近日，上海交通大学医学院附属仁济医院的卜军教授团队在CVIA上发表了题目为“通过机器学习和体外实验鉴定血管平滑肌细胞中的 BTC 和 KLF15 为腹主动脉瘤的关键生物标志物”《Identification of BTC and KLF15 in Vascular Smooth Muscle Cells as Key Biomarkers for Abdominal Aortic Aneurysm via Machine Learning and In Vitro Experiments》的研究论文，主要通过机器学习、单细胞测序分析、分子对接以及体外实验对腹主动脉瘤的生物标志物进行了探索。

摘要

研究通过生物信息学分析、机器学习筛选、单细胞测序分析结合体外实验的方法，揭示了腹主动脉瘤（Abdominal aortic aneurysm，AAA）的关键分子机制。研究结果表明：①β细胞素（Betacellulin，BTC）和Kruppel样转录因子15（Kruppel-like transcription factor 15，KLF15）具有显著诊断价值，其中BTC特异性表达于血管平滑肌细胞（Vascular smooth muscle cells，VSMCs），KLF15在VSMCs与成纤维细胞中均有表达；②血管紧张素II刺激导致VSMCs内BTC与KLF15的mRNA水平显著下降；③全反式视黄醇（All trans-retinal，ATR）与BTC前体结构域（GLY-101）及可溶性结构域（GLU-36/PRO-30/CYS-32）存在高亲和力结合，且转录因子RAD21可能为BTC与KLF15的共同转录调控因子。这些发现不仅阐明了AAA进程中免疫微环境失调与VSMCs功能异常的分子关联，更为临床开发基于BTC/KLF15检测的早期诊断方案及ATR的靶向治疗策略提供了理论依据。

前言

AAA是一种以腹主动脉永久性局部扩张为特征的致命性血管疾病，其破裂是导致患者死亡的主要原因。多数患者在疾病早期阶段无明显症状，这给疾病的及时诊断带来挑战。目前开放手术修复和血管内支架植入术是AAA的主要治疗手段且疗效显著，但在延缓疾病进展和预防动脉瘤破裂的药物治疗方案开发方面仍存在明显不足。因此，探寻新的治疗靶点和生物标志物对AAA防治具有重要价值。近年来，生物信息学与机器学习技术的突破性进展为解析AAA的分子机制提供了全新视角。单细胞技术在分析AAA相关的多组学数据方面展现出独特优势，可精准表征VSMCs表型转换等病理特征。而机器学习技术能有效筛选出大规模基因组数据中的高价值候选基因。

AAA的功能富集分析

研究采用limma方法对AAA的mRNA转录组数据集（GSE57691）进行基因差异表达分析，共鉴定到1320个差异表达基因，通过对差异表达基因进行KEGG、DO和GO分析探讨AAA的潜在机制。KEGG、DO以及GO分析结果均显示AAA与免疫功能的异常存在关联。研究进一步对GSE57691数据集进行了GSVA与GSEA分析，结果仍显示AAA的发生发展与免疫功能的异常相关，尤其是与淋巴细胞的活化存在关联。

AAA的免疫细胞浸润分析

基于上述发现，研究为进一步探明腹主动脉瘤中免疫微环境的异常，对GSE57691数据集进行了免疫细胞浸润分析。分析结果显示，与正常对照组相比，AAA组中的初始B细胞、记忆性B细胞、单核细胞、静息NK细胞、记忆性T细胞、初始T细胞以及滤泡辅助性T细胞的比例显著上升；M1型巨噬细胞、M2型巨噬细胞以及静息肥大细胞的比例显著下降。

关键生物标志物的筛选以及列线图的构建

研究通过11种机器学习算法构成的共计78种组合，以GSE57691数据集为训练集，以GSE7084和GSE47472数据集为验证集对AAA的关键生物标志物进行了初步筛选，并通过对初步筛选得到的候选基因在上述3个数据集中分别进行差异分析，最终确定BTC与KLF15为AAA的关键生物标志物。以BTC与KLF15构建列线图，列线图在三个数据集中均表现出良好的诊断效能。

关键生物标志物在AAA中的潜在机制

研究为进一步探索BTC与KLF15在腹主动脉瘤中的潜在机制，对BTC与KLF15进行单基因GSEA分析，结果显示BTC主要与背主动脉发育等通路上调、IL-2应答等下调相关；KLF15与核仁外切体复合体等上调、IL-2应答等下调相关。提示BTC与KLF15与免疫炎症存在关联。

单细胞测序分析及体外实验验证

研究为确定表达AAA关键生物标志物的具体细胞类型，对GSE166676和GSE237230这两个AAA的单细胞测序数据集进行了单细胞测序分析。结果显示BTC主要在VSMCs中表达，KLF15在VSMCs和成纤维细胞均有表达。考虑到VSMCs在腹主动脉瘤发生发展中的重要地位，因此研究选择对人主动脉血管平滑肌细胞使用血管紧张素II进行刺激，以模拟腹主动脉瘤发生发展时VSMCs所受到的刺激。通过RT-qPCR实验，验证了人主动脉血管平滑肌细胞在血管紧张素II刺激后，BTC与KLF15的mRNA水平显著下调，与前文的趋势一致。

分子对接及转录因子预测

研究为进一步探索AAA的潜在治疗药物，通过DSigDB数据库筛选得到ATR为潜在的治疗药物。通过分子对接模拟发现，ATR可与BTC前体结构的GLY-101位点以及可溶性结构的GLU-36/PRO-30/CYS-32位点结合。通过NetworkAnalyst分析预测得到RAD21可能为BTC与KLF15共同的转录调控因子。

结论

AAA是一种危及生命的疾病。多数患者在疾病早期阶段无明显症状，这导致其难以被及时诊断。该研究通过正常样本与AAA样本的基因差异表达分析和功能富集分析，揭示了AAA的发病机制主要与炎症反应、细胞迁移趋化、免疫应答及线粒体功能障碍等相关。进一步筛选出BTC与KLF15这两个关键生物标志物，二者在AAA中的表达显著下调，其构建的列线图展现出良好的诊断效能，提示其可能作为辅助AAA诊断的生物标志物。此外，通过分子对接模拟，提示与BTC相互作用的ATR为潜在的AAA治疗药物。

作者介绍：

卜军 上海交通大学医学院附属仁济医院

卜军，主任医师，上海交通大学医学院附属仁济医院副院长。中国医师协会腔内血管学分会药物专委会副主任委员，美国心脏病学会(American college of Cardiology)专家委员(FACC)，欧洲心脏病学会(European Society of Cardiology)专家委员(FESC)。研究成果发表在Circulation、JACC、EHJ、Hepatology、Nat Immunol 等国际知名期刊，写入国际心血管内科学教科书等行业规范，总引用6000余次。作为负责人主持国家基金委创新研究群体、国家重点研发专项、国家杰出青年基金、国自然重点项目等多项国家级科研项目。

引用本文：Chen YF, Huang HH, Lyu YY et al. Identification of BTC and KLF15 in Vascular Smooth Muscle Cells as Key Biomarkers for Abdominal Aortic Aneurysm via Machine Learning and In Vitro Experiments. Cardiovasc Innov Appl. 2025. Vol. 10(1). DOI: 10.15212/CVIA.2025.0012

原文链接：

https://www.scienceopen.com/hosted-document?doi=10.15212/CVIA.2025.0012