发生发展密切相关。空气污染物（APs）及其他外部因素占癌症终生风险的70%至90%。2019年，空气污染相关肿瘤导致全球约3.8745亿死亡病例，预计到2025年将升至5.5902亿。暴露于PM_2.5、二氧化氮（NO₂）、二氧化硫（SO₂）和臭氧（O₃）等污染物与多种癌症的发病率和死亡率显著相关，包括肺癌、肾癌、结肠癌、膀胱癌和肝细胞癌（HCC），但其确切机制尚不完全清楚。

空气污染可能通过调节免疫系统功能影响HCC的发展和预后。HCC的预后仍然较差，从早期到晚期阶段的5年生存率仅为13%至36%。在接受核苷（酸）类似物治疗的慢性乙型肝炎患者中，空气污染与发生HCC的风险增加相关。PM_2.5每增加5.0 μg/m³，HCC全因死亡的风险比增加1.18。动物模型和人体研究表明，吸入氮氧化物和挥发性有机化合物等APs与肝功能障碍相关。空气污染还可能通过免疫系统交互促进炎症反应，增强肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白细胞介素6（IL-6）和白细胞介素1β（IL-1β）等促炎细胞因子的分泌。然而，空气污染通过免疫调节驱动HCC的确切机制仍不明确。基于这些研究，我们假设空气污染通过调节肿瘤免疫反应促进HCC进展，特定的空气污染物相关免疫基因（APIGs）可能作为有价值的诊断和预后生物标志物。

方法

研究从GEO、TCGA和ICGC数据库获取HCC的mRNA-seq和单细胞RNA-seq（scRNA-seq）数据及临床信息。通过网络毒理学从多个在线数据库获取AP相关靶基因。利用加权基因共表达网络分析（WGCNA）、差异基因表达分析和免疫浸润分析鉴定APIGs。基于APIG表达进行分子分型以表征免疫特征。采用10种机器学习算法的101种组合构建基于APIG的预后标志物（APIGPS）。进一步进行定量实时聚合酶链反应（qRT-PCR）、生存分析、功能富集、免疫浸润和单细胞分析。随后，使用最小绝对收缩和选择算子（LASSO）、随机森林（RF）和支持向量机递归特征消除（SVM-RFE）筛选诊断基因，并进行泛癌分析。

结果

研究鉴定出19个APIGs。HCC样本分为3种亚型，其中C1亚型呈现促肿瘤免疫微环境且预后较差。由7个APIGs（CDC25C、MELK、ATG4B、SLC2A1、CDC25B、APEX1、GLS）构建的APIGPS显示出独立于临床特征的强大预测能力。基于APIGPS的高危组和低危组之间的生物学通路差异涉及免疫应答、细胞增殖和迁移。APIGPS基因与7种APs具有稳定结合，主要在巨噬细胞中表达，高危组表现出更高的巨噬细胞丰度。CDC25C在诊断基因与APIGPS基因交集后被确定为枢纽基因。CDC25C与10种癌症的生存、10种癌症的微卫星不稳定性（MSI）、21种癌症的肿瘤突变负荷（TMB）和13种癌症的免疫细胞丰度相关。

讨论

空气污染导致的HCC死亡率和发病率上升凸显了紧迫的公共卫生问题。最近的流行病学证据表明，空气污染可能与免疫系统交互促进HCC进展，但其确切机制尚不清楚。本研究通过网络毒理学获取AP相关靶基因，并与通过WGCNA和差异基因表达分析鉴定的HCC相关免疫基因相交，再经免疫浸润分析，最终鉴定出19个APIGs进行分子分型。随后，构建了包含7个APIGs的APIGPS，显示出强大的预测性能。进一步分析发现，巨噬细胞是区分高危组和低危组的主要免疫细胞表型，高危组对免疫治疗的反应较差。阿法替尼（Afatinib）和西地尼布（Cediranib）被确定为高危组患者的潜在敏感药物。单细胞RNA测序显示，APIGPS基因主要在巨噬细胞中表达。TP53被确定为突变频率最高的基因。使用3种机器学习方法筛选诊断基因，并与APIGPS相交，确定CDC25C为枢纽基因。最后，分子对接分析证实了7种APs与7个APIGPS基因之间的强结合亲和力，进一步支持了AP可能通过与APIGPS的分子相互作用驱动HCC发生和发展的假设。

结论

本研究从7种APs中鉴定出19个APIGs，并筛选其中7个构建了具有良好预测性能的APIGPS。其中，CDC25C是具有诊断和预后价值的枢纽基因，且与10种癌症的生存结局相关。未来研究应包括使用AP提取物进行实验验证，采用siRNA、CCK-8、流式细胞术、免疫荧光、Western blotting和Transwell实验等技术进一步阐明APIGs的分子机制和免疫调节效应。总体而言，本研究强调了将环境暴露因素整合到癌症研究中的重要性，特别是在理解HCC进展和改善个体化预后及治疗策略方面。