利用与乳酸化相关的基因构建缺血性中风的诊断预测模型

《Frontiers in Molecular Neuroscience》：Construction of a diagnostic prediction model for ischemic stroke using lactylation-related genes

　　缺血性中风（IS）早期诊断模型构建及乳酰化相关基因机制研究。通过整合WGCNA、GO/KEGG富集分析、免疫浸润评分及机器学习算法，筛选出SLC2A3、NDUFB11等6个乳酰化相关核心基因，建立GLM模型（AUC=0.968），经5组独立GEO数据验证效能稳定。机制研究表明中性粒细胞浸润与乳酰化基因显著相关，且外源性乳酸钠可抑制OGD/R模型神经元增殖。

　　
缺血性中风（IS）作为全球第二大死亡原因和主要致残性疾病，其早期精准诊断始终是临床医学的难点。近年来，乳酸代谢调控的新型表观修饰机制逐渐受到关注，为IS诊疗提供了新视角。本研究通过整合多组学数据分析和机器学习技术，系统揭示了乳酸化修饰与中性粒细胞浸润在IS发病中的协同作用机制，并建立了具有临床转化价值的预测模型。

一、IS诊断的现存挑战与研究意义
IS占所有脑卒中病例的80%以上，其病理生理机制复杂，涉及血管内皮损伤、炎症级联反应、能量代谢紊乱等多维度病理过程。当前诊断主要依赖CT/MRI影像学评估和神经功能评分，但存在三大瓶颈：1）急性期影像学假阳性率高达30-43%，延误有效治疗；2）常规生化指标敏感性不足，无法满足急诊快速筛查需求；3）免疫炎症反应与代谢紊乱的交互机制尚未阐明。基于此，研究团队创新性地将乳酸化表观修饰机制与机器学习算法相结合，突破了传统诊断技术的局限。

二、多维度生物信息学分析揭示核心机制
（一）基因表达谱的深度解析
通过GEO数据库获取39例IS患者和24例健康对照的转录组数据，采用limma算法筛选出1071个上调基因和564个下调基因。值得注意的是，与免疫反应相关的GO通路（如中性粒细胞调控、巨噬细胞极化）和KEGG信号通路（T细胞受体信号、补体凝血级联反应）在差异表达基因中显著富集。特别是T细胞受体信号通路的激活，提示免疫系统在IS病理进展中起关键作用。

（二）加权共表达网络（WGCNA）的模块化分析
构建包含394个乳酸相关基因（LRGs）的加权共表达网络，通过软阈值优化（β=12）和模块合并策略，成功识别出与IS显著相关的4个功能模块。其中"黑色模块"包含SLC2A3（葡萄糖转运蛋白）、NDUFB11（线粒体复合体I亚基）等关键基因，与神经炎症和能量代谢失衡直接相关。通过模块特征与临床表型的相关性分析，发现黑色模块与IS发病呈强正相关（r=0.87，p<0.001）。

（三）免疫微环境的系统评估
采用CIBERSORT、xCell等四类免疫评分系统对样本进行多维度分析，发现中性粒细胞浸润评分在IS组较对照组升高2.3倍（p<0.0001），且该特征在所有算法中保持高度一致性。值得注意的是，GTPBP3基因在KEGG通路中与中性粒细胞趋化活性显著相关（p=0.003），提示乳酸化修饰可能通过调控中性粒细胞功能影响IS进程。

三、机器学习模型的创新构建与验证
（一）多算法模型的对比验证
基于6个核心基因（SLC2A3、NDUFB11、GTPBP3、SLC16A3、PUS1、GRN），分别采用随机森林（AUC=0.936）、支持向量机（AUC=0.840）、神经网络（AUC=0.910）和广义线性模型（AUC=0.968）构建预测模型。其中GLM模型通过引入临床协变量优化，其校准曲线与理想曲线重合度达0.89（95%CI:0.82-0.94），决策曲线分析显示模型净获益显著（NNT=5.2）。

（二）外部验证的广泛适用性
在5个独立GEO数据集（含12,854个样本）中的验证显示，模型AUC稳定在0.86-0.96区间，C-index达0.92。特别在GSE119121（日本队列）和GSE58294（非洲裔人群）中，模型仍保持较高敏感性（>85%）和特异性（>90%），证实其跨种族、跨地域的普适性。

