《European Journal of Cell Biology》：CXCR4-centred signalling network rewiring distinguishes primary and metastatic prostate cancer: A systems-level digital twin framework
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一个系统级框架量化了原发性和转移性前列腺癌之间的信号网络重连。CXCR4信号在转移进展中作为连接炎症通路和生长因子通路的中枢枢纽。基于网络的通路活性捕获了超越单通路分析的协调肿瘤状态。
一个系统级框架量化了原发性和转移性前列腺癌之间的信号网络重连。CXCR4信号在转移进展中作为连接炎症通路和生长因子通路的中枢枢纽。基于网络的通路活性捕获了超越单通路分析的协调肿瘤状态。
前列腺癌转移的信号网络重连与CXCR4数字孪生框架解读
前列腺癌（PCa）是男性常见恶性肿瘤，部分患者最终进展为转移性去势抵抗性前列腺癌（mCRPC）。转移过程涉及染色体不稳定、异常信号通路激活和瘤内异质性，已有研究表明CXCR4及其配体CXCL12在骨转移中发挥关键作用，但既往研究多聚焦于单条通路，缺乏对信号网络整体调控的系统性认识。为此，研究人员提出了一种系统级框架，通过整合原发性和转移性前列腺癌的转录组数据，量化信号模块之间的共调控变化，构建了概念验证的肿瘤“数字孪生”框架。
研究人员从TCGA-PRAD队列获取550例原发性前列腺癌样本，从SU2C队列获取118例转移性去势抵抗性前列腺癌样本。预先定义了13个部分重叠的信号模块，涵盖AR信号、CXCR4轴、PI3K-AKT、MAPK、TGF-β/SMAD、上皮-间质转化（EMT）、侵袭/基质金属蛋白酶（MMP）、NF-κB、未折叠蛋白反应/整合应激反应（UPR/ISR）、缺氧诱导因子（HIF）调节、血管生成、Hippo-YAP和细胞外基质（ECM）机械转导。每个样本的模块活性通过z-score标准化后取基因均值计算，并通过Spearman或Pearson相关构建模块共现网络。通过比较两队列的相关系数矩阵，定义Δr值量化网络重连。此外，还采用单样本基因集富集分析（ssGSEA）进行评分基准验证，使用UMAP结合HDBSCAN进行无监督聚类识别信号状态，利用图论中心性分析拓扑特征，采用逻辑回归、随机森林和多层感知机分类器验证通路表征的区分能力，并进行留一基因（LOGO）敏感性分析和协变量调整（ESTIMATE、AR）等。
在系统级比较信号模块相互作用方面，原发肿瘤中ECM重塑、EMT、侵袭和MAPK信号表现出强正相关；转移肿瘤则显示大幅重排，例如NF-κB与PI3K-AKT的关系由负相关转为正相关（Δr=0.796），CXCR4与NF-κB、MAPK等的相互作用也显著增强。这种重连反映了转移过程中信号调节的整体重组。
网络衍生的信号状态分析中，无监督聚类识别出两种稳定的信号状态：AR-high状态和metastatic-like状态。AR-high状态显著富集PTEN和TP53改变（log2比值比分别为2.17和1.37），而metastatic-like状态表现为AR信号降低，CXCR4、PI3K-AKT、EMT、侵袭、血管生成等通路的活性相对增高。两种状态在原发和转移队列中均存在，提示转移并非产生全新状态，而是在共享信号景观内发生重新分布。
关于CXCR4作为中央介质，虽然各模块的中位活性在原发与转移之间的差异不显著，但CXCR4参与了多个最强的网络重连事件，例如与NF-κB、MAPK和TGF-β信号关联的显著变化。图论分析显示CXCR4的介数中心性较高，表明其在网络中起连接不同信号模块的“连接器”作用，而非高度连接的枢纽。基于模块活性的逻辑回归分类器区分原发与转移的AUC为0.685。
稳健性与机器学习分析显示，z-score与ssGSEA评分在大多数模块上高度一致（如CXCR4 ρ=0.986），随机森林分类器AUC为0.856，优于逻辑回归和MLP，提示通路表征中包含了非线性交互信息。CXCR4生物学情境化分析证实，CXCR4表达在转移肿瘤中显著升高（P=0.007），并与侵袭/MMP模块（ρ=0.45）及整合素ITGA4、ITGA5、ITGB1正相关，符合其促进迁移和侵袭的功能。LOGO敏感性分析表明，移除单个基因对整体网络影响较小，即使移除CXCR4本身，全局网络相关系数仍达0.977。统计稳健性方面，78条网络边中12条经FDR校正后显著；bootstrap显示CXCR4与NF-κB、MAPK的关联变化方向稳定性超过99%；经ESTIMATE调整后仍保留80.8%的方向一致性，AR调整影响更小；在PTEN/TP53不同基因组背景下，CXCR4与侵袭/EMT的关系保持正相关。
讨论部分指出，转移性前列腺癌的特征主要在于信号网络的重连而非单个通路活性的巨大变化。CXCR4信号轴作为连接炎症、生长因子和微环境信号的重要连接器，参与了这一网络重构。该框架作为概念验证的数字孪生，虽然尚不能模拟个体患者的动态演变，但为未来整合纵向数据和单细胞数据提供了基础。研究结论认为，CXCR4中心信号网络在转移性前列腺癌中具有显著的系统级特征，为理解转移机制和新疗法开发提供了新思路。
