《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Uncovering the immune-related PCD genes in chronic rhinosinusitis with nasal polyps inflammatory progression: a machine learning and functional validation study
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本研究通過整合多組學數(shù)據(jù)與機器學習方法，系統(tǒng)鑒定了慢性鼻竇炎伴鼻息肉（CRSwNP）中關鍵的免疫相關程序性細胞死亡（PCD）特征基因（CD209、CYBB、FPR1、IL2RB、TYROBP），揭示了巨噬細胞在慢性炎癥微環(huán)境中的核心作用，并驗證了其通過調(diào)控MAPK通路（如p-ERK1/2、p-p38）促進M2極化與炎性因子分泌的機制。研究成果為CRSwNP的早期診斷、預后評估及個性化治療（如靶向藥物Sulfinpyrazone/Azacyclonol）提供了新視角。
慢性鼻竇炎伴鼻息肉（CRSwNP）是一種常見的上呼吸道慢性炎癥性疾病，其反復發(fā)作與治療抵抗常導致患者長期身心負擔。近年研究表明，免疫細胞浸潤與程序性細胞死亡（PCD）的交互作用在CRSwNP進展中扮演關鍵角色，但相關分子機制尚不明確。本研究通過生物信息學挖掘與實驗驗證相結合的策略，系統(tǒng)解析了CRSwNP的免疫相關PCD基因特征及其臨床意義。
材料與方法
研究從GEO數(shù)據(jù)庫獲取了多個CRSwNP與正常組織的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集（包括GSE136825、GSE179265等），經(jīng)批次校正后納入65例CRSwNP樣本與38例正常對照。通過差異表達分析、加權基因共表達網(wǎng)絡分析（WGCNA）及已發(fā)表的PCD基因集篩選，獲得54個與巨噬細胞相關的候選基因。進一步采用LASSO回歸、支持向量機遞歸特征消除（SVM-RFE）與隨機森林三種機器學習算法，篩選出5個核心特征基因：CD209、CYBB、FPR1、IL2RB與TYROBP。隨后通過諾莫圖（nomogram）構建、受試者工作特征曲線（ROC）評估診斷效能，并結合免疫浸潤分析、基因集富集分析（GSEA）與聚類分析探索其生物學功能。最后，利用臨床樣本（40例CRSwNP患者鼻息肉組織與25例正常黏膜）進行qRT-PCR、Western blot與ELISA實驗驗證，并通過外周血單核細胞（PBMC）來源的巨噬細胞模型進行功能機制研究。
結果
- 1.
免疫細胞浸潤特征：ssGSEA與CIBERSORT算法均顯示，CRSwNP組織中未成熟樹突狀細胞、巨噬細胞、肥大細胞與中性粒細胞浸潤水平顯著升高，其中巨噬細胞與疾病狀態(tài)相關性最強。
- 2.
差異基因與模塊分析：共鑒定518個差異表達基因（DEGs），主要富集于白細胞遷移、免疫受體活性等生物過程。WGCNA分析發(fā)現(xiàn)藍色模塊（1127個基因）與巨噬細胞浸潤高度正相關（r=0.84），該模塊基因顯著富集于細胞因子-細胞因子受體相互作用等免疫相關通路。
- 3.
特征基因篩選與驗證：三種機器學習算法共同鎖定CD209、CYBB、FPR1、IL2RB與TYROBP為關鍵特征基因。其在訓練集與驗證集中均于CRSwNP組顯著高表達，且ROC曲線下面積（AUC）均大于0.804，顯示出良好診斷價值。諾莫圖模型、校準曲線與決策曲線分析進一步證實該基因組合具優(yōu)異預后預測能力。
- 4.
免疫與通路關聯(lián)：特征基因與巨噬細胞浸潤程度呈顯著正相關。GSEA分析提示這些基因主要富集于自身免疫性甲狀腺疾病等免疫相關通路。聚類分析將CRSwNP樣本分為兩個亞群（C1與C2），亞群間在細胞凋亡、趨化因子信號等通路上存在顯著差異。
- 5.
靶向藥物預測：基于DSigDB數(shù)據(jù)庫的藥物預測顯示，Sulfinpyrazone與Azacyclonol與特征基因的結合評分最高，有望成為調(diào)控相關免疫通路的候選藥物。
- 6.
實驗驗證：qRT-PCR與Western blot證實5個特征基因在CRSwNP組織中mRNA與蛋白水平均顯著上調(diào)。在細胞功能實驗中，F(xiàn)PR1敲低可降低巨噬細胞中IL-8、CCL5、TNF-α、IL-6等炎性因子分泌，而TYROBP過表達則產(chǎn)生相反效應。機制上，F(xiàn)PR1與TYROBP通過調(diào)控MAPK通路（p-ERK1/2與p-p38磷酸化）驅(qū)動巨噬細胞向M2表型極化（Arg-1表達上調(diào)），從而加劇慢性炎癥微環(huán)境。
討論
本研究首次整合多組學與機器學習手段，系統(tǒng)揭示了CRSwNP中免疫相關PCD基因的調(diào)控網(wǎng)絡。特征基因CD209（參與樹突狀細胞免疫識別）、CYBB（調(diào)控NADPH氧化酶活性）、FPR1（介導趨化反應）、IL2RB（T細胞應答關鍵因子）與TYROBP（髓系細胞信號轉(zhuǎn)導適配蛋白）的協(xié)同高表達，不僅為疾病早期診斷提供了新型分子標志物，亦提示巨噬細胞介導的M2極化及MAPK通路激活是CRSwNP慢性炎癥維持的核心環(huán)節(jié)。此外，聚類分析揭示的疾病異質(zhì)性亞群，為未來個性化治療（如靶向免疫抑制或調(diào)節(jié)策略）奠定了理論基礎。盡管樣本量及模型系統(tǒng)存在局限，但本研究通過生物信息學挖掘與多層面實驗驗證，為深入理解CRSwNP免疫病理機制及開發(fā)新型治療策略提供了有力依據(jù)。
結論
CD209、CYBB、FPR1、IL2RB與TYROBP是CRSwNP中關鍵的免疫相關PCD特征基因，其通過調(diào)控巨噬細胞M2極化及MAPK信號通路參與慢性炎癥進程。基于這些基因構建的預測模型具有良好的診斷與預后評估價值，而靶向藥物預測與聚類分析結果為CRSwNP的個性化治療提供了新方向。
