如何系统分析免疫微环境对病毒感染

大家好, 今天和大家分享的是 2020 年 4 月发表在Biomed Pharmacother(IF:3.743)上的一篇文章,“Study on the anti-tumor mechanism related to immune microenvironment of Bombyx Batryticatus on viral and non-viral infections of hepatocellular carcinoma”。作者通过网络药理学结合生物信息学方法,分析了传统中药——家蚕对于肝癌的药理机制。

Study on the anti-tumor mechanism related to immune microenvironment of Bombyx Batryticatus on viral and non-viral infections of hepatocellular carcinoma

  家蚕免疫微环境对病毒和非病毒感染的肝细胞癌的抗肿瘤机制研究

一、研究背景

肝细胞癌(HCC)是原发性肝癌的主要形式。肝癌的发生和发展主要是病毒的感染(如HBV或HCV),以及其他肝硬化的病因(包括非酒精性脂肪性肝病(NAFLD),酒精相关性肝病和遗传性血色素沉着症)。

HCC是一种免疫原性肿瘤,由潜在慢性肝脏疾病而出现在慢性发炎的肝脏中。这种炎症导致肿瘤发展,并与更高的肿瘤免疫原性有关。HCC包括病毒感染和非病毒性环境,这两类HCC执行不同的基因表达和途径。

作为一种辅助和替代药物,中药(TCM)疗法已广泛用于治疗各种形式的癌症。家蚕(Bombyx batryticatusB. batryticatus))是中,韩,日医学体系中常见的动物药物。家蚕许多抗肿瘤研究已经证明了其对人类癌细胞系(例如子宫颈癌,肝癌和胃癌)的抗增殖作用。但是家蚕关于肝癌的机制仍不清楚。本文建立了网络药理学整合的TME策略,以揭示家蚕对肝癌的药理机制。

 

二、分析流程

三、结果解读

1、过滤:活性化合物成分的过滤、DEG和目标靶点的过滤

通过ADME标准(吸收,分布,代谢和排泄)后,共从家蚕中选出6种活性化合物。(檞皮素、山奈酚、β谷甾醇、胡萝卜甾醇、金色酰胺醇酯、右旋杜仲树脂粉)

  • 6种蛋白质与被相应的化合物靶向(化合物节点和蛋白质节点连接在一起)(如图A)

  • 从靶向化合物参与的生物学过程可知(图B),这些靶标的生物学过程包括乙型肝炎,前列腺癌,胰腺癌,丙型肝炎,肝细胞癌等。

图1. 活性化合物的过滤

筛选出HCC中重要的DEG,共1,404个基因。在这些DEG中,有1,007个上调,有397个下调。

  • A.火山图代表DEG,可从图形和标注看出上调以及下调的基因。

  • B. HCC和HTA之间的DEG热图。

  • C.过滤出24个靶标和2种化合物的子网。

     

     

图2. DEG和核心子网过滤

2、靶点与KEGG富集的蛋白质的相互作用

STRING数据库分析核心24个靶标的潜在的蛋白质-蛋白质相互作用网络。KEGG富集的结果表明,最主要的5个途径是乙型肝炎,肝细胞癌,化学致癌作用,类固醇激素的生物合成和p53信号途径。作者选择6个靶点及其邻域(仅化合物)作为核心子网络,将其分为5个模块:乙型肝炎、肝癌、化学致癌、类固醇激素生物合成和p53信号通路。家蚕中的化合物具有多靶点效应,可能参与多种与肝癌相关的途径。

  • A.核心24个基因的蛋白质-蛋白质相互作用网络。

  • B. KEGG的DEG富集。

     

     

    图3. 核心24个靶标与KEGG富集的蛋白相互作用

3、分析肝癌中的适应性免疫细胞
  • 热图显示了22种免疫细胞亚型分别在VIR组和NVIR组的计数和激活状态。(A:NVIR组;B:VIR组)

  • 生存曲线:NVIR组的预后要优于VIR组。

  • 小提琴图:NVIR组合和VIR组的4个TMES(浆细胞,肥大细胞活性,巨噬细胞(M1)和γδT细胞)显著不同。(p<0.05)

图4. HCC的肿瘤微环境

4、测试VIR组和NVIR组靶标基因的预后

作者采用了多变量Cox回归分析基因的预后。其中3个基因是VIR组的独立因子,是高危因素(HR>1)。NVIR组14个基因与预后密切相关,14个基因与存活率显著相关。

