溃疡性结肠炎中原发性硬化性胆管炎早期检测的无创生物标志物：S100A8与S100A12的鉴定

《BioMed Research International》：Noninvasive Biomarkers for Early Detection of Primary Sclerosing Cholangitis in Ulcerative Colitis

　　

原发性硬化性胆管炎（PSC）是一种进行性胆汁淤积性肝病，与溃疡性结肠炎（UC）密切相关。尽管不常见，PSC相关性溃疡性结肠炎（PSCUC）是炎症性肠病的一种独特亚型，其特征在于结直肠癌和肝胆癌风险较高。由于缺乏特异性生物标志物，早期诊断仍是一个挑战性问题。研究人员通过对基因表达综合数据库（GEO）数据集的生物信息学分析，利用差异基因表达和功能富集，确定了潜在的、特异性的非侵入性生物标志物。数据处理后，S100A8和S100A12被鉴定为检测UC患者中PSC的候选生物标志物。S100A8编码钙卫蛋白（calprotectin）的一个组分，即广泛用作肠道炎症标志物的S100A8/S100A9异二聚体。这两个基因主要参与炎症、免疫应答和白细胞募集，使其成为UC患者中PSC早期检测的潜在有用生物标志物。这些生物标志物对疾病分层和治疗靶向具有潜在意义。其诊断和预后效用仍需在前瞻性临床研究中进一步验证。

原发性硬化性胆管炎（PSC）是一种慢性进行性胆汁淤积性肝病，以肝内外胆管炎症、纤维化和狭窄为特征，可导致肝功能衰竭和癌症风险增加。PSC与溃疡性结肠炎（UC）密切相关，约70%的PSC患者合并UC，而约5%的UC患者合并PSC。PSC相关性溃疡性结肠炎（PSCUC）是炎症性肠病（IBD）的一种独特亚型，具有更高的结直肠癌和肝胆癌风险。由于缺乏特异性生物标志物，PSC在UC患者中常隐匿发展，早期诊断十分困难。目前诊断PSC的金标准是磁共振胰胆管成像（MRCP），但在小胆管型PSC中敏感性有限，肝活检仍属有创操作。因此，开发基于血液的无创生物标志物对于UC患者中PSC的早期检测至关重要。该研究旨在利用生物信息学方法从公共转录组数据中筛选可用于早期诊断PSCUC的候选无创生物标志物。

研究人员从基因表达综合数据库（GEO）获取了GSE177044（全血）和GSE83687（肠道组织）两个RNA测序数据集，通过差异表达分析、功能富集、韦恩图、受试者工作特征曲线（ROC曲线）分析、共表达网络、miRNA网络、基因-药物相互作用以及单细胞RNA测序（scRNA-seq）等多种方法，最终确定S100A8和S100A12为检测UC患者中PSC的候选生物标志物。S100A8编码钙卫蛋白（S100A8/S100A9异二聚体）的一个组分，S100A12是S100家族中另一种相关但不同的炎症蛋白。两者主要参与炎症反应、免疫应答和白细胞募集。在PSC与UC的直接比较中，两种基因在PSC相关组中显著高表达，提示其与PSC相关而非单纯UC炎症。scRNA-seq分析显示，PSC和PSCUC单核细胞中S100A8和S100A12表达水平较UC和正常结肠显著升高。这些发现表明S100A8和S100A12可能作为PSC-IBD的无创生物标志物，并为疾病分层和治疗靶向提供潜在价值，但其诊断特异性和临床效用仍需前瞻性研究验证。

研究使用的样本队列包括：GSE177044全血数据集（含481例原发性UC、43例单纯PSC、173例PSC/UC及相应健康对照），GSE83687肠道组织数据集（32例UC、60例非IBD对照），以及GSE247128和GSE231993单细胞数据集（4例正常结肠、7例UC、3例PSC、2例PSC伴UC）。主要方法包括：利用GEO2R进行差异基因表达分析（阈值：|log₂FC|≥1，p<0.05）；DAVID数据库进行基因本体论（GO）和KEGG通路富集；韦恩图筛选四个比较组共享上调基因；DAVID注释细胞外空间基因；Python scikit-learn进行ROC曲线分析；miRNet构建miRNA-mRNA网络；Cytoscape ClusterViz进行共表达网络分析；DGIdb进行基因-药物相互作用分析；Seurat v5对scRNA-seq数据进行质控、归一化、整合（rPCA）、聚类（SNN）和UMAP可视化，并对单核细胞亚群进行候选基因表达分析，同时将单核细胞中阳性细胞比例标准化至100,000个单核细胞为基准。

**3.1 差异基因表达分析**：利用GEO2R对GSE177044和GSE83687进行分析。结果显示，UC（血液）中127个基因上调、25个下调；PSC（血液）中1577个上调、907个下调；PSCUC（血液）中1283个上调、820个下调；UC（组织）中1233个上调、1138个下调。这表明不同疾病状态具有独特且重叠的基因表达谱。

