整合网络毒理学揭示增塑剂暴露与炎症性胃肠疾病间潜在分子靶点关联

《Genes》：Integrative Network Toxicology Reveals Potential Molecular Targets Linking Plasticizer Exposure to Inflammatory Gastrointestinal Disorders

　　

背景：增塑剂包括邻苯二甲酸酯类及无邻苯二甲酸酯替代物是广泛检出的环境化学物质。尽管越来越多证据表明增塑剂可能扰乱胃肠稳态，但其与炎症性胃肠疾病（inflammatory gastrointestinal disorders, IGDs）之间的潜在分子关联仍不清楚。方法：研究人员旨在系统识别代表性增塑剂与IGDs之间的潜在分子靶点和通路。研究应用整合网络毒理学框架，针对四种增塑剂即邻苯二甲酸二甲酯（dimethyl phthalate, DMP）、邻苯二甲酸二乙酯（diethyl phthalate, DEP）、邻苯二甲酸二辛酯/邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯（dioctyl phthalate/di(2-ethylhexyl) phthalate, DOP/DEHP）和乙酰柠檬酸三丁酯（acetyl tributyl citrate, ATBC），关联四种IGDs即克罗恩病（Crohn’s disease, CD）、溃疡性结肠炎（ulcerative colitis, UC）、食管炎（esophagitis）和胃炎（gastritis）。研究人员从公共数据库收集增塑剂相关靶点和疾病相关靶点，随后进行重叠靶点筛选、蛋白–蛋白互作（protein–protein interaction, PPI）网络分析、功能富集分析、基于基因表达综合（Gene Expression Omnibus, GEO）的转录组验证、分子对接（molecular docking）、分子动力学模拟（molecular dynamics simulation）以及单细胞RNA测序（single-cell RNA-seq）分析。结果：研究人员识别出疾病特异性候选靶点，包括CD对应的CXCL8和FN1，UC对应的IL1B，食管炎对应的MAPK3、FASN、FN1、PPARG、CXCL8、FOS和HIF1A，以及胃炎对应的MMP9、TNF、TLR4、IL6、CCR2、IFNG和PTGS2。跨疾病分析进一步识别出增塑剂相关特征靶点，包括DMP对应的MMP7，DEP对应的HMOX1和NOS2，ATBC对应的LTF和CCL11。富集分析表明这些靶点主要参与炎症、趋化因子、MAPK相关和异物（xenobiotic）响应通路。分子对接和动力学模拟提示所选增塑剂与候选靶点之间存在稳定互作，而单细胞分析揭示了这些靶点在上皮、免疫和基质区室中的细胞类型特异性表达模式。结论：本研究提供了一个探索性网络毒理学框架，用于识别增塑剂暴露与IGDs之间的潜在分子关联。研究结果突出了疾病特异性和增塑剂关联的候选靶点，可为未来实验验证和环境风险评估提供指导。

该研究发表在《Genes》。研究背景方面，增塑剂作为广泛使用的塑料添加剂，以邻苯二甲酸酯类（如DMP、DEP、DOP/DEHP）和无邻苯二甲酸酯替代物（如ATBC）为代表，因未共价结合聚合物基质而易迁移进入环境并通过摄入、吸入、皮肤吸收等途径造成持续人体暴露。现有证据虽提示增塑剂可破坏胃肠稳态，如损伤上皮屏障、扰动肠道菌群、激活炎症信号，但增塑剂与炎症性胃肠疾病（IGDs：CD、UC、食管炎、胃炎）间的潜在分子靶点及通路尚未系统阐明，既往研究多聚焦单一化合物、孤立毒性终点或单一疾病模型，缺乏跨增塑剂与跨IGDs的比较分析，因此研究人员开展此项整合网络毒理学研究，以系统识别增塑剂–IGDs关联的潜在分子靶点、通路及细胞上下文，为后续实验验证与环境风险评估提供计算层面依据。

