《International Journal of Molecular Sciences》：Therapy-Related Oral Toxicity Drug Targets: A Data Mining Analysis of Oral Bacteria Interaction with Human Molecular Networks
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癌症治疗诱导的口腔黏膜炎（CTOM）是癌症治疗的常见副作用。本研究旨在识别细菌与人类分子网络之间的关联，包括来自治疗相关口腔毒性的药物靶点。研究人员使用ClinicalTrials.gov数据库识别用于口腔黏膜炎/口腔炎试验的药物。基因靶点从药物-基因相互作用
癌症治疗诱导的口腔黏膜炎（CTOM）是癌症治疗的常见副作用。本研究旨在识别细菌与人类分子网络之间的关联，包括来自治疗相关口腔毒性的药物靶点。研究人员使用ClinicalTrials.gov数据库识别用于口腔黏膜炎/口腔炎试验的药物。基因靶点从药物-基因相互作用数据库（DGIdbv5.0.13）中检索。其次，使用MSEAv0.0.2程序识别与口腔黏膜炎相关的细菌物种与人类基因之间的关联。此外，利用口腔黏膜炎3D组织模型的公开数据，对靶向IL6/MTOR通路的依维莫司处理细胞进行差异基因表达（DGE）分析。对所有分析中共同的基因使用STRINGv12.0进行检查。在33项口腔黏膜炎/口腔炎试验中，研究人员识别出38种药物，具有89个直接和438个间接基因靶点。MSEAv0.0.2识别出548个显著关联（Fisher精确检验；padj < 0.05），涉及35个细菌属。DGE分析在依维莫司处理的细胞中识别出3664个显著基因（经验贝叶斯调节t检验；padj < 0.05）。虽然两个基因（即CFTR和PTGS2）在MSEA和DGE分析之间共有，且为临床试验中识别的直接药物靶点，但当纳入间接潜在药物靶点时，共有28个基因。当这两个基因与28个基因合并后，识别出66条显著的Reactome通路（超几何FDR-p < 0.05），可能与口腔黏膜炎中的炎症和代偿性伤口愈合有关。
癌症治疗相关口腔毒性是指显著影响患者生活质量的疼痛性口腔疾病。口腔炎是指口腔内发生的溃疡或炎症，以口腔病变、口干、口腔疼痛、味觉障碍和言语困难为特征。口腔炎也可由义齿、创伤、口腔卫生不良、吸烟、药物和感染引起。口腔炎的一个亚型包括由细胞毒性化疗或头颈部局部放疗破坏口腔上皮细胞引起的癌症治疗诱导的口腔黏膜炎（CTOM）。具体而言，CTOM是接受高剂量化疗和/或放疗的癌症患者口腔内形成疼痛性溃疡为特征的疾病。根据所研究的人群队列，高达75%接受放疗的头颈癌患者和接受干细胞移植预处理的血液系统癌症患者会发生口腔黏膜炎。口腔黏膜炎的治疗总费用因所给予的治疗、预防方法、会诊、住院和住院时间而异，每位患者可达17,952至70,210美元。所有这些因素对患者和医院都构成负担，影响整体癌症护理。CTOM的发病机制由Sonis提出的五步模型组成：起始、损伤反应、信号放大、溃疡和愈合。起始步骤发生在放疗或化疗之后，产生活性氧（ROS）。ROS引起双链DNA断裂和其他非DNA损伤，触发坏死并导致邻近细胞凋亡。损伤信号经历反馈反应，其中细胞凋亡在组织中扩散。口腔黏膜的溃疡期可能导致患者疼痛。溃疡后，细胞增殖可在愈合期恢复黏膜上皮细胞层。此外，造血细胞移植（HCT）患者的预处理也可能通过引发促进炎症和上皮及基底细胞损伤的免疫反应而导致口腔黏膜炎。此外，当化疗和放疗联合使用或联合不同化疗药物时，CTOM发生更频繁且可能更严重。CTOM的发展还取决于所使用的化疗药物和给药剂量。例如，依托泊苷、5-氟尿嘧啶（5-FU）、美法仑和顺铂通过干扰DNA、RNA或蛋白质合成从而抑制细胞分裂来促进CTOM。此外，多柔比星、长春碱、紫杉烷、甲氨蝶呤、天冬酰胺酶和卡莫司汀也可引起类似效应。口腔炎和CTOM在临床表现、受影响的口腔组织、炎症通路和治疗方法方面存在重叠。了解这些机制以及在这些系统中发生的免疫或微生物失调可能有助于更好地理解潜在的替代治疗方案。在本研究中，研究人员搜索了目前正在研究用于治疗口腔黏膜炎或口腔炎的药物及相关药物靶点，以确定蛋白质-蛋白质相互作用和可能的细菌关联。研究人员确定了可能有助于CTOM的人类通路中的关联，并使用化疗药物依维莫司作用产生的器官型3D口腔组织基因表达数据集强化了研究结果。这些关联可为CTOM发病机制提供更好的见解，从而为治疗开发开辟新机遇。
