研究基于中國安徽省5482名產(chǎn)業(yè)工人的職業(yè)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了14種機器學(xué)習(xí)模型以預(yù)測癌胚抗原(CEA)陽性狀態(tài)。結(jié)果表明，基于集成學(xué)習(xí)的CatBoost模型在測試集中表現(xiàn)最優(yōu)，其受試者工作特征曲線下面積(AUC)、靈敏度和特異性均優(yōu)于其他模型。決策曲線分析(DCA)進(jìn)一步證實，CatBoost模型在廣泛的閾值概率范圍內(nèi)能為識別CEA陽性高風(fēng)險個體提供最高的臨床凈獲益。

為增強模型的可解釋性，研究采用SHAP框架量化了各特征對預(yù)測的貢獻(xiàn)。分析顯示，在眾多血液學(xué)參數(shù)與職業(yè)暴露因素中，單核細(xì)胞/淋巴細(xì)胞比值(MLR)是對CEA陽性最重要的預(yù)測因子，凸顯了系統(tǒng)性免疫失衡的核心作用。在職業(yè)暴露因素中，二氧化硅(SiO₂)粉塵的SHAP貢獻(xiàn)值最高，顯著高于二氧化氮、煤塵和一氧化碳等其他暴露。SHAP依賴性分析進(jìn)一步揭示，二氧化硅暴露與CEA陽性之間的關(guān)聯(lián)呈明顯的非線性特征，表現(xiàn)為閾值效應(yīng)及高暴露水平下顯著的個體間異質(zhì)性，提示二氧化硅可能扮演了風(fēng)險放大器的角色。

中介分析為上述關(guān)聯(lián)提供了潛在的生物學(xué)通路解釋。研究發(fā)現(xiàn)，MLR、中性粒細(xì)胞百分比、淋巴細(xì)胞百分比、中性粒細(xì)胞/淋巴細(xì)胞比值(NLR)及系統(tǒng)性免疫炎癥指數(shù)(SII)等多個炎癥指標(biāo)，在二氧化硅暴露與CEA升高之間均顯示出顯著的中介效應(yīng)。其中，MLR的中介效應(yīng)占比最大，支持了“單核細(xì)胞主導(dǎo)的炎癥活化是連接職業(yè)性二氧化硅暴露與CEA水平升高的關(guān)鍵機制環(huán)節(jié)”這一假說。

為驗證計算模型揭示的機制，研究進(jìn)行了體外實驗。結(jié)果顯示，二氧化硅納米顆粒以劑量依賴性方式強烈激活人單核細(xì)胞系THP-1，顯著上調(diào)白細(xì)胞介素-6(IL-6)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的mRNA表達(dá)。蛋白質(zhì)印跡分析證實，二氧化硅處理可濃度依賴性地上調(diào)NF-κB p65蛋白表達(dá)，而使用NF-κB抑制劑BAY 11-7082預(yù)處理能顯著抑制這種激活。

有趣的是，直接使用二氧化硅處理結(jié)直腸癌(CRC)細(xì)胞系HT29和Caco-2，僅引起CEA表達(dá)的輕微變化，未呈現(xiàn)明確的劑量反應(yīng)關(guān)系。然而，用二氧化硅刺激后的THP-1細(xì)胞條件培養(yǎng)基處理CRC細(xì)胞，則能劑量依賴性地顯著上調(diào)CEA的mRNA和蛋白分泌水平。這表明二氧化硅并非直接作用于腫瘤細(xì)胞，而是通過激活免疫細(xì)胞釋放可溶性因子來間接調(diào)控CEA。

進(jìn)一步的因果驗證實驗支持了這一炎癥旁分泌軸。在THP-1細(xì)胞側(cè)使用NF-κB抑制劑，或在CRC細(xì)胞側(cè)使用IL-6中和抗體，均能部分逆轉(zhuǎn)條件培養(yǎng)基誘導(dǎo)的CEA上調(diào)。這證實了二氧化硅通過激活單核細(xì)胞的NF-κB通路，促進(jìn)IL-6等細(xì)胞因子分泌，進(jìn)而以旁分泌方式驅(qū)動腫瘤細(xì)胞CEA表達(dá)的分子機制。

研究通過整合比較毒物基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫(CTD)中的二氧化硅相關(guān)基因和GeneCards數(shù)據(jù)庫中的結(jié)直腸癌相關(guān)基因，識別出42個重疊基因，它們可能作為連接環(huán)境暴露與腫瘤發(fā)生的分子橋梁。蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用(PPI)網(wǎng)絡(luò)分析揭示了這些基因之間高度互聯(lián)，并識別出包括AKT1、TNF、TGFB1、IL1B、MMP9、MMP2、FN1、ICAM1、PECAM1和CDH5在內(nèi)的關(guān)鍵樞紐基因，這些基因在炎癥反應(yīng)、細(xì)胞外基質(zhì)重塑和內(nèi)皮功能調(diào)控中發(fā)揮核心作用。

