Alle dierproevenprocedures werden strikt uitgevoerd volgens de richtlijnen die zijn goedgekeurd door de Onderzoekscommissie voor Dierenwelzijn en Ethiek van het Dongzhimen Ziekenhuis, Beijing University of Chinese Medicine (Goedkeuring nr. 19-54), vóór de start van het onderzoek.
Gegevensbron en gegevensverwerking
Twee genexpressiedatasets (GSE89953 en GSE116560) werden opgehaald uit de Gene Expression Omnibus (GEO) database20. De dataset GSE89953, die transcriptomische transcriptomische gegevens van hele alveolaire macrofagen bevat van ARDS-patiënten uit verschillende leeftijdsgroepen, werd gebruikt voor differentiële expressie en netwerkanalyse. De GSE116560 dataset, die klinische informatie bevat zoals de status van mechanische ventilatie, werd gebruikt voor machine learning en prognostische modellering. Daarnaast werden 608 genen die geassocieerd zijn met pyroptose geëxtraheerd uit een uitgebreide menselijke genannotatiedatabase, waarbij een correlatiescore hoger dan 1 als screeningscriterium werd gebruikt. Genexpressiegegevens werden genormaliseerd met het limmapakket in R. Klinisch proefnummer: niet van toepassing.
Identificatie van DEG's
De patiënten in de GSE89953 dataset werden gestratificeerd in twee leeftijdsgroepen: lage leeftijd (<45 jaar) en hoge leeftijd (≥45 jaar). Deze cutoff werd geselecteerd op basis van epidemiologisch bewijs dat suggereert dat de mediane leeftijd van het begin van ARDS ongeveer 45 jaaren 21 jaar is. Om de robuustheid van deze drempel te waarborgen, werden gevoeligheidsanalyses uitgevoerd met alternatieve leeftijdsgrenswaarden (50 en 55 jaar). Deze analyses toonden consistente patronen aan in hubgenidentificatie en moduleclustering, waarmee de 45-jaarsgrens statistisch werd gevalideerd voor latere analyses in de downstream. De dataset werd genormaliseerd met behulp van het limma-pakket in R. Differentieel tot expressie gebrachte genen (DEGs) tussen leeftijdsgroepen werden geïdentificeerd met lineaire modellering en empirische Bayes-moderatie. Genen met een aangepaste P-waarde < 0,05 en |log₂ vouwverandering| ≥ 0,5 werden als statistisch significante DIG's beschouwd. Vulkaangrafieken en heatmaps werden gegenereerd om DEG's te visualiseren met behulp van het ggplot2-pakket in R.
Pyroptose-geassocieerde genidentificatie en verrijkingsanalyse
Pyroptose-gerelateerde genen werden opgehaald uit de genannotatiedatabase met het trefwoord "pyroptose." De kruising van DEG's en pyroptose-geassocieerde genen werd gedefinieerd als differentieel tot expressie gebrachte pyroptose-gerelateerde genen (DEPG's). Gene Ontology (GO) en Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) routeverrijkingsanalyses van DEPG's werden uitgevoerd met het clusterProfiler-pakket in R22. De categorieën Biologisch Proces (BP), Cellulaire Component (CC) en Moleculaire Functie (MF) werden geannoteerd, en Z-score ≥ 1 en aangepaste P-waarden < 0,05 werden als significant beschouwd.
Analyse van gewogen genco-expressienetwerk (WGCNA)
Om genmodules te identificeren die geassocieerd zijn met pyroptose, werd WGCNA uitgevoerd met behulp van het WGCNA R-pakket. Een signed network werd gebouwd met een soft-threshold power (β) van 26 om schaalvrije topologie23 te garanderen. Modules werden geïdentificeerd via het dynamische tree-cut algoritme met een minimale modulegrootte van 30, een diepe splitsing van 2 en een merging threshold (snijhoogte) van 0,25. De correlatie tussen module-eigengenen en pyroptose-eigenschappen werd berekend. Genensetvariatieanalyse (GSVA) werd uitgevoerd op geselecteerde modules met behulp van hallmark gensets gedownload van MsigDB24,25.