研究人员开展了一项整合性数据挖掘分析，旨在识别癌症治疗相关口腔黏膜炎/口腔炎临床试验药物靶点、口腔微生物群相关人类基因以及3D口腔组织模型中差异表达基因之间的汇聚基因，并探索其涉及的通路机制。研究背景在于CTOM是癌症治疗常见且严重的不良反应，影响患者生活质量并造成显著经济负担，而其发病机制涉及炎症、免疫失调和微生物群变化等多个层面，目前针对炎症通路的治疗药物证据不足，微生物群靶向干预尚待探索。研究通过整合临床药物靶点、文献来源的微生物-人类基因关联和实验模型转录组数据，识别出29个汇聚基因（包括直接靶点共有的CFTR和PTGS2），这些基因富集于66条Reactome通路，主要涉及炎症信号、上皮修复和宿主-微生物相互作用，其中NF-κB被识别为优势炎症枢纽。研究结论强调这些基于计算和文献衍生关联的汇聚基因突出了可能参与CTOM或口腔炎发病机制的炎症、伤口愈合和屏障恢复相关宿主通路，所识别的细菌属包括Porphyromonas、Prevotella、Haemophilus、Streptococcus、Lactobacillus和Butyrivibrio，为实验验证提供了候选机制，并可能为未来研究微生物群靶向方法（包括益生菌干预）以减轻治疗相关口腔毒性提供信息。研究意义在于为CTOM的发病机制提供了系统层面的见解，并提示了潜在的治疗干预方向。
研究人员为开展本研究主要采用了以下关键技术方法：利用ClinicalTrials.gov数据库进行临床试验文本挖掘以识别口腔黏膜炎/口腔炎相关药物；使用药物-基因相互作用数据库（DGIdbv5.0.13）检索药物直接和间接基因靶点；通过PubMed文献手动管理口腔黏膜炎相关细菌属，并使用微生物集富集分析（MSEAv0.0.2）识别细菌与人类基因的文献共现关联；从基因表达综合数据库（GEO）获取公开的口腔黏膜炎3D组织模型RNA-Seq数据集（GSE213650），使用limmav3.56.2进行差异基因表达分析；利用STRINGv12.0进行蛋白-蛋白相互作用网络构建和Reactome通路富集分析。样本队列来源为GEO数据库中的公开数据集GSE213650。
研究结果方面，在临床试验文本挖掘中，从306项临床试验中筛选出33项相关研究，对应38种药物，包括抗惊厥药、皮质类固醇、免疫调节剂、白细胞介素拮抗剂、非甾体抗炎药（NSAIDs）等药物类别，共识别出89个独特直接基因靶点和438个间接基因靶点，直接基因靶点的主要功能及关联药物已列出。在细菌分类群-人类基因相互作用文本挖掘中，PubMed检索返回48篇文章，最终7篇符合下游分析标准，识别出35个与口腔黏膜炎风险增加相关的独特细菌属，使用MSEAv0.0.2分析发现548个基因与不同细菌集具有显著的文献来源微生物关联（Benjamini-Hochberg校正p < 0.05），显著交互包括IL6（p = 1.08 × 10
?7）、IL1B（p = 7.09 × 10
?5）、PTGS2（p = 7.98 × 10
?5）和TNF（p = 8.28 × 10
?5），TNF具有最大的细菌属集（N = 25），Staphylococcus出现在最多的细菌集中（390/548；71.2%），Streptococcus和Lactobacillus分别出现在342（62.4%）和338（61.7%）个显著细菌分类群集中。在公开可用的CTOM差异表达数据结果中，体外3D口腔组织模型的差异基因表达分析显示依维莫司处理细胞模型中有3664个显著基因（1834个上调，1830个下调）（p-adjusted < 0.05），log2倍数变化（log2FCs）范围为?1.968至1.892，敏感性测试分析显示合并分析与时间和剂量匹配比较高度相关，同时在治疗持续时间之间对照重叠最小。在功能富集和蛋白相互作用分析中，整合临床试验衍生基因（89个直接和438个间接基因）、MSEAv0.0.2识别的微生物组相关基因（548个基因）和CTOM模型差异表达基因（3664个基因），分别使用直接和间接药物靶点得到2个和28个共有基因；在依维莫司处理的口腔黏膜炎器官型3D模型细胞中，合并的29个共有基因的log2FCs范围为?1.32至1.22，平均log2FC为0.026；STRINGv12.0蛋白-蛋白相互作用（PPI）网络以高置信度保留了所有29个基因，直接药物靶点共有的PTGS2和CFTR分别有14个（48.3%）和1个（3.6%）相互作用；通过STRINGv12.0对29个基因进行功能富集得到66条显著富集的Reactome通路，CDKN1A、STAT3和NFKB1分别出现在28条（42.4%）、24条（36.4%）和22条（33%）显著通路中，CDKN1A和STAT3出现在与炎症和免疫信号相关的最显著的六条通路中（p-adjusted < 1.0 × 10
?8），信号转导和免疫系统通路包含最大的基因集，分别为22和19个基因。