基于這些核心基因構(gòu)建的風(fēng)險評分模型，在TCGA-CRC和GSE39582兩個獨立的結(jié)直腸癌隊列中均顯示出顯著的預(yù)后預(yù)測價值。多變量Cox回歸分析表明，該基因特征與患者的總生存期(OS)顯著相關(guān)。在TCGA-CRC隊列中，Kaplan-Meier生存分析顯示高風(fēng)險組患者的總體生存率顯著低于低風(fēng)險組。時間依賴性ROC曲線和決策曲線分析進(jìn)一步證實了該模型在預(yù)測1年、3年、5年生存率方面具有良好的判別能力和臨床凈獲益。

為在單細(xì)胞水平上提供二氧化硅塑造腫瘤微環(huán)境易感性的證據(jù)，研究分析了GSE161277單細(xì)胞RNA測序(scRNA-seq)數(shù)據(jù)集。質(zhì)量控制后，通過統(tǒng)一流形逼近與投影(UMAP)可視化揭示了結(jié)直腸癌樣本中清晰的細(xì)胞群體，包括T細(xì)胞、B細(xì)胞、單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞等。

重點分析了與炎癥和粘附相關(guān)的關(guān)鍵基因表達(dá)模式。比較分析顯示，在結(jié)直腸癌樣本的細(xì)胞中，ICAM1、TGFB1和IL1B的表達(dá)顯著上調(diào)。特征圖顯示這些基因在特定的免疫和基質(zhì)區(qū)室中富集，而非均勻表達(dá)，提示存在局部微環(huán)境激活。小提琴圖分析進(jìn)一步證實了這些基因在CRC樣本中的表達(dá)水平顯著高于對照組。這些單細(xì)胞層面的結(jié)果提供了直接證據(jù)，表明結(jié)直腸癌的特征是協(xié)調(diào)的免疫和基質(zhì)轉(zhuǎn)錄重編程，與持續(xù)的炎癥激活狀態(tài)一致。粘附分子和細(xì)胞因子相關(guān)基因的富集，支持了“系統(tǒng)性免疫失調(diào)（可能由慢性職業(yè)暴露觸發(fā)）有助于腫瘤微環(huán)境重塑，從而為腫瘤相關(guān)生物標(biāo)志物升高和疾病進(jìn)展創(chuàng)造許可性環(huán)境”這一模型。

本研究通過整合真實世界數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)、體外實驗與多組學(xué)分析，描繪了職業(yè)性二氧化硅暴露通過炎癥介導(dǎo)的通路上調(diào)癌胚抗原(CEA)的機制與計算框架。從計算視角看，集成學(xué)習(xí)模型的優(yōu)異表現(xiàn)凸顯了捕捉職業(yè)暴露、血液學(xué)參數(shù)和系統(tǒng)性炎癥指數(shù)之間非線性多維交互的重要性。SHAP模型的可解釋性進(jìn)一步揭示了以MLR為代表的炎癥相關(guān)特征是連接特定職業(yè)毒素與CEA升高的關(guān)鍵介質(zhì)。

從生物學(xué)機制看，二氧化硅顆粒被肺泡區(qū)的單核/巨噬細(xì)胞吞噬后，激活NF-κB軸，導(dǎo)致IL-6等促炎細(xì)胞因子上調(diào)和分泌。這些細(xì)胞因子通過旁分泌作用激活腫瘤細(xì)胞內(nèi)的JAK/STAT3等通路，進(jìn)而上調(diào)CEA等腫瘤標(biāo)志物的表達(dá)。這一過程將系統(tǒng)性免疫失調(diào)確立為連接職業(yè)暴露與早期癌癥風(fēng)險的關(guān)鍵中間環(huán)節(jié)。

本研究具有多重意義：首先，將CEA納入職業(yè)監(jiān)測項目可促進(jìn)高危人群的早期識別；其次，利用可解釋模型能透明闡述暴露-生物標(biāo)志物關(guān)系，加強監(jiān)管問責(zé)并實現(xiàn)個性化風(fēng)險評估；第三，明確炎癥作為關(guān)鍵介質(zhì)，為靶向免疫微環(huán)境的干預(yù)策略（如抗炎或細(xì)胞因子調(diào)控）鋪平了道路。研究亦存在局限，如暴露數(shù)據(jù)基于監(jiān)管閾值的二元分類、缺乏吸煙狀況等潛在混雜因素信息、THP-1細(xì)胞系模型的普適性限制以及需要外部隊列驗證模型穩(wěn)健性等。

總之，本研究支持“職業(yè)性二氧化硅暴露通過炎癥驅(qū)動的旁分泌信號促進(jìn)CEA升高”的模型。整合機器學(xué)習(xí)、分子生物學(xué)和暴露科學(xué)，為揭示環(huán)境致癌物與早期風(fēng)險生物標(biāo)志物之間的隱藏聯(lián)系提供了有力范式。未來研究應(yīng)將此方法擴(kuò)展至其他暴露物，并探索動態(tài)CEA監(jiān)測在職業(yè)暴露隊列中的預(yù)后價值。