Machine learning
De GSE116560 dataset werd verdeeld in groepen van hoge en lage leeftijd met 45 jaar als grenspunt, en beide groepen werden geanalyseerd met machine learning-algoritmen. Least Absolute Shrinkage and Selection Operator (LASSO) regressieanalyse werd geïmplementeerd met het glmnet-pakket (versie 4.1-2) in R, waarbij de optimale strafparameter (λ) werd bepaald door 10-voudige kruisvalidatie (1-SE-criteria). Voor het Random Forest (RF) algoritme werden 500 bomen (ntree = 500) geconstrueerd, en het aantal kenmerken dat bij elke splitsing (mtry) werd bemonsterd werd gezet op de vierkantswortel van het totale aantal voorspellers om de stabiliteit van het model te waarborgen. Overlappende genen van beide methoden werden gedefinieerd als leeftijdsspecifieke signatuurgenen.
Constructie en evaluatie van diagnostische modellen
Er werd een diagnostisch voorspellingsmodel opgesteld op basis van de geïdentificeerde signatuurgenen. Logistische regressie werd gebruikt om het model te ontwikkelen, en er werd een nomogram gemaakt om de voorspellende kracht ervan te visualiseren. De prestaties van het model werden geëvalueerd met behulp van een receiver operating characteristic (ROC) curve, en het oppervlak onder de curve (AUC) werd berekend om de diagnostische nauwkeurigheid te beoordelen. Interne validatie werd uitgevoerd via bootstrap resampling. Verdere beoordeling van modelstabiliteit en klinische bruikbaarheid werd uitgevoerd met behulp van kalibratiegrafieken en beslissingscurveanalyse (DCA).
Immuuninfiltratieanalyse
De samenstelling van immuuncellen in groepen van hoge en lage leeftijd werd geschat met behulp van het CIBERSORT-algoritme op basis van de LM22-handtekeningmatrix. De relatieve verhoudingen van 22 immuunceltypen werden vergeleken tussen groepen. Differentiële expressie van hubgenen over immuuncelsubsets werd geanalyseerd met behulp van enkelsamplegegevens en weergegeven in heatmaps en histogrammen.
Analyse van genensetverrijking (GSEA)
GSEA werd afzonderlijk uitgevoerd op hubgenen uit de hoge- en laagleeftijdsgroepen. Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) werd uitgevoerd met behulp van de Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) gensets. Genen werden gerangschikt op basis van de signaal-ruisverhouding (of vouwverandering) tussen groepen met hoge en lage expressie. Verrijkings- en genormaliseerde verrijkingsscores (NES) werden vervolgens berekend met behulp van 1.000 permutaties om significant verrijkte routes te identificeren. Routes met een valse ontdekkingsrate (FDR) van minder dan 0,25 en een nominale P-waarde van minder dan 0,05 waren significant verrijkt. Deze analyse werd vervolgens gebruikt om de biologische routes af te leiden die door elk hubgen gereguleerd kunnen worden.
Proefdieren
Achttien mannelijke SPF Sprague Dawley-ratten (6 tot 7 weken oud, 180 g ± 10 g) werden in deze studie gebruikt. Gedetailleerde leveranciersinformatie staat vermeld in de Materiaaltabel.
Reagentia en instrumenten
Elektromagnetisch veldbehandelde watervoorbereidingsapparaten en ver-infrarood emissie-instrumenten werden gebruikt voor experimentele interventies om respectievelijk spectrum energiewater (SEW) en ver-infraroodstraling (FIR) te leveren. Lipopolysaccharide (LPS) werd gebruikt om ARDS te modelleren. Cytokineniveaus (IL-1β, IL-18, IL-6, TNF-α) werden gekwantificeerd met specifieke ELISA-kits. Eiwitexpressieniveaus (AXL, SPP1, Caspase-3, GSDME, GAPDH) werden beoordeeld met behulp van specifieke primaire antilichamen en overeenkomstige HRP-geconjugeerde secundaire antistoffen. Monsterverwerking en -analyse werden uitgevoerd met standaard laboratoriumapparatuur, waaronder een biomicroscoop, een microtoom, een hogesnelheidscentrifuge, een ultra-lage temperatuur vriezer en een microplaatlezer. Volledige details van alle reagentia, antilichamen en instrumenten, samen met hun respectievelijke fabrikanten, worden verstrekt in de Materiaaltabel.