**3.2 UC、PSC和PSCUC中共享和独特的通路富集**：对差异表达基因（DEGs）进行GO和KEGG富集分析，发现PSC血液富集于RNA聚合酶II转录调控、细胞核、蛋白结合及阿尔茨海默病相关通路；PSCUC血液富集于RNA聚合酶II转录正调控、细胞核、蛋白结合及癌症相关通路；UC血液突出适应性免疫应答、细胞外区域、抗原结合及癌症转录失调；UC组织富集于信号转导、质膜、钙离子结合及代谢通路。转录调控、蛋白结合和免疫应答过程反复出现，提示共享分子机制，也存在疾病特异性差异。

**3.3 韦恩图分析共享上调基因**：对四个比较（UC血液、PSC血液、PSCUC血液、UC组织）的上调基因取交集，鉴定出5个共享基因：S100A12、S100A8、IGHG3、NEB和CLEC4D。

**3.4 细胞外空间基因鉴定**：利用DAVID数据库分析共享基因，确定S100A12、S100A8和IGHG3为细胞外空间基因，可能分泌至血液，适合作为无创生物标志物。

**3.5 候选基因的判别性能**：ROC曲线分析显示，在PSC对比健康对照中，S100A8的曲线下面积（AUC）为0.84，S100A12为0.82，IGHG3为0.38；在PSC/UC对比中，AUC分别为0.71、0.79、0.54；在原发性UC对比中为0.70、0.75、0.56；在肠道组织对比中为0.80、0.79、0.75。S100A8和S100A12的判别性能一致优于IGHG3，因此保留为主要候选基因。

**3.6 S100A8和S100A12的疾病-疾病直接比较**：在PSC/UC与UC比较中，S100A8上调2.27倍（调整后p=3.43×10^?108），S100A12上调1.61倍（调整后p=2.96×10^?65）；在单纯PSC与UC比较中，S100A8上调2.26倍（调整后p=1.60×10^?31），S100A12上调1.63倍（调整后p=5.20×10^?17）；PSC/UC与单纯PSC比较无显著差异。提示两种基因表达升高与PSC相关，而非单纯UC炎症，但需注意不同来源队列的潜在混杂。

**3.7 候选基因在不同条件下的比较表达**：S100A8在UC血液中表达最高，从PSC到UC组织逐渐下降；S100A12在PSC和PSCUC中表达相对稳定，UC血液高于UC组织；IGHG3在UC组织中高表达，具有组织特异性。表明S100A8和S100A12可作为系统性炎症标志物，而IGHG3反映局部组织特异性过程。

**3.8 调控候选基因的miRNA网络**：miRNet分析发现hsa-mir-20a-5p和hsa-mir-671-5p共同调控S100A8和S100A12，这些miRNA主要富集于先天免疫、细胞增殖、细胞死亡、细胞周期和onco-miRNA相关功能，提示其在PSC和UC发病中的潜在调控作用。

**3.9 共表达网络分析**：共表达网络显示S100A8和S100A12与CXCL8、S100A9、AGER、TP53、HMGB1、IL6直接共表达，并与NLRP3、IL17A、CD14、STAT3、ICAM1、TGFB1间接共表达，突出其在炎症、免疫和细胞信号通路中的核心枢纽角色。

**3.10 基因-药物相互作用分析**：DGIdb数据库显示甲氨蝶呤（MTX）可调控S100A8和S100A12，提示MTX可能作为调节这些基因的潜在治疗药物，为PSC和UC治疗提供思路。

**3.11 单细胞RNA测序数据整合、聚类和单核细胞分析**：对16个scRNA-seq样本进行质控、整合和聚类，UMAP显示PSC和PSCUC占据独立且部分重叠的转录空间，而UC和正常结肠形成独立簇。S100A8和S100A12在PSC和PSCUC单核细胞中表达升高，标准化分析显示阳性单核细胞比例从正常结肠到UC逐渐增加，在PSC和PSCUC中达到峰值，其中S100A12相对增加最高，可能是PSC相关疾病活动的潜在标志物。

讨论部分指出，尽管PSC患病率低，但在UC患者中诊断PSC至关重要，因为PSC-IBD具有更高的恶性肿瘤风险。本研究中S100A8和S100A12在PSC相关组中显著高表达，直接比较支持其表达升高与PSC相关而非单纯UC炎症。S100家族蛋白通过Toll样受体4（TLR4）和晚期糖基化终末产物受体（RAGE）参与免疫调节，与CXCL8、NLRP3、IL6-STAT3等通路相互作用，可能在PSC-IBD发病机制中发挥重要作用。miRNA和基因-药物分析提供了潜在调控机制。研究局限性包括：基于公共数据、缺乏实验验证、数据集异质性、scRNA-seq样本量小、直接比较未调整年龄性别等协变量。结论：S100A8和S100A12是区分PSC相关疾病的候选血液可及生物标志物，scRNA-seq分析支持其在PSC和PSC/UC单核细胞中表达升高，提示这两种基因反映髓系相关炎症活性，但其诊断特异性和临床效用仍需在独立前瞻性研究中通过RT-qPCR和蛋白水平检测予以确认。