表1 VIR和NVIR的靶标基因的预后分析

 

5、分析TME(VIR组合NVIR组)与靶标基因之间的相关性
  • VIR组:AKR1C3与VIR中的巨噬细胞M1呈显着负相关(cor = –0.35,p<0.001);而在NVIR组中,AKR1C3和巨噬细胞M1之间的相关性非常低(cor = 0.064,p= 0.36)。

  • AKR1C3的生存曲线:高水平的AKR1C3在VIR组中预后较差(HR = 2.32,p= 0.012)。在NVIR组中无统计学意义(p> 0.05)。

图5. 预后目标基因AKR1C3的分析

  • VIR组:NR1I2,CYP1A2和CYP3A4与VIR中的巨噬细胞M1相关性不大。它们均与巨噬细胞M1无关,高水平的靶标和患者的预后无关(p>0.05)。

     

    图6. VIR组中的预后目标分析

  • NVIR组:分析NVIR组中的这三个靶标。它们均与巨噬细胞M1显著相关,高水平靶标NR1I2和CYP3A4对患者的预后要好于低水平(p<0.05)。

    图7. NVIR组中的预后目标分析

6、模拟分子对接
  • 结合位点:绿色,青色,红色,蓝色圆圈代表疏水性,极性,带负电荷,带正电荷的残基。

  • 山奈酚与靶标结合方式的三维表征:结合部位的残基以绿色棒状物显示,山奈酚以黄色棒状物显示。

  • 在VIR组,AKR1C3与预后和巨噬细胞M1有关。下图模拟了山奈酚与AKR1C3蛋白的相互作用,结果表明山奈酚可以很好地结合AKR1C3蛋白。

 

图8. VIR组,AKR1C3与山奈酚的对接结果
 

  • 山奈酚与靶标分子的结合位点。绿色,青色,红色,蓝色圆圈代表疏水性,极性,带负电荷,带正电荷的残基。

  • 山奈酚与靶标分子结合方式的三维表征。结合部位的残基以绿色棒状物显示,山奈酚以黄色棒状物显示。

  • 在NVIR组,NR1l2、CYP1A2、CYP3A4与预后和巨噬细胞M1有关。下图模拟了山奈酚与三种蛋白的相互作用,结果表明山奈酚可以较好结合这三种蛋白,对CYP1A2的包被作用最好。

     

    图9. NVIR组,NR1l2、CYP1A2、CYP3A4与山奈酚的对接结果
     

  • 槲皮素周围残基的电性槲皮素及其与靶分子的相互作用。绿色,青色,红色,蓝色圆圈代表疏水性,极性,带负电荷,带正电荷的残基。

  • 槲皮素与靶标分子结合方式的三维表征。结合部位的残基以绿色棒状物显示,槲皮素以黄色棒状物显示。

  • 在NVIR组,NR1l2、CYP1A2、CYP3A4与预后和巨噬细胞M1有关。下图模拟了槲皮素与三种蛋白的相互作用,结果表明槲皮素可以较好地结合这三种蛋白,其中与CYP1A2的结合最理想,与NR1l2的结合效果一般。

 

 

图10. NVIR组,NVIR组,NR1l2、CYP1A2、CYP3A4与槲皮素的对接结果

小结

        作者过滤出家蚕的活性成分,以及过滤出HCC中差异表达的基因,得到活性成分的靶标与DEG的重叠部分,筛选出重叠靶标。随后作者测试了VIR和NVIR中的靶标,表征和量化了HCC免疫细胞亚型。作者分组分析靶标与免疫微环境的相互作用,分析了它们对于患者的预后。结果表明:VIR组中靶蛋白AKR1C3与M1巨噬细胞呈显着负相关,而NVIR组中相关性很弱,高水平的AKR1C3在VIR组中预后较差;在NVIR组中,NR1I2,CYP1A2和CYP3A4与巨噬细胞M1密切相关,而在VIR组相关性弱,高水平NR1I2和CYP3A4的预后较好。以上结果反映出家蚕的抗癌作用可能与免疫微环境密切相关。分子对接结果表明,槲皮素和山奈酚可以通过调节TME中的M1细胞发挥抗肿瘤作用。

局限性:本研究仅研究了家蚕单一疗法的抗肝癌机制。将来,有必要进一步研究家蚕与其他中药或西药结合的作用机理。此外,本文忽略了家蚕的安全性,未确定家蚕的毒性成分。

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