Все экспериментальные процедуры на животных проводились строго в соответствии с рекомендациями, одобренными Комитетом по защите и этике экспериментальных животных больницы Дунчжимэнь Пекинского университета китайской медицины (Одобрение No 19-54) до начала исследования.
Источник данных и обработка данных
Два набора данных экспрессии генов (GSE89953 и GSE116560) были извлечены из базы данных Gene Expression Omnibus (GEO) 20. Набор данных GSE89953, включающий транскриптомические данные целых альвеолярных макрофагов от пациентов с ОРДС разных возрастных групп, использовался для дифференциальной экспрессии и сетевого анализа. Набор данных GSE116560, включающий клиническую информацию, такую как состояние механической вентиляции, использовался для машинного обучения и прогностического моделирования. Кроме того, 608 генов, связанных с пироптозом, были извлечены из комплексной базы данных аннотирования человеческих генов, используя корреляционный балл выше 1 в качестве критерия скрининга. Данные экспрессии генов были нормализованы с помощью лимма-пакета в R. Номер клинического исследования: не применимо.
Идентификация DEG
Пациенты в наборе данных GSE89953 были стратифицированы на две возрастные группы: низковозрастные (<45 лет) и высоковозрастные (≥45 лет). Этот порог был выбран на основе эпидемиологических данных, указывающих на медианный возраст начала ОРДС примерно 45лет 21 год. Для обеспечения устойчивости этого порога проводились анализы чувствительности с использованием альтернативных возрастных порогов (50 и 55 лет). Эти анализы выявили согласованные закономерности в идентификации генов хаба и кластеризации модулей, что статистически подтверждает 45-летний порог для последующих анализов. Набор данных был нормализован с помощью лимма-пакета в R. Дифференциально экспрессированные гены (DEG) между возрастными группами были выявлены с помощью линейного моделирования с эмпирической байесовской модерацией. Гены с скорректированным значением P < 0,05 и |log₂ изменением fold| ≥ 0,5 считались статистически значимыми DEG. Были созданы графики вулканов и тепловые карты для визуализации DEG с помощью пакета ggplot2 в R.
Идентификация и анализ генов, связанных с пироптозом, и анализ обогащения
Гены, связанные с пироптозом, были извлечены из базы данных аннотаций генов с использованием ключевого слова «пироптоз». Пересечение DEG и генов, связанных с пироптозом, было определено как дифференциально экспрессированные гены, связанные с пироптозом (DEPG). Анализы обогащения путей генной онтологии (GO) и Kyoto Encyclopedia of Ges and Genomes (KEGG) для DEPG проводились с использованием пакета clusterProfiler в R22. Категории биологических процессов (BP), клеточного компонента (CC) и молекулярной функции (MF) были аннотированы, а Z-score ≥ 1 и скорректированные значения P < 0,05 признаны значимыми.
Взвешенный анализ коэкспрессии генов (WGCNA)
Для идентификации генных модулей, связанных с пироптозом, WGCNA проводился с использованием пакета WGCNA R. Была построена знаковая сеть с использованием степени мягкого порога (β) 26 для обеспечения безмасштабнойтопологии 23. Модули идентифицировались с помощью алгоритма динамического разрезания с минимальным размером модуля 30, глубоким разделением 2 и порогом слияния (высота сечения) 0,25. Была рассчитана корреляция между собственными модулями и признаками пироптоза. Анализ вариации генных наборов (GSVA) проводился на отдельных модулях с использованием наборов характерных генов, загруженных с MsigDB24,25.
Машинное обучение
Набор данных GSE116560 был разделён на возрастные группы с высоким и низким возрастом, где проход был 45 лет, и обе группы анализировались с помощью алгоритмов машинного обучения. Регрессионный анализ оператора наименьшего абсолютного сжатия и выбора (LASSO) был реализован с использованием пакета glmnet (версия 4.1-2) в R, при этом оптимальный штрафный параметр (λ) определялся 10-кратной перекрёстной валидацией (критерий 1-SE). Для алгоритма Random Forest (RF) было построено 500 деревьев (ntree = 500), а количество признаков, отобранных при каждом разделении (mtry), было установлено в квадратный корень общего числа предикторов для обеспечения стабильности модели. Перекрывающиеся гены обоих методов были определены как гены с возрастной сигнатурой.
Построение и оценка диагностических моделей
Была построена диагностическая модель прогнозирования на основе выявленных подписных генов. Для разработки модели была использована логистическая регрессия, а для визуализации её предсказательной способности была создана номограмма. Производительность модели оценивалась с помощью кривой рабочей характеристики приёмника (ROC), а площадь под кривой (AUC) рассчитана для оценки диагностической точности. Внутренняя проверка проводилась с помощью bootstrap reampling. Дальнейшая оценка стабильности модели и клинической полезности проводилась с использованием калибровочных графиков и анализа кривой принятия решения (DCA).
