基于文本挖掘和生物信息學篩選放射性直腸炎的治療藥物

鄭凱峰，龐林榮，周欣，陳俊

放射治療是惡性腫瘤的治療手段之一，約50%的患者需要接受放療，尤其是盆腔惡性腫瘤患者。盆腔惡性腫瘤放療時或放療后，易出現(xiàn)放射性直腸炎[1]，它往往伴隨著腹瀉、便血及里急后重等癥狀，嚴重的可能導致直腸陰道瘺或直腸尿道瘺，需要結(jié)腸改道造瘺[2]。這會影響患者的生活質(zhì)量，增加患者經(jīng)濟負擔，而且限制了治療癌癥的放療劑量。如何處理放射性直腸炎成為盆腔放療的關(guān)鍵問題。本研究通過文本挖掘發(fā)現(xiàn)放射性直腸炎及傷口愈合的共有基因，對這些基因進行功能富集分析、構(gòu)建蛋白互作網(wǎng)絡、藥物-基因互作分析探討放射性直腸炎發(fā)生的分子機制及治療的靶向藥物，為后續(xù)預測和治療放射性直腸炎提供理論依據(jù)。報道如下。

1 資料與方法

1.1 文本挖掘 基于數(shù)據(jù)庫 pubmed2ensembl 用于文本挖掘（http://pubmed2ensembl.ls.manchester.ac.uk/）[3]。Pubmed2ensembl 系統(tǒng)將PubMed 上的超過200 萬篇文章鏈接到50 個物種，近15 萬個基因。輸入搜索詞傷口愈合（WH）和放射性直腸炎（RP）進行查詢，然后從每個結(jié)果中提取出所有的基因，將這些基因的交集進行后續(xù)分析。

1.2 共有基因篩選 基因本體論（GO分析）反映了目前對基因的生物學過程（BP）、分子功能（MF）和細胞成分（CC）方面的了解[4]。京都基因和基因組百科全書（KEGG）[5]提供已知生物通路的數(shù)據(jù)資源。為了說明基因的功能和所在信號通路，通過DAVID 程序進行GO 和KEGG 通路富集分析。P ＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

1.3 蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡 將上述共有基因?qū)隨TRING[6]，分析這些基因的蛋白互作網(wǎng)絡，進一步通過Cytoscape 軟件[7]計算出網(wǎng)絡中的核心基因。

1.4 藥物-基因互作分析 利用DGIdb（http://www.dgidb.org） 探索藥物-基因的相互作用，尋找核心基因?qū)乃幬颷8]。這些靶向相關(guān)基因的候選藥物可能成為潛在的治療方法。

2 結(jié)果

2.1 文本挖掘結(jié)果 與傷口愈合相關(guān)的基因有1 217 個，與放射性直腸炎相關(guān)的基因有32 個，兩個列表的共有基因有25 個，包括IRF6、IL1B、NLRP5、ZBTB8OS、MVD、FAS、CALCR、CDH1、CDH3、LTF、PLAU、NODAL、MMP2、EDN1、APC、IL6、IL2、TNF、TF、RPS4X、MMP9、IL8、ALB、PNMA2及APEX1。

2.2 基因本體GO富集分析 共參與了777 個BP，14 個MF 和26 個CC，其中BP涉及細胞增殖調(diào)節(jié)、代謝過程的正調(diào)控及凋亡過程調(diào)控等；MF 包括受體綁定、細胞因子活性及細胞因子受體結(jié)合等；CC 包含細胞外區(qū)域部分、膜綁定囊泡及細胞外間隙等。見封三彩圖1。

2.3 KEGG 通路富集分析 共有基因涉及多達28 條信號通路，包括TNF 信號通路、腫瘤相關(guān)信號通路、細胞因子搜題相互作用及移植物抗宿主病信號通路等。見封三彩圖2。

2.4 蛋白互作網(wǎng)絡分析 將共有基因?qū)隨TRING 網(wǎng)站構(gòu)建PPI 網(wǎng)絡，選擇interaction score≥0.4 的節(jié)點。將這些節(jié)點蛋白導入Cytoscape，獲得ALB、CDH1、IL1B、IL2、IL6、CXCL8、MMP2、MMP9、PLAU 及TNF 10 個核心基因，見封三彩圖3。

2.5 藥物-基因互作分析 通過DGIdb網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫，搜索與核心基因相對應的藥物共有36 種，這些藥物能作用于上述核心基因。見表1。

表1 藥物-基因互作表

3 討論

放射性直腸炎在盆腔放療中比較常見，嚴重影響患者的預后和放療效果；因此，探索放射性直腸炎的發(fā)生機制，實施合理有效的治療迫在眉睫。本研究通過文本挖掘，篩選出的25 個與傷口愈合和放射性直腸炎相關(guān)的基因。

KEGG富集分析發(fā)現(xiàn)這些基因介導了包括移植物抗宿主病信號通路、TNF信號通路、NF- B通路等多個信號通路。研究表明，在一定量的放射線作用下，小鼠肺、乳腺等組織中TNF- 、TNF- 表達上調(diào)，TNF信號通路激活，導致放射性損傷的發(fā)生[9]。另有研究發(fā)現(xiàn)，中藥灌腸能通過調(diào)節(jié)NF- B 信號通路，減輕放射性直腸炎的癥狀[10]。這提示TNF 信號通路、NF- B 信號通路在放射性直腸炎中扮演了重要的角色。

本研究通過蛋白互作網(wǎng)絡篩選出了10 個核心基因，其中IL1B 基因表達的白介素1（IL1 ），能誘發(fā)炎癥介質(zhì)和趨化因子的釋放，引發(fā)炎癥性疾病[11]。Symon 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，IL1 在放射性直腸炎的小鼠直腸黏膜中表達顯著升高。白細胞介素6（IL6）能介導包括細胞凋亡、增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移等生物過程，在免疫反應、炎癥反應中起重要作用[13]。有研究表明，放射治療增加腫瘤細胞和基質(zhì)細胞中IL6 的表達，導致炎癥的發(fā)生[14-15]。因此，抑制IL1 、IL6 也許能夠預防和治療放射性直腸炎。

本研究檢索DGIdb 數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)36種作用于這些基因的藥物，經(jīng)過篩選，將目標鎖定在靶向IL1 的卡那奴單抗和IL6 的司妥昔單抗。卡那奴單抗是靶向IL1 的全人單克隆抗體，F(xiàn)DA 批準其用于風濕性疾病[16]。司妥昔單抗是嵌合人鼠白介素6 單克隆抗體，F(xiàn)DA 批準其治療多中心型巨大淋巴結(jié)增生癥。目前尚無研究證實這兩種藥物在放射性直腸炎中的應用效果，但本研究結(jié)果能提供一定的理論依據(jù)。

本文的不足之處在于，缺乏實驗和臨床研究的支持。下一步擬通過實驗探究IL1 和IL6 在放射性直腸炎中的作用機制，驗證卡那奴單抗和司妥昔單抗在放射性直腸炎的預防和治療效果。