四、关键科学发现与机制解析
（一）乳酸化修饰的病理枢纽作用
1. SLC2A3（葡萄糖转运蛋白4）：其表达上调促进BBB穿透，使脑内乳酸浓度在发病后6小时即达正常值的3倍。该基因与中性粒细胞胞外陷阱（NETs）形成存在直接关联（p=0.017）。
2. SLC16A3（乳酸转运蛋白）：在OGD/R模型中，其表达水平与乳酸清除率呈负相关（r=-0.73，p<0.001）。实验证实，该基因过表达可使神经元乳酸耗竭量提升40%。
3. GRN（脑源性神经营养因子）：在模型组中表达下调达2.1倍，其通过抑制M1型巨噬细胞极化（p=0.003）减轻炎症损伤。

（二）中性粒细胞的双向调控机制
1. 病理驱动：中性粒细胞浸润评分与IS严重程度呈正相关（r=0.68），其分泌的MMP-9可降解紧密连接蛋白（如claudin-5），导致BBB通透性增加300%。
2. 修复潜能：在亚急性期（发病72小时后），中性粒细胞通过释放IL-10和TSG-6等因子，促进微血管内皮修复，该过程与PUS1基因表达增强（p=0.012）相关。

（三）乳酸-炎症-神经退化的恶性循环
1. 代谢-表观修饰轴：OGD/R处理后，神经元乳酸水平从50μM升至120μM，触发组蛋白乳酸化（H3K9 Lac）达基线值的2.5倍，影响HDAC去乙酰化酶活性（p<0.001）。
2. 能量代谢失衡：线粒体复合体I功能下降（NDUFB11表达↓47%），导致ATP生成减少60%，激活PERK-eIF2α通路（p<0.01），促使神经元向乳酸代谢型转换。
3. 免疫微环境重塑：中性粒细胞通过释放TNF-α（↑2.8倍）和IL-6（↑1.9倍），激活星形胶质细胞，形成促炎级联反应。同时，CD8+ T细胞通过耗竭性表达（PD-1↑68%）抑制过度炎症。

五、临床转化价值与改进方向
（一）诊断模型的应用前景
该模型在急诊场景中可实现：
1. 早期筛查：发病后3小时内即可通过6个生物标志物组合（平均检测时间<15分钟）区分IS与短暂性脑缺血发作（TIA）
2. 亚型分型：根据GRN/SLC2A3表达比，将IS分为卒中1型（炎症驱动型）和卒中2型（代谢紊乱型），前者3个月致残率高达72%，后者仅38%（p=0.004）
3. 预后分层：模型风险评分可将患者分为低危（5年复发率<10%）、中危（10-30%）、高危（>30%）三组，指导个体化治疗

（二）技术创新与局限
1. 多组学整合方法：首次将LRGs（乳酸相关基因）与免疫微环境分析结合，突破传统代谢组学的局限
2. 模型可解释性：通过SHAP值分析，SLC16A3对模型贡献度最高（0.32），其次是GRN（0.25）
3. 待完善领域：需开展多中心前瞻性研究（目标样本量≥5000例），并优化乳酸动态监测方案

（三）治疗策略的启示
1. 靶向乳酸代谢：抑制SLC16A3可降低脑乳酸水平40%，同时上调PD-L1表达（p=0.021）
2. 免疫调节：小分子干扰剂靶向中性粒细胞 NETs 形成通路（如PI3K抑制剂）可使动物模型神经损伤评分降低58%
3. 时空干预窗口：基于模型预测，在缺血后4-6小时（脑水肿高峰期）给予乳酸清除剂（如苯乙酸钠）可使 BBB 修复效率提升2.3倍

六、未来研究方向
1. 多组学联合分析：整合代谢组（乳酸/ATP浓度谱）、单细胞测序（≥10万细胞）和空间转录组
2. 动态监测模型：开发基于智能手机的乳酸连续监测系统（目标检测精度<5%）
3. 联合诊疗方案：探索乳酸转运蛋白抑制剂与神经保护剂的协同效应（预实验显示联合治疗可减少神经元凋亡达67%）

本研究通过创新性整合乳酸代谢动力学与免疫组学特征，建立了具有临床实用价值的IS早期诊断模型。其核心价值在于揭示了乳酸化修饰通过调控中性粒细胞功能这一关键路径影响IS病程，为开发靶向乳酸代谢和免疫调节的双效疗法提供了理论依据。后续研究将重点验证该模型在社区医院和偏远地区的适用性，并推进相关生物标志物检测试剂的国产化进程。