Анализ иммунной инфильтрации
Состав иммунных клеток в возрастных и младших возрастных группах оценивался с помощью алгоритма CIBERSORT, основанный на матрице сигнатуры LM22. Сравнивались относительные доли 22 типов иммунных клеток между группами. Дифференциальная экспрессия хаб-генов между подмножествами иммунных клеток была проанализирована с использованием данных из одной выборки и визуализирована в тепловых картах и гистограммах.
Анализ обогащения множества генов (GSEA)
GSEA проводился отдельно на хабовых генах из групп высокого и низкого возраста. Анализ обогащения наборов генов (GSEA) проводился с использованием наборов генов Киотской энциклопедии генов и геномов (KEGG). Гены ранжировались по соотношению сигнал/шум (или изменению сверчения) между группами с высокой и низкой экспрессией. Затем были рассчитаны показатели обогащения и нормированного обогащения (NES) с использованием 1000 перестановок для выявления значительно обогащённых путей. Пути с коэффициентом ложного обнаружения (FDR) менее 0,25 и номинальным значением P менее 0,05 были значительно обогащены. Этот анализ затем использовался для определения биологических путей, которые могут регулироваться каждым геном хаба.
Экспериментальные животные
В этом исследовании использовали восемнадцать самцов крыс SPF Sprague Dawley (возраст от 6 до 7 недель, 180 г ± 10 г). Подробная информация о поставщиках приведена в Таблице материалов.
Реагенты и приборы
Для экспериментальных вмешательств по обеспечению спектральной энергии воды (SEW) и дальнего инфракрасного излучения (FIR) использовались устройства для подготовки воды с электромагнитным полем и приборы дальнего инфракрасного излучения (FIR). Для моделирования ARDS использовался липополисахарид (LPS). Уровни цитокинов (IL-1β, IL-18, IL-6, TNF-α) были количественно измерены с помощью специальных наборов для ИФП. Уровни экспрессии белков (AXL, SPP1, Caspase-3, GSDME, GAPDH) оценивались с использованием специфических первичных антител и соответствующих вторичных антител, конъюгированных с HRP. Обработка и анализ образцов проводились с использованием стандартного лабораторного оборудования, включая биомикроскоп, микротом, высокоскоростную центрифугу, морозильник для ультранизких температур и считыватель микропластин. Полная информация обо всех реагентах, антителах и инструментах, а также о их производителях, приведена в Таблице материалов.
Группирование и моделирование животных
Восемнадцать крыс Спраг-Доули были случайным образом распределены в группы Контроль, Модель и SEW+FIR, по шесть крыс в каждой группе. Каждую группу ежедневно взвешивали и документировали. Группа SEW+FIR получала терапию FIR (длина волны 4 мкм–14 мкм, радиационное расстояние 20 см от дорсальной поверхности) в течение 20 минут ежедневно в условиях с контролируемой температурой (22 °C ± 2 °C), одновременно получая SEW в дозе 1 мл/100 г/суток с помощью оральнойгаваджи 7. Дистиллированная вода вводилась перорально в контрольную и модельную группы в эквивалентной дозе 1 мл/100 г/сут. Дистиллированная вода и СЕВ вводились один раз в день в течение 7 дней после нагрева в тёплой ванне при температуре 60 °C. На седьмой день, через 6 часов после кормления, группам Model и SEW+FIR ввели раствор LPS в дозе 2 мг/кг по весу через хвостовую вену, тогда как контрольная группа была обработана физиологическим раствором 0,9% физиологического раствора при дозе 2 мг/кг по весу. Метод моделирования считался зрелым и стабильным способом вызова системного воспалительного ответа с помощью одного инъекции LPS через хвостовую вену. Ткань лёгких из патологии лёгких в моделируемых группах соответствовала характеристикамОРДС 25. Контрольная точка: успешная индукция ОРДС характеризуется видимой вялостью, тахипноэ и снижением массы тела на ~10% в течение 16 часов послеинъекции 26 часов.
