骨質(zhì)疏松癥與慢性心力衰竭的關系

馬騰 陳德強 王衛(wèi)國

1.山東中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院, 山東 濟南 250355

2.山東中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院骨科, 山東 濟南 250355

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)作為一種全身性骨代謝疾病，以單位骨量減少為特征，伴隨骨微觀結(jié)構(gòu)的退化，參與因素復雜多樣[1]。國內(nèi)調(diào)查研究[2]顯示全國范圍內(nèi)OP的總患病率約為6.6%～19.3%，且隨著我國老齡化趨勢漸顯，預計未來30年國內(nèi)OP患者人數(shù)將高達2.12億。我國關于慢性心力衰竭(chronic heart failure，CHF)的流行病學調(diào)查表明，患病人群的比例隨著年齡區(qū)間增長而急劇上升[3]。骨質(zhì)疏松與慢性心衰是有著密切關系的兩類慢性疾病，一項納入165例觀察對象的對比研究[4]發(fā)現(xiàn)，老年慢性心衰患者更易出現(xiàn)骨質(zhì)疏松,且其心衰級別與骨密度呈負相關。

骨質(zhì)疏松癥與慢性心衰之間既存在諸如年齡、營養(yǎng)狀況和體力活動等高重合度的影響因素[5]，也存在氧化應激反應(oxidative stress，OS)、甲狀旁腺素(parathyroid hormone，PTH)異常等相同的病理機制[6-9]。骨鈣素、骨橋蛋白等骨源性因素亦能夠參與心血管系統(tǒng)的能量代謝，對心血管病變的程度有著多向調(diào)節(jié)作用[10]。應用生物信息學整合骨質(zhì)疏松癥及慢性心衰的基因數(shù)據(jù)，不僅能較為科學的從分子層面闡述二者間的作用機制，而且也能夠為藥物同時干預這兩種疾病提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 骨質(zhì)疏松癥-慢性心力衰竭的相關靶點篩選

分別在三大人類疾病數(shù)據(jù)庫(GeneCards、TTD、OMIM)中篩選骨質(zhì)疏松癥與慢性心力衰竭的相關靶點[11-13]。其中GeneCards數(shù)據(jù)庫(https://www.genecards.org/)所得Relevance Score值的高低與該靶點-疾病聯(lián)系的密切程度呈正相關，為提高準確性，僅選擇GeneCards數(shù)據(jù)庫中score值排名前300的靶基因；僅篩取TTD數(shù)據(jù)庫中(http://db.idrblab.net/ttd/)藥物狀態(tài)為驗證成功或正處臨床試驗的靶基因；在OMIM數(shù)據(jù)庫(https://omim.org/)的Gene Map高級搜索中篩選疾病相關靶基因。隨后將兩組基因分別通過Uniprot數(shù)據(jù)庫(https://www.uniprot.org)轉(zhuǎn)換成Uniprot ID篩選已認證靶點同時合并去重，獲得已明確認證的疾病靶點。

1.2 骨質(zhì)疏松癥-慢性心力衰竭靶點映射與PPI分析

將兩組靶點映射以篩取交集靶點，并將其上傳至STRING v11.0平臺(https://string-db.org)構(gòu)建蛋白相互作用(protein-protein interaction，PPI)網(wǎng)絡模型[14]。將PPI網(wǎng)絡TSV格式導進Cytoscape3.7.2平臺后，運用平臺自帶工具欄(tools)中的網(wǎng)絡分析儀(network analyzer)，在非定向網(wǎng)絡條件下，按照節(jié)點連接度(degree)高低排列靶點大小及色彩度，按照綜合得分值(combined score)排列連線的粗細及色彩度，隨后在數(shù)據(jù)面板(table panel)中選取degree值≥11的靶點制作核心靶點圖。

