Биоинформационное исследование клинического прогноза рака печени и таргетной терапии традиционной китайской медицины на основе скрининга ключевых патогенных генов
Первичный рак печени является третьей ведущей причиной смертности от рака во всем мире, а гепатоцеллюлярная карцинома (ГЦК) - наиболее распространенный тип первичного рака печени. Факторами риска ее развития являются, в основном, инфицирование вирусом гепатита В (HBV)/вирусом гепатита С (HCV), длительное чрезмерное употребление алкоголя, употребление продуктов питания, зараженных Aspergillus flavus, цирроз печени, вызванный различными причинами, а также семейный анамнез гепатоцеллюлярной карциномы. Ранняя диагностика гепатоцеллюлярной карциномы часто основывается на биомаркерах, которые широко используются в клинической практике. Биомаркеры в основном поступают из сыворотки, плазмы, микроРНК в тканях, мутировавших генов, белков и т.д. Многие пациенты с диагнозом "рак печени" обычно находятся на поздней неоперабельной стадии. После паллиативного лечения медиана выживаемости составляет всего 6-12 месяцев, а 5-летняя выживаемость - всего 10%. Поэтому скрининг ключевых патогенных генов рака печени имеет важное клиническое значение для ранней диагностики и анализа прогноза рака печени у пациентов с раком печени.

Быстрое развитие технологии секвенирования с высокой пропускной способностью изменило режим исследований в биомедицинской науке. Секвенирование генов дает новое понимание вопросов биологии опухолей, таких как патогенез опухолей, и имеет важное справочное значение для диагностики, прогноза и выбора лечения опухолей. Алгоритмы биоинформатики имеют решающее значение для обработки высокопроизводительных омических данных. В данном исследовании за отправную точку взяты данные высокопроизводительного генного чипа, введены знания алгоритмов биоинформатики, получены наборы данных по раку печени из базы данных GEO и проанализированы дифференциально экспрессированные гены между тканями рака печени и нормальными тканями печени. Дальнейший скрининг ключевых патогенных генов рака печени из дифференциально выраженных генов, изучение биологических функций ключевых генов и их участия в сигнальных путях, мутациях, иммунной инфильтрации и их влияние на клинический прогноз, а также дальнейший скрининг потенциальных традиционных китайских лекарств для лечения рака печени, направленный на обеспечение теоретической ссылки и научной основы для клинической диагностики, лечения и прогноза суждения рака печени.

 

Рак печени - одно из самых распространенных онкологических заболеваний во всем мире, ежегодно от него страдает около 840000 человек и умирает не менее 780000. Китай - большая страна, где распространен гепатит. Рост заболеваемости гепатитом привел к увеличению числа больных раком печени. Около 50% больных раком печени в мире приходится на Китай. В настоящее время лечение ранних стадий рака печени включает в основном хирургическую резекцию, радиочастотную абляцию и трансплантацию печени. На средней стадии обычно используется комбинация различных методов, таких как хирургия, радиочастотная абляция, таргетная терапия, иммунотерапия и химиотерапия; на поздней стадии в основном применяется поддерживающее лечение. Рак печени - злокачественная опухоль с очень высокой частотой рецидивов. При радикальных методах лечения, таких как хирургическая резекция, частота рецидивов в течение 5 лет по-прежнему составляет 77%. Поэтому можно рассмотреть возможность клинического лечения с использованием комбинации традиционной китайской и западной медицины и традиционной китайской медицины. В традиционной китайской медицине нет специального термина для обозначения рака печени. Исходя из симптомов, его часто относят к таким категориям заболеваний, как "дифференциация синдрома", "скопление печени", "желтуха" и "отек". Лечение рака печени традиционной китайской медициной включает в себя лечение соединениями традиционной китайской медицины, лечение единицами китайской медицины/традиционными китайскими патентованными лекарствами и простыми препаратами, а также внешнее лечение, такое как акупунктура и моксибустион и применение акупунктурных точек; сочетание традиционной китайской медицины и западной медицины в основном включает традиционную китайскую медицину в сочетании с хирургическим лечением, традиционную китайскую медицину в сочетании с радиочастотной абляцией, традиционную китайскую медицину в сочетании с целевой терапией и традиционную китайскую медицину в сочетании с химиотерапией, чтобы уменьшить осложнения, облегчить побочные эффекты и задержать рецидив и метастазирование опухоли. В этой статье анализируется набор данных чипов рака печени на уровне молекулярных механизмов с использованием знаний в области биоинформатики, выявляются ключевые гены патогенного происхождения и анализируется значение ключевых генов в прогнозе рака печени. Кроме того, с помощью скрининга ключевых генов проверяются потенциальные традиционные китайские препараты для лечения рака печени. Цель данного исследования - создать научную основу и справочные материалы для дифференциальной диагностики, прогнозирования и лечения рака печени.

Функциональный анализ GO и анализ обогащения путей KEGG показали, что дифференциально экспрессируемые гены в основном вовлечены в такие биологические процессы, как иммунный ответ, воспалительный ответ и клеточная адгезия, с участием сигнальных путей, включая p53, mTOR, ErbB и т.д. Исследования показали, что реакция между антигеном опухолевого яичка и Sal-подобным белком 4 со специфическими Т-клетками может играть важную роль в контроле раннего рака печени; делеция нуклеотидного домена олигомеризации 2 в печени может вызвать возникновение рака печени через воспаление, повреждение ДНК и нестабильность генома; интерферон - γ, полученный из NK-клеток, может способствовать возникновению рака печени через процесс эпителиального перехода молекулы адгезии эпителиальных клеток в мезенхимальные у трансгенных мышей HBV; Кроме того, исследования показали, что miR-621 может повышать радиочувствительность раковых клеток печени путем активации сигнального пути p53; высокоэкспрессируемая субъединица 4 активности протеасомы может способствовать пролиферации раковых клеток печени через сигнальный путь mTOR; эпителиальный V-подобный антиген 1 может повышать регуляцию сигнального пути ErbB3-PI3K, тем самым способствуя прогрессии и метастазированию рака печени.

