基于生物信息学与体外实验解析干眼病：免疫反应与天然产物干预的作用

《Human Genomics》：Decoding dry eye disease based on bioinformatics and in vitro experimental: the role of immune responses and natural product intervention

　　

摘要

背景

干眼症是一种常见的眼部疾病，其发病率正在上升。异常的炎症反应和免疫功能紊乱是干眼症的关键致病因素。然而，自身免疫与干眼症治疗之间的内在机制尚未完全明了。由于单一疗法难以满足临床需求，草药在治療干眼症方面的潜力值得进一步研究。

方法

首先从GEO数据库及其他公共数据源中筛选出与干眼症相关的数据集和基因。获取数据后，进行了差异基因表达分析和功能富集分析。随后构建蛋白质-蛋白质相互作用网络，以识别核心模块和关键基因。为提高这些结果的可靠性和诊断价值，进一步使用独立的外部数据集对关键基因进行验证，并通过机器学习算法（LASSO和SVM-RFE）筛选出特征基因。这些特征基因被用于反向预测潜在的中药天然产物，进而构建基因-天然产物网络。之后通过分子对接技术，根据结合亲和力筛选出有潜力的天然产物。同时，利用CIBERSORTx分析免疫细胞的浸润情况，再通过单细胞RNA测序数据解析特征基因在不同细胞类型中的表达模式。最后，利用干眼症的体外细胞模型验证了预测出的最具治疗潜力的天然产物的效果。

结果

选择GSE44101作为基础数据集。通过差异基因分析，从五个数据库中找到了1089个差异基因和3504个与干眼症相关的基因，其中235个基因在多个数据库中均有出现。富集分析显示，干眼症与细胞因子-细胞因子受体相互作用、PI3K-Akt、IL-17以及JAK-STAT信号通路有关。蛋白质-蛋白质相互作用网络共识别出20个关键基因，经其他GEO数据集和机器学习方法验证和优化后，最终确定了10个特征基因：CDK1、CCNA2、CXCL13、CCR1、FEN1、CCR7、SELL、RAD51、CXCL1和KIF11。染料木黄酮被认定为关键的中药天然产物。分子对接实验显示，染料木黄酮与CDK1、IL-1β、CDC20和CCNA2之间存在稳定的相互作用，其中CDC20的结合稳定性最高。CIBERSORT分析表明，这些特征基因与干眼症中的特定免疫细胞浸润存在关联。单细胞RNA测序结果显示，这些基因主要在角膜的特定细胞类型中表达，其中IL-1β主要在巨噬细胞中表达。细胞实验证实，浓度为12.5 μmol/L的染料木黄酮能够保护人类角膜上皮细胞免受NaCl引起的渗透性损伤以及TNF-α引发的免疫损伤，降低细胞脱落率并减少细胞死亡面积。染料木黄酮能够在RNA和蛋白质水平上下调CDK1、IL-1β和CCNA2的表达，同时上调CDC20的表达。

结论

染料木黄酮具有治疗干眼症的潜力，可能是通过调节CDK1、IL-1β、CDC20和CCNA2的功能，发挥抗炎、抗氧化应激和抗凋亡的作用。