1.3 骨質(zhì)疏松癥-慢性心力衰竭的KEGG通路分析

Metascape數(shù)據(jù)庫(http://metascape.org/gp/index.html)是一個集基因注釋、分析于一體的數(shù)據(jù)資源平臺，且每月更新其數(shù)據(jù)以確保時效性[15]。將兩組疾病靶點分別上傳至該平臺并設置P<0.01、富集因子(enrichment factor)>1.5，以進行兩組疾病的KEGG通路分析。按P值升序排列分別篩取兩病的前35條KEGG通路以取交集，提取分析結(jié)果并利用Cytoscape3.7.2平臺將數(shù)據(jù)可視化并構(gòu)建骨質(zhì)疏松癥-慢性心力衰竭交互通路圖。

2 結(jié)果

2.1 骨質(zhì)疏松癥-慢性心力衰竭的靶點篩選結(jié)果

從GeneCards、TTD、OMIM數(shù)據(jù)庫分別獲得骨質(zhì)疏松癥相關靶點300、29、42個，慢性心力衰竭相關靶點300、11、487個；經(jīng)過Uniprot ID轉(zhuǎn)換篩選后分別獲得骨質(zhì)疏松癥有效靶點281、19、16個，慢性心力衰竭有效靶點292、7、240個。合并去重后共獲得295個骨質(zhì)疏松癥有效靶基因，509個慢性心力衰竭相關靶基因。

2.2 骨質(zhì)疏松癥-慢性心力衰竭靶點映射與PPI分析結(jié)果

映射骨質(zhì)疏松癥與慢性心力衰竭相關靶點，得到82個交集靶點并生成韋恩圖(圖1)。經(jīng)STRING v11.0平臺在0.9高信度下生成相互作用PPI網(wǎng)絡(圖2)，82個靶點之間有264條相互作用關系。以篩選節(jié)點連接度(degree)≥11篩選到核心靶點18個(圖3)，所獲核心靶點均直接或間接影響慢性心力衰竭與骨質(zhì)疏松。

圖1 CHF與OP映射交集靶點韋恩圖

圖2 交集靶點互相作用PPI網(wǎng)絡圖(0.9高信度)

圖3 核心靶點圖(核心靶點大小為degree值大小)

2.3 骨質(zhì)疏松癥-慢性心力衰竭的KEGG通路分析結(jié)果

經(jīng)Metascape數(shù)據(jù)庫分別獲得骨質(zhì)疏松癥和慢性心力衰竭KEGG信號通路167、187條，以P值升序排列分別篩取前35條KEGG通路，共篩選出交互通路23條，同時導入Cytoscape3.7.2平臺構(gòu)建骨質(zhì)疏松癥-慢性心力衰竭交互通路圖(圖4、表1)。

表1 骨質(zhì)疏松癥與慢性心力衰竭的23條交互通路

圖4 骨質(zhì)疏松癥與慢性心力衰竭的交互通路

3 討論

通過對近年來臨床資料的分析，發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松癥和慢性心衰這兩類疾病相互關聯(lián)、相互影響[16]。本研究應用生物信息學尋找兩病龐大基因網(wǎng)絡中的交集部分，通過映射得出骨質(zhì)疏松癥與慢性心衰的核心交集靶點為VEGFA、STAT3、IL6、TNF、ESR1、IL10等；通過KEGG通路分析發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松癥與慢性心衰之間涉及多條共同信號通路，包括PI3K-Akt信號通路、FoxO信號通路、HIF-1信號通路、MAPK信號通路、血液剪切力與動脈粥樣硬化通路和糖尿病并發(fā)癥中的AGE-RAGE信號通路等。