主要关键技术方法：研究人员采用的计算与数据库驱动策略包括：通过ADMETlab 3.0和ProTox-II预测四种增塑剂毒性谱；从ChEMBL、PubChem、SwissTargetPrediction数据库预测增塑剂靶点（物种限定人Homo sapiens）并经UniProt标准化；从GeneCards（相关性评分>50）、DrugBank、OMIM获取CD、UC、食管炎、胃炎的疾病靶点并标准化；利用Venn图获得增塑剂–疾病重叠靶点；将重叠靶点输入STRING构建PPI网络（互作置信度>0.4）并在Cytoscape中用cytoHubba插件基于度中心性（degree centrality, DC）、介数中心性（betweenness centrality, BC）、接近中心性（closeness centrality, CC）筛选top15枢纽基因取交集得到中枢靶点；采用DAVID进行GO（侧重生物过程BP）和KEGG通路富集（adj.p<0.05）；从GEO下载对应疾病的转录组数据集（CD：GSE24287、GSE59071、GSE36807；UC：GSE13367、GSE24287、GSE179285；食管炎：GSE58640、GSE190027、GSE234973；胃炎：GSE60427、GSE47797、GSE60662），用limma包筛选差异表达基因（DEGs：adj.p<0.05，|log₂FC|≥1），将中枢靶点与DEGs交集定义为核心毒性靶点；利用PyMOL、Chimera、AutoDock进行增塑剂与核心靶点的分子对接并以结合能评价；用GROMACS（AMBER99SB力场）做100 ns分子动力学模拟评估RMSD、Rg、SASA、RMSF、氢键等；从GEO获取单细胞数据集（CD/UC：GSE214695；胃炎：GSE254513；食管炎：GSE201153）用Seurat进行质控、降维（UMAP）、细胞类型注释及目标基因细胞类型特异性表达分析。

结果部分：3.1节增塑剂对胃肠系统的毒性分析：研究人员通过ADMETlab 3.0和ProTox-II预测四种增塑剂毒性，均显示胃肠器官毒性（尤肝损伤倾向），ProTox-II分级DMP、DEP为6级，DOP/DEHP、ATBC为4级，预测人经口半数致死剂量LD₅₀分别为6800、6172、1340、517 mg/kg。3.2节DMP、DEP、DOP、ATBC在CD中的靶点筛选与富集分析：Venn分析得DMP、DEP、DOP、ATBC与CD重叠靶点分别为166、249、119、234个；GO/KEGG显示DMP–CD富集于异物刺激响应、麻疹通路，DEP–CD富集于异物刺激响应、脂质与动脉粥样硬化通路，DOP–CD富集于ERK1/2级联、趋化因子信号通路，ATBC–CD富集于MAPK级联正向调控、MAPK信号通路；PPI拓扑分析取DC、BC、CC各top15交集后与GEO的DEGs交叉验证，确定CD核心靶点为CXCL8和FN1。3.3节DMP、DEP、DOP、ATBC在UC中的靶点筛选与富集分析：重叠靶点分别为155、234、114、227个；富集显示DMP–UC和DEP–UC分别富集异物刺激响应+麻疹、异物刺激响应+脂质与动脉粥样硬化，DOP–UC富集异物刺激响应+趋化因子信号，ATBC–UC富集激酶活性正向调控+MAPK信号；PPI与DEGs交叉得UC核心靶点为IL1B。3.4节DMP、DEP、DOP、ATBC在食管炎中的靶点筛选与富集分析：重叠靶点分别为274、386、190、383个；富集表明DMP和DEP–食管炎富集异物刺激响应、神经活性配体–受体互作，DOP–食管炎富集异物刺激响应、吗啡成瘾通路，ATBC–食管炎富集转移酶活性正向调控、MAPK信号；PPI与三个GEO数据集DEGs交集得食管炎核心靶点为MAPK3、FASN、FN1、PPARG、CXCL8、FOS、HIF1A。3.5节DMP、DEP、DOP、ATBC在胃炎中的靶点筛选与富集分析：重叠靶点分别为274、386、190、383个；富集显示DMP–胃炎富集细菌源分子响应、脂质/动脉粥样硬化，DEP–胃炎富集脂多糖响应、脂质/动脉粥样硬化，DOP–胃炎富集细胞稳态、脂质/动脉粥样硬化，ATBC–胃炎富集激酶活性正向调控、趋化因子信号通路；PPI与DEGs交集得胃炎核心靶点为MMP9、TNF、TLR4、IL6、CCR2、IFNG、PTGS2。3.6节DMP在IGDs中的共同靶点分析：取DMP与各IGDs差异靶点交集，唯一在≥3种疾病一致失调的靶点为MMP7；GO/KEGG/DO富集显示共同靶点富集于异物刺激响应、膀胱癌等通路及类风湿关节炎、病毒性肝炎、慢性肝病等疾病关联；分子对接与100 ns分子动力学模拟证实DMP与MMP7结合稳定且亲和性良好。3.7节DEP在IGDs中的共同靶点分析：DEP在≥3种IGDs共有失调靶点为HMOX1和NOS2；富集显示响应脂多糖、恰加斯病等通路及哮喘、内分泌疾病、肠炎、肝硬化、胰腺癌、膀胱癌等关联；分子对接与分子动力学表明DEP与HMOX1、NOS2形成热力学稳定复合物且具良好结合亲和性。3.8节DOP在IGDs中的共同靶点分析：DOP在≥3种IGDs中无共同靶点；对全部共享靶点做富集显示细胞趋化、磷脂酶D信号等生物过程及非IGD疾病（哮喘、乳腺原位癌、脂质贮积病、鼻炎、结节病等）关联。3.9节ATBC在IGDs中的共同靶点分析：ATBC在≥3种IGDs共有失调靶点为LTF和CCL11；富集显示转移酶活性正向调控、凋亡等生物过程及哮喘、支气管疾病、癌、子宫内膜异位症、间质性肺病、牙周炎、泌尿系统癌等疾病关联；分子对接与分子动力学显示ATBC与CCL11结合稳健稳定，LTF亦具稳定结合。3.10节关键疾病相关与毒物相关靶点的组织细胞类型特异性表达谱：基于单细胞数据集，在CD中FN1于基质细胞极高表达（符合细胞外基质重塑角色），UC中各标志靶点在免疫与结构细胞普遍衰减表达；胃炎中IFNG在NK细胞显著富集；食管炎中FOS（即刻早期转录因子）在上皮与免疫细胞广泛高表达，提示损伤/炎症下广泛转录激活；这些结果在细胞上下文上支持了网络毒理学优先靶点的生物学相关性。

