二氧化氮暴露促进 CD8+T 细胞浸润并增加溃疡性结肠炎易感性：一项整合多组学、人工智能和小鼠模型的研究

《Journal of Hazardous Materials》：Nitrogen dioxide exposure promotes CD8+T cell infiltration and contributes to increased susceptibility to ulcerative colitis: an integrative multi?omics, artificial intelligence, and mouse model study

　　

摘要

溃疡性结肠炎（UC）的全球发病率在快速工业化国家中显著增加，许多研究强调环境暴露，特别是二氧化氮（NO₂），是疾病易感性的潜在贡献因素。然而，将 NO₂ 暴露与 UC 易感性联系起来的临床意义和分子机制仍知之甚少。本研究通过整合多组学数据调查了 NO₂ 与 UC 之间的关联。我们鉴定出一个具有独特表型的 CD8⁺ T 细胞亚群，其特征是产生穿孔素，这可能会加剧与 NO₂ 暴露相关的结肠炎症。为了验证这一假设，我们建立了暴露于 NO₂ 的小鼠模型，通过免疫荧光（IF）染色证实了 CD8⁺ T 细胞浸润增加和穿孔素分泌升高。利用人工智能技术，我们鉴定出细胞分裂周期 25B（CDC25B）是一个与推测的 NO₂ 相关 UC 特征相关的感兴趣基因。最后，通过分子对接（MD）和分子动力学模拟（MDS），我们鉴定出奥扎尼莫德是几个计算提名化合物中的一个，这些化合物与 CDC25B 相关网络相关；然而，这些计算预测在本研究中均未得到实验验证。总的来说，这些发现表明穿孔素或与 CD8⁺ T 细胞相关的结肠炎症与 NO₂ 相关的 UC 易感性之间存在相关性，并提名 CDC25B 作为进一步研究的候选基因。

引言

溃疡性结肠炎（UC）是一种主要影响结肠黏膜的慢性、复发性炎症性疾病，是炎症性肠病（IBD）的主要形式之一。在过去几十年中，UC 的全球负担大幅增加，发病率 和患病率不仅在北美和西欧等历史上高发地区上升，也在亚洲、非洲和南美洲的快速工业化国家中上升 [1], [2]。这种流行病学转变表明环境因素可能是疾病易感性的潜在因素 [3]。最近，环境污染已成为 UC 起始和进展的关键因素，例如微塑料 [4] 和内分泌干扰物 [5]。

在众多环境因素中，空气污染已成为 UC 发病机制的重要促成因素 [6]。已知空气污染物会诱导全身性炎症、氧化应激和肠上皮屏障破坏，这些机制是 IBD 发展的核心 [7], [8]。特别是二氧化氮（NO?），一种普遍的交通相关空气污染物和燃烧相关排放物的替代标记物，已引起越来越多的关注 [9]。几项流行病学研究揭示了 NO? 暴露与 UC 进展和预后之间的显著相关性 [10], [11]。同时，越来越多的证据表明 NO? 可能调节肠道微生物并诱导黏膜免疫反应，从而可能引发或持续结肠炎症 [12]。然而，尽管流行病学证据将 NO? 与 UC 联系起来，但 NO? 调节 UC 进展的潜在分子机制仍有待完全阐明。

毒理学领域正在经历重大变革，从传统的单一靶点评估转变为强调化学 - 生物相互作用的全面系统水平方法。环境和药物化学物质很少通过靶向单一分子位点来发挥毒性。相反，它们扰乱基因、蛋白质和代谢途径的复杂网络。在这种情况下，网络毒理学作为一个稳健的概念框架出现，它将高通量数据与系统生物学整合起来，促进识别影响毒性的关键调控枢纽 [13], [14]。与此同时，分子对接（MD）和分子动力学模拟（MDS）作为评估潜在化合物 - 蛋白质相互作用的必要工具。MD 评估化合物及其靶蛋白之间的结合模式和亲和力。此外，MDS 研究这些相互作用的动态特征及其可能的生物学意义 [15], [16]。