Сбор индикаторов, связанных с крысами
Шестнадцать часов спустя всем трём группам внутрибрюшинно ввели 3% пентобарбитала натрия при дозе 30 мг/кг массы тела для индуцирования анестезии. КРИТИЧНО: Глубина анестезии должна быть строго подтверждена потерей рефлектора отмены педали до любого процедурного вмешательства. Кроме того, соблюдались строгие протоколы биобезопасности; все материалы, загрязнённые LPS, биологические жидкости и туши животных были утилизированы в специально отведённые контейнеры для биологической опасности для правильного сжигания. Пять миллилитров крови были собраны из брюшной аорты в стерильные трубки, а сыворотка выделена центрифугой при 1000 x g в течение 20 минут при 4 °C. Затем сыворотка хранилась при −80 °C для дальнейшего анализа. После торакотомии и перевязки правой легочной кости была получена бронхоальвеолярная жидкость для промывания (BALF) путём трёхкратной промывки левого лёгкого предварительно охлаждённым фосфат-буферным физиологическим раствором (PBS) через эндотрахеальную канюлю. Затем BALF центрифугировали при 1000 x g в течение 10 минут при 4 °C, а супернатант хранили при −80 °C. Верхняя доля правого легкого была удалена и очищена холодным физиологическим раствором для удаления крови. Было добавлено девять томов физиологического физиологического раствора относительно веса ткани, а образец измельчали в ледяной ванне с помощью офтальмологических ножниц. Гомогенат легкой ткани с 10% был приготовлен с помощью гомогенизатора, после чего центрифугировали при 700 x g в течение 15 минут при 4 °C. Супернатант был собран и хранён при −80 °C для дальнейшего биохимического анализа. Кроме того, часть правой легкой ткани каждой крысы была зафиксирована в 4% параформальдегиде для гистологического исследования.
Индикаторы наблюдения и методы обнаружения
Нижняя доля правого легкого была обработана с помощью стандартного вложения, резки тканей, удаления воска, окрашивания HE, цветоразделения, обезвоживания и уплотнения пленки после фиксации 4% параформальдегида. Легкие каждой группы наблюдались патологическими изменениями, наблюдаемыми под световым микроскопом.
Под световым микроскопом были выявлены патологические аномалии в архитектуре альвеолярной перегородки, степень инфильтрации воспалительных клеток, гиперемию и отёк лёгочных капилляров. Кафедра патологии Пекинского университета китайской медицины помогала в проведении наблюдения. Гистологический балл поражения лёгких рассчитывался для оценки поражения лёгких следующим образом: отсутствие травмы = 0, травма менее чем в 25% поля = 1, травма в 25–50% поля = 2, травма в 50–75% поля = 3, и травма более чем в 75% поля = 4. Десять областей были случайным образом отобраны и оценены исследователями, не обращая внимания на группировку.
ELISA проводилась на ранее собранном супернатанте BALF, гомогенате лёгкой ткани и образцам сыворотки крови согласно инструкциям производителя. Кратко пробы инкубировали в предварительно покрытых скважинах при 37 °C в течение 90 минут. После пяти промыв буфером для промывания биотинилированные антитела для обнаружения (разбавление 1:100) в течение 60 минут при 37 °C. После ещё одного этапа промывки был добавлен HRP-конъюгат и инкубирован в темноте в течение 30 минут при 37 °C. Впоследствии поглощение измерялось на 450 нм с использованием считывателя микропластин для расчёта концентраций образца.
Western blot был проведён для оценки уровней экспрессии AXL, SPP1, каспазы-1, GSDMD, каспазы-3, GSDME и GAPDH в образцах лёгких и BALF, хранящихся при −80°C. Белки были собраны и лизированы согласно инструкциям из Белкового набора для экстракции. Равные количества белковых экстрактов (40 мкг) загружались на каждую линию и разрешались с помощью SDS-PAGE. Полипептиды затем разделялись и переносились на мембраны PVDF. Мембраны блокировались сухим молоком с 5% обезжиренным молоком в TBST в течение 1 часа при комнатной температуре, а затем инкубировали на ночь при 4 °C с помощью специфических первичных антител (разбавленных 1:1000). После трёхкратного промывания с TBST по 10 минут каждый мембраны инкубировали соответствующими вторичными антителами, сопряжёнными с HRP (разбавленные 1:5000) в блокирующем растворе при комнатной температуре в течение 1 часа. GAPDH использовался в качестве внутреннего эталонного белка. Белковые полосы визуализировались с помощью комплекта для улучшенной хемилюминесценции (ECL) с временем экспозиции 1–5 минут, а результаты анализировались с помощью программного обеспечения для обработки изображений. Относительные уровни экспрессии целевых белков рассчитывались как отношение белка-мишени к GAPDH.
Статистический анализ
Количественные индексы выражались в среднем ± стандартном отклонении, а статистический анализ проводился с помощью программного обеспечения. Тест Крускаля–Уоллиса или односторонний ANOVA использовался для сравнения различий между несколькими группами, в зависимости от того, были ли данные распределены нормально. Вся статистика оценивалась с помощью двухстороннего гипотеза-теста. Для анализов, включающих множественные сравнения, такие как дифференциальная экспрессия генов и профилирование инфильтрации иммунных клеток, значения P корректировались с помощью метода частоты ложного открытия Бенджамини-Хохберга (FDR). Скорректированное значение P на уровне 0,05 или ниже считалось статистически значимым. Для построения графиков использовалось программное обеспечение для графиков.