讨论部分总结：本研究使用自2000年以来的33项临床研究识别了可能治疗口腔黏膜炎和口腔炎症状的药物，并将其与89个独特基因靶点关联，用于识别与当前治疗相关的分子通路。文献来源的细菌属与人类基因的关联分析捕捉了微生物参与的宿主通路。利用CTOM 3D组织模型数据集的差异转录表达分析显示1834个上调和1830个下调显著基因，代表实验环境中与治疗诱导口腔黏膜损伤相关的分子反应。研究人员识别了89个直接基因靶点、3664个差异表达显著基因和548个文献来源微生物-人类基因关联中的2个共有基因，以及438个间接药物靶点中28个共有基因，合并后得到29个汇聚基因，其中PTGS2为两组共有，这些汇聚基因与66条Reactome通路相关，突出炎症信号、上皮修复和宿主-微生物相互作用。CFTR主要表达于胰腺、胆囊和唾液腺，作为阴离子通道调节氯离子、碳酸氢根和水转运，其功能丧失突变与囊性纤维化相关，并可能导致唾液腺功能和唾液成分改变及机会性细菌过度生长；本研究发现CFTR在依维莫司处理的3D组织模型中显著上调（p = 0.0019；LogFC = 0.59），近期研究将CFTR与通过调节角质形成细胞和上皮细胞迁移及炎症信号的伤口愈合相关联。PTGS2编码COX-2，参与与诱导性炎症相关的前列腺素合成，与NF-κB信号通路形成双向环路，Lalla等人发现口腔黏膜活检组织中COX-2水平与唾液前列腺素水平与黏膜炎和疼痛评分呈正相关，但前列腺素E2（PGE2）在损伤组织中显著增加，提示环氧合酶信号可能通过驱动细胞迁移或血管生成对炎症、氧化应激或纤维化具有保护作用。28个间接共有基因包括NFKB1、IL6、CXCL8、TGFB1和PTGS2等炎症和免疫信号基因，NFKB1编码的NF-κB在化疗后患者口腔黏膜中过表达并与严重口腔黏膜炎的黏膜损伤增加相关，在微生物失调状态下Toll样受体（TLRs）也可激活NF-κB信号，上调IL-6和来自PTGS2的COX-2，CXCL8可招募中性粒细胞进入损伤黏膜，这一过程可通过TNFα反馈环路导致NF-κB激活和慢性炎症的失控循环；本研究发现NFKB1、IL6、CXCL8和PTGS2在3D口腔组织模型中显著上调，TGFB1表达下调，提示伤口愈合和组织修复延迟。研究人员识别了Porphyromonas、Fusobacterium、Haemophilus和Prevotella等机会性细菌可能诱导或加重与口腔黏膜炎发展相关的炎症，并识别了三种可能受这些菌属影响的机制：NF-κB激活、免疫逃逸和伤口愈合受损。在药物治疗方面，许多药物旨在减轻CTOM症状，但少有专门获批用于癌症治疗患者，针对TNFα的药物如依那西普和沙利度胺的II期临床研究因未能招募足够参与者而终止；mTOR抑制剂如依维莫司和西罗莫司可通过破坏正常细胞分裂和分化过程诱导口腔黏膜炎，使用mTOR抑制剂可导致口腔炎/口腔溃疡风险增加20%，但在密切管理下溃疡很少变得严重（3-4级）；靶向PTGS2和NF-κB的NSAID塞来昔布在头颈癌患者中未能有效降低临床OM严重程度，由于P. gingivalis可影响NF-κB信号，未来临床试验在检查靶向NFKB1药物结果时可能受益于考虑患者口腔健康状况和牙周炎或P. gingivalis过度生长史。虽然许多细菌物种对宿主免疫系统有有害影响，但某些细菌可抑制炎症过程，例如Streptococcus salivarius K12可通过下调人上皮细胞先天免疫反应促进宿主-微生物稳态，并在小鼠模型中显著降低口腔黏膜炎强度；Lactobacillus casei和L. reuteri通过下调TLR4信号降低IL6水平，L. casei可抑制COX-2；L. rhamnosus可减少IL1B mRNA表达；Butyrivibrio产生丁酸，通过抑制NF-κB具有抗炎作用。研究局限性包括手动管理信息可能遗漏正在进行的临床试验和微生物研究，口腔冲洗液和植物/动物来源研究被排除，基于人类口腔样本分析的研究稀少，微生物对人类基因表达的影响仍知之甚少，探索CTOM患者转录变化的研究有限。研究结论翻译：基于自2000年以来实施的临床试验药物靶点的通路分析，研究人员能够识别具有可能改变治疗相关口腔毒性严重程度特性的通路相关细菌属，文献来源的细菌分类群包括Porphyromonas、Prevotella、Haemophilus、Streptococcus、Lactobacillus和Butyrivibrio。目前正在积极研究以更好地理解细菌群落影响宿主基因表达并导致口腔毒性的机制。本研究中识别的汇聚基因突出了可能参与CTOM或口腔炎发病机制的炎症、伤口愈合和屏障恢复相关宿主通路。然而，这些发现基于计算和文献衍生关联，不能证明因果效应或益生菌功效。所识别的关联为实验验证提供了候选机制，并可能为未来研究微生物群靶向方法（包括益生菌干预）以减轻治疗相关口腔毒性提供信息。