VEGFA作為一種高度特異性的促血管內(nèi)皮細胞生長因子，在心臟發(fā)育、血管生成、調(diào)節(jié)血管通透性等方面均起到重要作用，VEGFA的下調(diào)表達被認為是引起心血管疾病的因素之一[17]；國外有研究[18]表明，VEGFA在骨骼血液供應中承擔重要作用，VEGFA下調(diào)是導致骨質(zhì)疏松癥的原因之一。STAT3參與心力衰竭過程的機制十分廣泛，心肌細胞凋亡、心肌能量代謝、炎癥細胞因子、腎素-血管緊張素系統(tǒng)等均受到STAT3的調(diào)節(jié)[19]；在骨修復、骨重塑等過程中，STAT3同樣有著重要價值，Nicolaidou等[20]發(fā)現(xiàn)通過上調(diào)STAT3的局部表達，可以對成骨細胞的形成起到正向作用。IL6、TNF、IL10等炎癥細胞因子所參與的炎癥反應是骨質(zhì)疏松癥和慢性心衰的共有病理機制之一。早期的國外研究[21-22]已經(jīng)表明，IL6和TNF-α等炎性標志物的水平與慢性心衰患者的NYHA分級直接相關，IL10則可以通過對炎癥因子的抑制作用而調(diào)護心衰患者的心肌組織[23]；同樣，TNF和IL6憑借其多效性在骨重塑過程中體現(xiàn)重要作用[24]，其中TNF-α可以從多種途徑促進破骨細胞形成，還會通過抑制骨保護素(OPG)的合成而降低骨量[25]，IL6能夠激發(fā)破骨細胞增殖作用，還可以通過作用于RANK-RANKL功能軸來阻礙OPG的表達，進而推動骨質(zhì)疏松的形成[26]，IL10則被證明能夠減緩破骨細胞活性而成為小鼠骨質(zhì)疏松程度的正向因素[27]。Fatima等[28]發(fā)現(xiàn)ESR1對脂肪組織中的VEGFA有積極調(diào)節(jié)作用，進而推動血管生成、減緩炎性反應；雌激素(estrogen)與其受體ESR1結(jié)合后的通過多機制、多途徑參與調(diào)節(jié)骨代謝、提高骨密度的作用也被廣泛證實[29]。

PI3K-Akt信號通路被認為是成骨細胞和破骨細胞之間功能關系的核心通路，對骨組織的相對穩(wěn)態(tài)發(fā)揮著重要作用[30]。強勝林等[31]通過對補腎固本方研究發(fā)現(xiàn)抑制PI3K/AKT/m TOR信號通路激活，可以保護小梁結(jié)構(gòu)作用，下調(diào)破骨細胞分化；楊嘉豪等[32]在對溫陽消飲方的研究中表明，調(diào)控PI3K-Akt信號通路可以減緩相關細胞凋亡，對心功能的提升及心肌損傷的緩控都有正面作用。FoxO同樣屬于促炎因子相關通路一種，參與包括骨質(zhì)疏松及慢性心衰的炎癥調(diào)節(jié)。孫振雙[33]發(fā)現(xiàn)通過藥物抗氧化應激作用下調(diào)FoxO的轉(zhuǎn)錄水平，可以刺激成骨能力，并一定程度上減緩骨代謝率；易登良等[34]關于硫氫化鈉(NaHS)的實驗發(fā)現(xiàn)通過對FoxO1信號通路施加影響，可以實現(xiàn)調(diào)控細胞自噬、炎癥反應、氧化應激等過程進而保護心肌的目的。國內(nèi)外均有研究[35-36]表明，HIF-1通路活性程度與破骨細胞水平呈正相關，而慢性心衰炎性反應所致局部長期低氧狀態(tài)，亦可以使HIF-1通路水平上調(diào)，加重心臟損傷度。MAPK信號通路在心肌細胞的多種生理病理過程中被廣泛涉及，通過調(diào)節(jié)MAPK通路傳導能夠改善心肌纖維化，從而對慢性心衰的調(diào)治具有重要意義[37]；MAPK信號通路與間充質(zhì)干細胞(MSCs)等具有成骨分化功能的細胞關系密切，有研究[38]顯示膠原蛋白肽(collagen peptide)可以由該通路介導，上調(diào)成骨細胞和MSCs的分化水平。綜上所述，骨質(zhì)疏松癥和慢性心衰與諸多信號通路相互關聯(lián)、相互影響。

本研究依據(jù)生物信息學找到骨質(zhì)疏松癥與慢性心力衰竭的關聯(lián)靶點及信號通路，并通過基因可視化，能夠更加清晰的表達兩者的相互作用網(wǎng)絡關系，還可以為藥物同時調(diào)控這兩種疾病提示潛在靶點。當然，這種基因靶點的信息整合受限于生物信息技術的發(fā)展水平及疾病數(shù)據(jù)庫的時效性，同時對于基因表達量及激活程度等也需隨數(shù)據(jù)的完善而進一步開展研究。