在本研究中，我们通过整合单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和批量 RNA 测序，调查了 NO? 暴露与 UC 易感性和之间的关联。我们鉴定出一个 T 细胞亚群 Te_PRF1，其特征是分泌穿孔素，并发现其潜在的功能表型与结肠炎症加剧有关。我们使用临床样本和体内实验验证了这些生物信息学发现。接下来，使用包括机器学习和计算机模拟敲除在内的人工智能方法，我们鉴定出 CDC25B 是一个与推测的 NO? 相关 UC 特征相关的感兴趣基因。最后，通过计算临床上使用的化合物的计算毒理学筛选，我们鉴定出奥扎尼莫德是几个与 CDC25B 相关网络相关且值得进一步计算关注的化合物之一。总的来说，这些发现表明 CD8? T 细胞可能通过穿孔素促进结肠炎症的加剧，可能将其与 NO? 相关的溃疡性结肠炎（UC）易感性联系起来，而分子和治疗预测需要进一步的实验验证。

章节摘要

数据和资源

对于公开可用的数据集，本研究中使用的批量 RNA 测序数据可从基因表达综合数据库（http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo)）获得，登录号为 GSE47908（批量 RNA 测序）、GSE53306（批量 RNA 测序）、GSE38832（批量 RNA 测序）和 GSE231993（单细胞 RNA 测序）。GSE47908 被视为探索数据集，GSE53306 被视为外部验证数据集。本研究共纳入 96 个样本。

对于

鉴定与推测的 NO₂ 相关分子特征相关的 UC 潜在靶点

本研究的工作流程如图 S1 所示。为了鉴定与 UC 疾病发生相关的潜在基因，我们进行了 WGCNA 分析，并根据尺度独立性选择 8 作为软阈值幂（图 1A 和 1B）。选择与 UC 显示显著正相关的模块中获得的基因（图 1C 和 1D）。同时，NO₂ 暴露的潜在靶点从 TargetNet 和 SuperPred 3.0 数据库中获得。共有 16 个基因在 UC 和

讨论

最近的研究表明，快速工业化国家的 UC 发病率和患病率显著上升，这一趋势不能完全由遗传变异来解释 [1], [2]。大量证据表明，环境因素，特别是 NO₂，可能在 UC 的发生中起关键作用，如流行病学研究所证明的那样。然而，将 NO₂ 暴露与 UC 发生联系起来 的潜在分子机制仍知之甚少。其优势

结论

总之，通过整合多组学数据集和体内模型，本研究鉴定出一个分泌穿孔素的 T 细胞亚群，该亚群可能在增加高 NO₂ 相关 UC 特征的溃疡性结肠炎易感性方面发挥关键作用。使用人工智能算法，我们鉴定出 CDC25B 是推测的 NO? 相关 UC 特征的候选转录相关因子。此外，计算毒理学筛选提名奥扎尼莫德为感兴趣候选分子

环境意义

快速工业化国家的 UC 发病率和患病率显著上升，这一趋势不能完全由遗传变异来解释。大量流行病学研究表明 NO₂ 可能在 UC 的发生中起关键作用。在本研究中，我们声称 NO₂ 相关 UC 疾病发生的一个潜在机制是分泌穿孔素的 T 细胞亚群加剧了结肠炎症。重要的是，我们鉴定出奥扎尼莫德为相关候选化合物

伦理声明

本研究遵守人类研究指南，并依照世界医学协会赫尔辛基宣言进行伦理操作。人类伦理批准号为 No. 2026ZN192-1。动物伦理批准号为 No. KKN-2026-032302。临床试验编号不适用。

未引用参考文献

[25]

资金

本研究得到国家自然科学基金（No. 82500667）、浙江省医药卫生科技计划（No. 2025HY0616）、浙江省自然科学基金（No. LQN25H030008）、杭州市医学重点学科建设基金（2025HZGF05）、浙江省重点研发计划（No. 2023C03054 和 No. 2024C03048）以及浙江省中西医结合重点学科（消化疾病）的支持

CRediT 作者贡献声明

常欣: 调查，形式分析，数据整理，概念化。 付天: 方法论，调查，数据整理。 王智慧: 方法论，调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。 徐丹: 软件，形式分析，数据整理。 马元宏: 方法论，数据整理。 张浩: 数据整理。 侯勇东: 写作 - 审阅与编辑，写作 - 初稿，指导，软件，方法论，调查，形式分析，数据

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

王智慧|常欣|付天|徐丹|马元宏|张浩|夏_hubin|张小峰|侯勇东

中国浙江省杭州市 310000，西湖大学医学院，杭州市第一人民医院附属消化内科