讨论部分总结：研究人员指出增塑剂广泛用于高分子材料，环境及人体暴露普遍；通过整合网络毒理学框架系统研究了四种增塑剂（DMP、DEP、DOP/DEHP、ATBC）与四种IGDs（CD、UC、食管炎、胃炎）的潜在分子关联，识别出疾病特异性靶点（CD：CXCL8、FN1；UC：IL1B；食管炎：MAPK3、FASN、FN1、PPARG、CXCL8、FOS、HIF1A；胃炎：MMP9、TNF、TLR4、IL6、CCR2、IFNG、PTGS2）与增塑剂关联跨疾病靶点（DMP：MMP7；DEP：HMOX1、NOS2；ATBC：LTF、CCL11；DOP无≥3疾病共有靶点），这些靶点分别参与异物响应、趋化因子、MAPK、氧化还原失衡、黏膜免疫调节等过程，与已知IGDs病理（中性粒招募、基质重塑、炎症小体、上皮损伤、单核招募等）一致；分子对接/动力学在结构层面支持增塑剂–靶点稳定结合但仅为结合可行性证据，不等同毒理因果；单细胞分析赋予靶点细胞类型上下文（FN1基质细胞、IFNG NK细胞、FOS上皮/免疫广泛）；研究优势在于多步骤整合公共预测、拓扑筛选、转录组验证、结构模拟、单细胞上下文，系统给出疾病特异与增塑剂特异候选靶点；局限性在于依赖数据库预测与计算无直接因果、无暴露剂量/代谢物测量、未评估混合暴露、缺乏体外体内实验验证；作者建议未来用上皮细胞模型、免疫细胞共培养、动物炎症模型及人群暴露定量研究验证这些靶点。结论部分翻译：总之，本研究提供了一个系统性计算框架以探索增塑剂暴露与IGDs之间的潜在分子关联。通过识别疾病特异性和增塑剂关联的分子靶点并整合转录组、结构和单细胞证据，研究结果为理解增塑剂类化合物如何参与胃肠炎症提供了机制线索。这些结果可帮助优先选择候选生物标志物和分子靶点以供未来毒理验证、环境风险评估和IGDs预防策略之用。