IF=12.2!铁死亡+GBD+孟德尔随机化+NHANES+尿液代谢组+机器学习,这一连串分析跟放鞭炮似地水灵灵拿下了顶刊

学术   2024-11-25 10:01   上海  
小云今天看到一篇文章,直接把我熟悉的分析囊括了。国自然热点铁死亡?有!孟德尔随机化?有!GBD、NHANES数据库?有!代谢组?有!机器学习?有!它甚至还有网络毒理学!

这就是今天小云分享的文章,江南大学团队发表在Journal of Hazardous Materials(IF=12.2)上的最新文章,还是预印本,大家凑和看看吧~

该研究通过结合长期镉暴露工人的观察性研究(GBD数据)、孟德尔随机化分析、NHANES分析、尿液代谢组学和机器学习分析探索了长期镉暴露对炎症细胞因子、铁死亡相关基因表达以及脂质和铁代谢的影响。其次,通过利用人类疾病和金属相关基因靶点的公共数据库,以及治疗分子分析,确定了镉毒性在癫痫发作中的关键人类基因靶点,并提出褪黑激素作为一种有前景的治疗剂。最后,利用小鼠行为测试、T2 MRI和MRS,作者提供了长期镉暴露如何破坏大脑中的铁和脂质代谢,触发海马中的铁死亡的证据。

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题目:研究镉暴露对癫痫小鼠铁死亡途径影响癫痫发作严重程度和焦虑样行为的潜在风险:一种整合的多组学方法

杂志:Journal of Hazardous Materials

影响因子:IF=12.2

发表时间:2024年9月
研究背景
镉是一种来自工业活动的有毒重金属,对儿童尤其具有神经毒性风险。虽然儿童中常见的是癫痫发作,但镉与癫痫活动之间的联系尚不清楚。铁死亡是一种依赖铁的细胞死亡方式,在癫痫引起的海马损伤和相关的焦虑中起着关键作用。本研究旨在阐明这些机制并评估镉暴露的更广泛影响。

研究方法

包括全球职业镉暴露风险分析、设计长期镉暴露工人的观察性试点队列研究、孟德尔随机化分析、NHANES数据的横断面分析、获取潜在靶点和治疗剂分析、实时定量逆转录PCR、酶联免疫吸附测定、尿液代谢组学分析、机器学习分析等。

主要结果

一、

利用全球疾病负担数据库评估了职业镉暴露的风险,发现中国在2021年与职业镉暴露相关的DALYs比率较高,且自1991年以来呈显著上升趋势。研究强调了在中国背景下,深入研究镉暴露的毒性机制和寻找潜在治疗靶点的重要性和紧迫性。
图1全球及亚洲2021年职业镉暴露情况,根据全球疾病负担数据库(GBD)

二、

通过观察性队列研究探讨了镉暴露与铁死亡途径及癫痫发作症状之间的关联。研究发现,镉暴露工人的尿液中镉水平显著高于未暴露工人。研究还分析了外周血液中的促炎细胞因子TNF-α、IL-6和IL-1β的水平,发现这些细胞因子的水平在镉暴露组和未暴露组之间存在显著差异,这可能与癫痫的病理生理学相关,并影响铁死亡过程。

图2先导队列研究设计及人类血液中的促炎细胞因子水平

三、

评估了镉暴露对铁死亡相关基因的影响,结果显示与未暴露工人相比,镉暴露工人中Nrf2、SLC7A11和GPX4等抗氧化和铁死亡调节关键基因表达下降,同时FTH1、FPN1表达降低而DMT1表达上升。这些变化可能导致氧化应激增加和细胞内亚铁离子水平上升,从而触发铁死亡途径。此外,镉暴露工人虽焦虑行为增加,但未达到临床焦虑障碍水平,表明镉可能加剧而非直接引起焦虑。


图3镉暴露对铁死亡相关基因表达及焦虑样行为的潜在影响。

四、

通过孟德尔随机化分析,研究发现镉暴露与DMT1基因表达增加及局灶性癫痫发作症状之间存在强相关性。镉暴露可能直接影响DMT1,导致细胞内亚铁离子水平上升,这与铁死亡途径和癫痫的发展有关。此外,镉诱导的炎症与癫痫发作之间的关联也被NHANES数据库中的单核细胞百分比和红细胞分布宽度分析所证实。这些发现为开发针对镉诱导毒性中铁死亡的治疗策略提供了有力的证据。

图4NHANES数据库和尿液代谢组学分析

五、

网络毒理学分析揭示了镉暴露与癫痫发作之间的潜在联系,涉及脂质代谢、铁代谢以及Nrf2依赖的铁死亡途径。人体尿液代谢组学分析发现,镉暴露组与未暴露组相比,有200个代谢物表达差异,主要涉及甘油磷脂代谢和SLC转运体功能异常。这些发现强调了镉暴露可能通过干扰脂质代谢和铁稳态,加剧炎症和氧化应激,从而增加了铁死亡和癫痫发作的风险。

六、

机器学习分析从200个差异代谢物中识别出关键的差异代谢物,包括PI(22:1(11Z)/0:0)和PC(22:4(7Z,10Z,13Z,16Z)/14:0),它们参与了镉暴露引起的毒性效应,特别是通过调节脂质代谢影响铁死亡过程。这些差异代谢物的发现进一步支持了镉暴露可能通过诱导铁死亡和炎症反应来增加癫痫发作风险的假设。
图5机器学习分析用于识别关键差异代谢物。