Diergroepering en modellering
Achttien Sprague-Dawley-ratten werden willekeurig toegewezen aan de Control-, Model- en SEW+FIR-groepen, met zes ratten per groep. Elke groep werd dagelijks gewogen en gedocumenteerd. De SEW+FIR-groep kreeg dagelijks 20 minuten FIR-therapie (golflengte 4 μm–14 μm, bestralingsafstand van 20 cm van het dorsale oppervlak) gedurende 20 minuten in een temperatuurgecontroleerde omgeving (22 °C ± 2 °C), terwijl tegelijkertijd SEW werd ontvangen met een dosis van 1 mL/100 g/d via orale gavage7. Gedestilleerd water werd oraal toegediend aan de controle- en modelgroepen met een equivalente dosis van 1 mL/100 g/d. SEAL- en gedestilleerd water werden eenmaal dagelijks toegediend gedurende 7 dagen na verhitting in een warm bad van 60 °C. Op de zevende dag, 6 uur na voeding, werden de Model- en SEW+FIR-groepen geïnjecteerd met een LPS-oplossing in een dosis van 2 mg/kg per gewicht via de staartven, terwijl de controlegroep werd behandeld met 0,9% fysiologische zoutoplossing in een dosis van 2 mg/kg per gewicht. De modelleringstechniek werd beschouwd als een volwassen en stabiele methode om een systemische ontstekingsreactie op te wekken met een enkele LPS-injectie via de staartader. Longweefsel uit de longpathologie in de gemodelleerde groepen was consistent met ARDS-kenmerken25. Checkpoint: Succesvolle ARDS-inductie wordt aangegeven door zichtbare lusteloosheid, tachypneu en een gewichtsvermindering van ~10% binnen 16 uurna injectie.
Verzameling van rat-gerelateerde indicatoren
Zestien uur later werden alle drie groepen intraperitoneaal geïnjecteerd met 3% pentobarbital natrium in een dosis van 30 mg/kg lichaamsgewicht om anesthesie op te wekken. KRITIEK: De diepte van de anesthesie moet strikt worden bevestigd door het verlies van de terugtrekkingsreflex van het pedaal vóór elke procedurele ingreep. Bovendien werden strikte bioveiligheidsprotocollen gehandhaafd; alle met LPS besmette materialen, biologische vloeistoffen en dierlijke karkassen werden gestort in aangewezen biohazard-afvalcontainers voor correcte verbranding. Vijf milliliter bloed werden uit de abdominale aorta in steriele buizen verzameld, en het serum werd geïsoleerd door centrifugatie op 1.000 x g gedurende 20 minuten bij 4 °C. Het serum werd vervolgens opgeslagen bij −80 °C voor verdere analyse. Na een thoracotomie en ligatie van het rechter pulmonale hilum werd bronchoalveolaire spoelvloeistof (BALF) verkregen door de linkerlong drie keer door te spoelen met voorgekoelde fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS) via een endotracheale canule. De BALF werd vervolgens gecentrifugeerd op 1.000 x g gedurende 10 minuten bij 4 °C, en het supernatant werd opgeslagen bij −80 °C. De bovenkwab van de rechterlong werd verwijderd en gereinigd met koude fysiologische zoutoplossing om het bloed te verwijderen. Negen volumes fysiologische zoutoplossing werden toegevoegd ten opzichte van het weefselgewicht, en het monster werd gehakt in een ijsbad met een oogschaar. Een homogenaat van 10% longweefsel werd bereid met een homogenisator, gevolgd door centrifugatie bij 700 x g gedurende 15 minuten bij 4 °C. Het supernatant werd verzameld en opgeslagen bij −80 °C voor verdere biochemische analyse. Daarnaast werd een deel van het rechterlongweefsel van elke rat vastgezet in 4% paraformaldehyde voor histologisch onderzoek.
