利用动态网络生物标志物理论识别NC/Nga小鼠特应性皮炎样症状的病前状态及其在早期预警与干预中的意义

本研究针对特应性皮炎（AD）缺乏早期预警标志物的问题，通过动态网络生物标志物（DNB）理论分析NC/Nga小鼠血液转录组数据，成功识别出356个DNB基因，可有效检测AD样皮炎发病前的“病前状态”。这些基因显著富集于内质网应激与凋亡通路，为AD的早期干预和预防策略提供了新思路，对实现长期缓解及优化疾病管理具有重要意义。

　　

特应性皮炎（Atopic Dermatitis, AD）是一种常见的慢性炎症性皮肤疾病，以反复发作的瘙痒性湿疹和皮肤屏障功能障碍为主要特征，全球约有2.3亿人受其影响，其中儿童患者占比显著。AD的发病机制复杂，涉及遗传、免疫和环境等多因素相互作用，且其临床过程常表现为“加重-缓解”的循环模式，给患者带来长期负担。目前，临床上常用于评估AD严重程度的生物标志物包括血清总IgE、乳酸脱氢酶（LDH）、外周血嗜酸性粒细胞计数和胸腺和活化调节趋化因子（TARC）等，但这些标志物多用于反映已发病阶段的炎症水平，无法有效预测疾病的发生或复发。因此，开发能够在疾病发作前识别“病前状态”（pre-disease state）的新型生物标志物，对于实现早期干预、阻断疾病进展具有重要意义。

近年来，动态网络生物标志物（Dynamical Network Biomarker, DNB）理论的提出为这一挑战提供了新思路。DNB理论基于动力系统“临界慢化”（critical slowing down）现象，通过分析系统在相变前的不稳定状态下特定变量群的剧烈波动和高度相关性，从而识别出系统即将发生突变的早期信号。该理论已成功应用于多种疾病的预测研究，如肺癌、乳腺癌、糖尿病等，但在皮肤疾病特别是AD领域的应用尚属探索阶段。

为此，研究人员利用自发发生AD样皮炎的NC/Nga小鼠模型，开展了一项基于血液转录组时序数据的DNB分析研究，旨在识别AD发病前的动态网络特征，探索其分子机制，并为临床早期预警提供候选标志物。该研究发表于《Journal of Investigative Dermatology》，不仅深化了对AD发病机制的理解，也为实现AD的“精准预防”提供了实验依据。

在研究过程中，作者主要采用了以下几项关键方法：首先，选用常规饲养（NC/Nga-Conv）和特定病原体自由（SPF）环境的NC/Nga小鼠作为实验与对照组，通过系统性的皮炎评分（dermatitis score）进行表型监测；其次，在不同时间点采集血液样本，利用RNA测序（RNA-Seq）技术获取全血转录组数据；进而，通过差异表达基因（DEG）分析、基因集变异分析（GSVA）和基因本体（GO）富集分析揭示基因表达与通路变化；最后，应用DNB分析方法从波动性与相关性角度识别病前状态的特异性基因群，并通过临界指数（Criticality Index, CI）定量评估系统临界性。

研究结果显示，通过主成分分析（PCA）发现，随着皮炎评分增加，样本在转录组水平呈现明显分离趋势，表明血液基因表达能有效反映皮肤炎症状态。差异表达分析识别出595个在发病组（评分0.5–3）共同差异表达的基因，这些基因显著富集于免疫应答激活、细胞因子信号传导等炎症相关通路。GSVA进一步显示，与炎症反应（如INFLAMMATORY_RESPONSE、IL6/JAK/STAT3信号）相关的通路在发病后显著激活，而TGF-β信号则在发病初期短暂上调。

进一步，作者以发病日（评分首次≥0.5）为基准，将样本按时间分组，分析发病前后基因表达动态。通过GSVA发现，免疫应答、细胞因子信号和氧化应激等相关通路在发病前即呈现逐渐上升趋势，提示系统性变化早于临床症状的出现。

在DNB分析中，研究人员成功从血液转录组中识别出356个DNB候选基因，这些基因在发病前2天（第9组）波动性与相关性均达到峰值，且临界指数（CI）显著高于其他组别和Bootstrap估计的置信区间上界。这些DNB基因的功能富集分析显示，其不仅与差异表达基因共享免疫相关通路（如白细胞迁移、先天免疫应答调节），还独特富集于内质网应激反应（ER overload response）、细胞凋亡过程和氧化应激应答等通路。这表明，在AD发病前的病前状态中，这些生物学过程的动态波动可能触发或促进了皮炎的发生。

此外，研究还发现部分DNB基因（如Perk、Adam17）在既往研究中已被证实与皮炎发病机制相关，例如Perk抑制剂可抑制接触性皮炎，Adam17缺失小鼠则自发出现AD样炎症，这从分子层面验证了DNB基因的生物学合理性。

综上所述，本研究通过DNB理论首次在NC/Nga小鼠模型中成功识别出AD样皮炎发病前的动态网络生物标志，揭示了血液转录组在疾病预警中的应用潜力。这些DNB基因不仅涵盖了已知的炎症免疫通路，还独特关联于内质网应激与细胞凋亡等过程，为AD的早期分子事件提供了新见解。该研究成果不仅深化了对AD发病机制的理解，也为开发早期干预策略和临床转化研究提供了重要依据。未来，需进一步在人类AD队列中验证DNB标志物的适用性，并探索其在其他周期性皮肤病（如银屑病、荨麻疹）中的应用前景。同时，发展无创或微创采样技术（如皮脂RNA检测）结合DNB分析，将有助于推动这一方法走向临床实践，最终实现AD及其他复杂疾病的早期预警与主动健康管理。