七、

网络毒理学分析识别了192个与镉暴露引起的癫痫发作毒性效应相关的潜在人类基因靶点。分析突出了细胞因子在炎症反应中的参与,以及脂质代谢和铁死亡途径的重要性。特别是,IL-6和NF-κB在镉诱导的神经毒性对癫痫发作的影响中起着关键作用。此外,通过FerrDB数据库的分析,进一步确认了铁死亡相关基因在镉暴露诱导的铁死亡对癫痫发作影响中的作用,为未来治疗策略提供了潜在的靶点。
图6获取与镉暴露对癫痫发作毒性效应相关的潜在靶标

八、

通过Enrichr和CMAP数据库的分析,研究基于枢纽基因分析结果揭示了褪黑激素作为潜在的治疗剂。研究结果表明,镉对癫痫发作的不良影响涉及脂质和铁代谢以及Nrf2依赖的铁死亡途径,其中IL-6可能是镉暴露触发的炎症反应中的上游分子。镉暴露可能通过一系列级联反应加剧氧化应激和脂质代谢,提高细胞亚铁离子水平,从而影响铁死亡途径。褪黑激素可能通过调节这些铁死亡相关基因靶点来减轻由镉诱导的铁死亡加剧的癫痫发作严重程度,为未来治疗策略提供了新的视角。

九、

使用卡因酸诱导的癫痫小鼠模型,发现长期镉暴露在诱导癫痫前显著减轻了小鼠体重,但没有直接诱发癫痫发作。在卡因酸注射后,镉暴露加剧了癫痫发作症状,包括增加Racine评分、发作次数和持续时间。使用铁死亡抑制剂Fer-1或褪黑激素预处理可以显著减轻这些症状,表明镉暴露诱导的铁死亡在癫痫发作中起着重要作用,并且可能成为减轻由镉诱导的铁死亡加剧的癫痫发作的治疗靶点。
图7镉暴露对患有癫痫的小鼠的影响

十、

研究表明,镉暴露诱导的铁死亡不仅加剧癫痫发作症状,还增加了癫痫小鼠的焦虑样行为。在新颖物体识别(NOR)和莫里斯水迷宫(MWM)测试中,镉暴露的小鼠显示出认知功能障碍和空间记忆受损,这些症状可以通过铁死亡抑制剂Fer-1或褪黑激素的治疗得到改善。此外,高架十字迷宫(EPM)测试的结果也表明,镉暴露加剧了小鼠的焦虑行为,而Fer-1或褪黑激素的预处理可以显著减轻这些效应。
图8莫里斯水迷宫(MWM)和高架十字迷宫(EPM)测试的结果,评估所有组小鼠的认知和与焦虑相关的行为

十一、

研究结果表明,镉暴露加剧了由卡因酸诱导的癫痫小鼠的铁积累和神经元丢失,特别是在海马区域。使用T2加权MRI和磁共振波谱(MRS)技术,研究证实了镉暴露增加了小鼠大脑中的铁积累和脂质水平。此外,尼氏染色显示镉暴露加剧了CA3区域的神经元丢失,但对CA1区域的影响不显著。这些结果表明,镉诱导的铁死亡可能通过干扰脂质和铁代谢来加剧癫痫小鼠的认知功能障碍。褪黑激素通过调节Nrf2依赖的铁死亡途径,可能减轻镉暴露引起的毒性效应,为治疗提供了新的潜在途径。
图9MRI实验和尼氏染色分析

十二、

通过TEM分析发现,与对照组相比,KA处理的小鼠海马神经元显示出铁死亡的特征,如线粒体体积减小和膜密度增加,这些效应在镉暴露下加剧,但可以通过铁死亡抑制剂Fer-1或褪黑激素预处理得到缓解。RNA测序分析揭示了镉暴露下脂质代谢、NF-κB途径、铁死亡途径的关键作用。此外,褪黑激素通过调节脂质和铁代谢,激活Nrf2依赖的铁死亡途径,减轻了镉暴露引起的毒性效应。具体来说,褪黑激素降低了IL-6水平及其引起的NF-κB激活,进而通过Keap1/Nrf2途径调节Nrf2表达,影响SLC7A11、GPX4、ACSL4、FTH1和FPN1等基因的表达,从而抑制铁死亡,减轻癫痫小鼠的认知功能障碍。
图10探索褪黑素对抗镉诱导的海马神经元铁死亡的神经保护机制

文章小结

这项研究首次全面分析了镉诱导的铁死亡对癫痫发作严重程度和焦虑样行为的影响,包括先导队列、网络毒理学和实验验证。这项研究阐明了镉如何影响癫痫背景下的铁死亡途径,从而促进癫痫发作和焦虑样行为的恶化。值得注意的是,结果强调了褪黑激素通过其与炎症细胞因子、抗氧化反应、脂质代谢和铁代谢的相互作用,调节这些效应的潜力。这些发现为旨在减轻镉对神经系统健康不良影响的治疗干预提供了有希望的途径。因此,这项研究不仅增强了对镉的神经影响的理解,而且为开发针对铁死亡的靶向治疗策略开辟了潜在途径。
这篇文章真是把各种分析玩出花来了,关键是结合的还挺好。仔细想想是有道理的,环境暴露因素+一般疾病,能够在GBD/NHANES中找到大量临床数据,也可以做孟德尔,和网络毒理学也能关联,而且加上尿液代谢组也十分合理啊!毕竟环境和代谢是最好关联的。分析量是挺大的,但其实数据大部分都可以在公共数据中获得,作者再加上一些实验验证,发12分+牛。这个思路不错,感兴趣的小伙伴可以联系小云做复现!

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