Observatie-indicatoren en detectiemethoden
De inferieure kwab van de rechterlong werd verwerkt met standaard inbedding, weefselsnijden, ontwaxen, HE-kleuring, kleurverwijdering, uitdroging en filmafsluiting na fixatie in 4% paraformaldehyde. Het longweefsel van elke groep vertoonde pathologische veranderingen die onder een lichtmicroscoop werden waargenomen.
Pathologische afwijkingen in de alveolaire architectuur en het septum, de mate van ontstekingscelinfiltratie, hyperemie en pulmonale capillairoedeem werden onder een lichtmicroscoop vastgesteld. De afdeling Pathologie van de Beijing University of Chinese Medicine hielp bij de observatie. De score voor histologisch longletsel werd berekend om longletsel als volgt te beoordelen: geen letsel = 0, letsel in minder dan 25% van het veld = 1, letsel in 25–50% van het veld = 2, letsel in 50–75% = 3, en letsel in meer dan 75% van het veld = 4. Tien velden werden willekeurig geselecteerd en beoordeeld door onderzoekers die blind waren voor de groepering.
ELISA werd uitgevoerd op het eerder verzamelde BALF-supernatant, longweefselhomogenaat en bloedserummonsters volgens de instructies van de fabrikant. Kort gesproken werden monsters geïncubeerd in voorgecoate putten bij 37 °C gedurende 90 minuten. Na vijf keer wassen met wash buffer werden biotinyleerde detectieantilichamen (1:100 verdunning) 60 minuten aangebracht bij 37 °C. Na een andere wasbeurt werd HRP-conjugaat toegevoegd en in het donker 30 minuten geïncubeerd bij 37 °C. Vervolgens werd de absorptie gemeten op 450 nm met een microplaatlezer om monsterconcentraties te berekenen.
Western blot-analyse werd uitgevoerd om de expressieniveaus van AXL, SPP1, caspase-1, GSDMD, caspase-3, GSDME en GAPDH te beoordelen in longweefsel en BALF-monsters opgeslagen bij −80°C. De eiwitten werden geoogst en gelyseerd volgens de instructies in de Protein Extraction Kit. Gelijke hoeveelheden eiwitextracten (40 μg) werden per lane geladen en opgelost door SDS-PAGE. De polypeptiden werden vervolgens gescheiden en overgebracht naar PVDF-membranen. De membranen werden 1 uur op kamertemperatuur geblokkeerd met 5% magere droge melk in TBST en vervolgens een nacht geïncubeerd bij 4 °C met de specifieke primaire antilichamen (verdund 1:1000). Na drie keer wassen met TBST gedurende 10 minuten, werden de membranen geïncubeerd met de overeenkomstige HRP-geconjugeerde secundaire antilichamen (verdund 1:5000) in blokkerende oplossing bij kamertemperatuur gedurende 1 uur. GAPDH werd gebruikt als intern referentie-eiwit. Eiwitbanden werden gevisualiseerd met een enhanced chemiluminescence (ECL) kit met een belichtingstijd van 1–5 minuten, en de resultaten werden geanalyseerd met beeldverwerkingssoftware. De relatieve expressieniveaus van de doeleiwitten werden berekend als de verhouding van het doeleiwit tot GAPDH.
Statistische analyse
Kwantitatieve indices werden uitgedrukt als gemiddelde ± standaarddeviatie, en statistische analyse werd uitgevoerd met behulp van statistische software. De Kruskal–Wallis-test of eenrichtings-ANOVA werd gebruikt om verschillen tussen verschillende groepen te vergelijken, afhankelijk van of de gegevens normaal verdeeld waren. Alle statistieken werden beoordeeld met behulp van een tweezijdige hypothesetest. Voor analyses met meerdere vergelijkingen, zoals differentiële genexpressie en profilering van immuuncelinfiltratie, werden P-waarden aangepast met behulp van de Benjamini-Hochberg false discovery rate (FDR)-methode. Een aangepaste P-waarde van 0,05 of lager werd als statistisch significant beschouwd. Grafische software werd gebruikt voor het in kaart brengen.