乳腺癌微環境中CXC趨化因子治療靶點和預后標志物的綜合生物信息學分析

李瑾，畢志金，李楊

（西南醫科大學 醫學信息與工程學院，四川瀘州 646000）

乳腺癌（Breast Cancer，BC）是世界上女性發病率最高的癌癥，每年在全球范圍內出現近170萬例新病例[1]。由于在診斷和治療方面取得了顯著進步，在醫學研究充分的地區，乳腺癌患者的存活率有所提高[2]。盡管乳腺癌的治療和診斷方法取得了進展，但由于對化療和轉移的耐藥性，一些患者的預后仍然很差。因此，確定更好的治療和預后生物標志物對于乳腺癌診療極為重要。

調節癌癥進展的免疫機制是一個有吸引力的領域，多年來一直是深入研究的重點。趨化因子是一個細胞因子家族，由腫瘤細胞、白細胞、免疫細胞和其他細胞類型分泌，可調節炎癥和免疫反應。所有趨化因子可根據其半胱氨酸（C）殘基序列分為四大類：CXC趨化因子、CC趨化因子、C趨化因子和CX3C趨化因子，其中X代表任何氨基酸。炎癥趨化因子通常由有害刺激物誘導，例如感染或細胞損傷，而穩態趨化因子在正常免疫網絡調節中組成性表達。除了以介導趨化性而聞名之外，大多數趨化因子還表現出與細胞增殖和存活以及刺激或抑制血管生成相關的各種附加功能。其中，CXC趨化因子在腫瘤血管生成、生長、侵襲和轉移中發揮關鍵作用[3]。

在本研究中，基于幾個大型公共數據庫對臨床病理學和生存數據進行全面的生物信息學分析，闡明整個CXC家族在乳腺癌中的預后價值。

1 使用工具

本研究使用了若干在線數據庫和在線工具。利用 UALCAN（http://ualcan.path.uab.edu/index.html）進行CXC趨化因子表達差異分析，利用Kaplan-Meier Plotter數據庫（https://kmplot.com/analysis/）進行CXC趨化因子總體生存期分析，利用CBioPortal（https://www.cbioportal.org/）分析CXC趨化因子在乳腺癌患者中的基因改變率，利用Metascape（https://metascape.org/gp/index.html）分析CXC趨化因子的通路和功能富集，利用GEPIA（http://gepia.cancer-pku.cn/）分析CXC趨化因子與腫瘤分期的相關性[4-6]。

2 結果與分析

2.1 乳腺癌患者CXC趨化因子表達異常

利用UALCAN數據庫鑒定16個CXC趨化因子（CXCL1至CXCL17，無CXCL15）的表達情況。圖1展示了16個CXC趨化因子在20種癌癥中的轉錄水平，并將其與正常樣本進行比較，其中CXCL8無表達量。閾值指標分別為P≤1×10-4，Fold Change≥2，Gene Rank≥Top 10%。不同類型的癌癥與相應的正常組織相比，具有統計學顯著性（P＜0.05），其中mRNA高表達組用紅色表示，低表達組用藍色表示。在多個數據集的乳腺癌樣本中，CXCL9/10/11/13/17的mRNA表達顯著上調，而CXCL1/2/4/5/7的mRNA表達顯著下調。

圖1 CXC趨化因子的mRNA表達水平

2.2 乳腺癌患者CXC趨化因子的功能富集分析

利用GEPIA和Metascape分析乳腺癌患者中差異表達的CXCL1/2/4/5/7/9/10/11/13和CXCL17的功能、通路富集。如圖2所示，基因功能主要富集在CXCR趨化因子受體結合（CXCR chemokine receptor binding）、髓系白細胞遷移（myeloid leukocyte migration）、CXCR3趨化因子受體結合（CXCR3 chemokine receptor binding）、肝素結合（heparin binding）；KEGG通路主要富集在IL-17信號通路（IL-17 signaling pathway）。

圖2 GO和KEGG富集結果

2.3 乳腺癌患者CXC趨化因子的基因改變分析

利用CBioPortal分析差異表達趨化因子CXCL1/2/4/5/7/9/10/11/13和CXCL17在乳腺癌患者中的基因改變率，其中CbioPortal中的CXCL4和CXCL7分別用PF4和PPBP表示。如圖3所示，這些差異表達的CXC趨化因子均發生了不同比例的突變，其中CXCL2/5/10突變率最高，均達到5%；CXCL4突變率最低，為1%。

圖3 基因突變率

2.4 CXC趨化因子在乳腺癌患者中的預后價值

通過Kaplan-Meier Plotter數據庫探討了乳腺癌中CXC趨化因子改變的預后價值，與總體生存期顯著相關的趨化因子共9個，其總生存期（Overall Survival，OS）曲線如圖4所示。數據表明，CXCL9、CXCL11、CXCL12、CXCL13和CXCL17高表達的乳腺癌患者與長期OS顯著相關；CXCL1、CXCL10、CXCL14和CXCL16的低表達也與較長的OS相關。與上一步差異表達篩選出的基因求交集，發現CXCL1、CXCL9、CXCL11、CXCL13和CXCL17可以作為乳腺癌的潛在預后標志物。

圖4 9個與乳腺癌患者總體生存率顯著相關的CXC趨化因子OS曲線

2.5 差異表達趨化因子與分期的關系

在GEPIA中評估了差異CXC趨化因子的表達與乳腺癌患者病理分期之間的相關性，如圖5所示，CXC1（P=0.006）、CXCL2（P=0.002）、CXCL5（P=0.007）、CXC13（P=0.010）的表達量在5個乳腺癌病理分期中有顯著性差異，表明這些CXC趨化因子在乳腺癌的發生和發展中起重要作用。與篩選出的差異基因求交集，認為CXCL1、CXCL2、CXCL5和CXCL13可以作為乳腺癌的潛在分期標志物。

圖6 4個與腫瘤分期顯著相關的CXC趨化因子

3 結論

本文使用UALCAN、Kaplan-Meier Plotter、CBio-Portal、Metascape和GEPIA對CXC趨化因子進行了綜合性生物信息學分析。結果發現，在乳腺癌患者中CXCL9/10/11/13/17的mRNA表達水平升高，而CXCL1/2/4/5/7的mRNA表達水平較非腫瘤組織低。KaplanMeier分析顯示，CXCL9/11/12/13/17高表達及CXCL1/14/16低表達與較長的OS相關。CXCL1/2/5/13的表達量在乳腺癌病理分期中有顯著差異。綜合生物信息學分析表明，與其他CXC趨化因子相比，CXCL1/9/11/13/17可能是乳腺癌患者的潛在預后標志物，CXCL1/2/5/13可以作為乳腺癌的潛在分期標志物。