Анализ белкового взаимодействия выявил 10 ключевых генов, высоко экспрессирующихся в тканях рака печени, а именно CDC20 CCNB2、CCNB1、BUB1、BIRC5、AURKA、TOP2A、NCAPH、CDK1。 Прогностический анализ этих 10 ключевых генов показал, что высокая экспрессия группы ключевых генов значительно снижает общую выживаемость больных раком печени, и эти ключевые гены положительно коррелировали с результатами патологического анализа рака печени. Исследование показало, что экспрессия CDC20 в тканях рака печени выше, чем в нормальных тканях (P<0,05), а пациенты с раком печени с высокой экспрессией CDC20 имеют более низкую общую выживаемость; исследование показало, что пациенты с раком печени с высоким уровнем CCNB2 имеют более короткую 5-летнюю общую выживаемость и выживаемость без болезни по сравнению с пациентами с низким уровнем CCNB2; другие исследования показали, что более высокий уровень BUB1B может быть обнаружен в тканях рака печени, а сверхэкспрессия BUB1B положительно коррелирует с неблагоприятными клиническими и патологическими проявлениями.

Дальнейшая проверка экспрессии и анализ мутаций 10 ключевых генов показали, что они высоко экспрессируются в тканях рака печени, причем уровни экспрессии белков CDC20, CCNB1, TOP2A и NCAPH в тканях рака печени повышаются в разной степени; кроме того, в тканях рака печени наблюдается определенная степень мутации ключевых генов, и пациенты с раком печени, несущие мутировавшие ключевые гены, имеют худший прогноз. Анализ инфильтрации иммунных клеток ключевыми генами показал, что экспрессия ключевых генов положительно коррелирует со степенью инфильтрации B-клетками, CD8+T-клетками, CD4+T-клетками, макрофагами, нейтрофилами и дендритными клетками. Yang Gang et al. использовали иммуногистохимию для определения уровня экспрессии белка CDC20 в тканях рака печени, и результаты показали, что высокая экспрессия CDC20 наблюдалась в 59,2% образцах гепатоцеллюлярной карциномы. Ронг Мин Хуа и др. обнаружили, что мРНК и белок CCNB1 сверхэкспрессированы в тканях гепатоцеллюлярной карциномы, и CCNB1 может участвовать в клеточном цикле ГЦК, регулируя репликацию ДНК. Эти результаты свидетельствуют о том, что предсказания, представленные в данной статье, обладают хорошей надежностью и точностью.

Результаты скрининга потенциальных терапевтических препаратов показали, что CCNB1, BIRC5, CDK1 и CDC20 просеивают большое количество традиционных китайских лекарств, а CDK1, CCNB1, BIRC5 и TOP2A связывают большое количество потенциальных природных терапевтических ингредиентов. CDK1, CCNB1 и BIRC5 могут быть универсальными мишенями для лекарственной терапии. Artemisia annua, галангал и зимняя трава могут воздействовать на 2-3 ключевых гена и являются потенциальными традиционными китайскими препаратами для лечения рака печени. Исследования показали, что артемизинин - активный ингредиент Artemisia annua, который может регулировать пролиферацию, апоптоз и ангиогенез раковых клеток печени через различные пути, такие как EGFR; эффективный ингредиент галангала - галангин, который может предотвратить гепатоцеллюлярную карциному через стресс эндоплазматического ретикулума и митохондриальный зависимый апоптоз; зимняя трава может повысить чувствительность рака печени к противораковым эффектам сорафениба путем воздействия на AKT-путь. Согласно теории традиционной китайской медицины, основными звеньями патогенеза гепатоцеллюлярной карциномы являются "застой крови", "токсичность" и "дефицит". Традиционная китайская медицина играет роль в поддержке организма, устранении зла, атаке токсинов и борьбе с раком на молекулярном уровне, достигая состояния баланса между инь и ян в организме. По сравнению с традиционным лечением западной медицины, традиционная китайская медицина имеет потенциальные преимущества в лечении гепатоцеллюлярной карциномы, которые выражаются в незначительных побочных эффектах, низкой частоте побочных реакций, замедлении роста опухоли, снижении частоты рецидивов и метастазов, улучшении качества жизни пациентов и продлении цикла выживания.

Таким образом, данное исследование показало, что возникновение и развитие рака печени характеризуется наличием множества генов, путей и функций. Было проверено и получено в общей сложности 10 ключевых генов для патогенеза рака печени; уровни экспрессии этих генов и их белковых продуктов повышены у пациентов с раком печени и тесно связаны с плохим прогнозом рака печени и степенью инфильтрации иммунных клеток; дальнейшее исследование выявило 36 потенциальных традиционных китайских лекарств для направленного лечения рака печени, включая полынь, галангал и зимнюю траву, а также 105 природных активных ингредиентов. Результаты исследования данной статьи могут стать научной основой для клинической диагностики, определения прогноза и соответствующего лечения рака печени.