期刊：Ann Allergy Asthma Immunol
影響因子：5.8
伯豪技術(shù)服務(wù)產(chǎn)品：Olink
導(dǎo)語
慢性鼻竇炎伴鼻息肉（CRSwNP）是一種常見的鼻部疾病，其中2型慢性鼻竇炎伴鼻息肉（T2 CRSwNP）常與嚴(yán)重癥狀和高復(fù)發(fā)率相關(guān)。目前，T2 CRSwNP的診斷主要依賴于鼻息肉組織中的炎癥標(biāo)志物，但獲取組織樣本具有侵入性且存在局限性。為了開發(fā)一種非侵入性的診斷方法，本研究利用蛋白質(zhì)組學(xué)分析技術(shù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)評估了鼻液和血清中的炎癥相關(guān)蛋白表達(dá)，旨在建立一個用于T2 CRSwNP診斷的預(yù)測模型。通過對82例CRSwNP患者的樣本進(jìn)行分析，研究人員成功識別出23種在鼻液中失調(diào)的蛋白和16種在血清中失調(diào)的蛋白，并利用Lasso回歸篩選出4種關(guān)鍵生物標(biāo)志物（GDNF、MCP-4、TGFB1和CST5），構(gòu)建了T2 CRSwNP診斷模型。該模型在訓(xùn)練集、測試集和驗證集中的曲線下面積（AUC）值分別達(dá)到0.91、0.91和0.92，顯示出較高的預(yù)測準(zhǔn)確性。此外，GDNF和MCP-4被確定為CRSwNP術(shù)后復(fù)發(fā)的獨立預(yù)后生物標(biāo)志物。本研究不僅為T2 CRSwNP的診斷提供了一種簡單、非侵入性的新方法，還為預(yù)測術(shù)后復(fù)發(fā)提供了潛在的生物標(biāo)志物，有望改善患者的臨床管理。
科學(xué)問題
如何通過非侵入性樣本（鼻液和血清）的蛋白質(zhì)組學(xué)分析，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，開發(fā)一種準(zhǔn)確、可靠的T2 CRSwNP診斷模型，并利用該模型預(yù)測術(shù)后復(fù)發(fā)風(fēng)險，從而為臨床診斷和治療提供新的工具和方法
實驗材料
CRSwNP患者：共82例
對照組：6例（用于鼻液和血清分析，但不包括在聚類分析中）
外部驗證隊列：30例（用于驗證T2NPS模型的準(zhǔn)確性）
主要技術(shù)
Olink
（技術(shù)服務(wù)由伯豪生物提供）
研究結(jié)果
1. 一致性聚類分析揭示2型慢性鼻竇炎伴鼻息肉的炎癥生物標(biāo)志物特征
為了深入探究CRSwNP的炎癥模式，研究人員對82例慢性鼻竇炎伴鼻息肉（CRSwNP）患者的臨床特征進(jìn)行了總結(jié)，利用Luminex和ELISA技術(shù)檢測了鼻息肉組織中的16種炎癥標(biāo)志物，這些標(biāo)志物在以往的研究中已被證實與該疾病密切相關(guān)。然而，由于部分標(biāo)志物（如IL-33、GM-CSF、IL-22、IL-31）的濃度超出檢測范圍，因此共有12種標(biāo)志物被納入后續(xù)的一致性聚類分析。通過構(gòu)建一致性矩陣，研究人員確定了最佳聚類數(shù)為6（k=6）（圖1A， eFigure 1A, B）。主成分分析（PCA）圖也清晰地揭示了六個不同的炎癥聚類群之間的顯著差異。
具體而言，Cluster 1顯示出最高的局部2型生物標(biāo)志物水平（圖1B），血液和組織中的嗜酸性粒細(xì)胞計數(shù)升高，且哮喘患者比例更高（圖1C-E）。Cluster 2顯示出類似的T2特征，但與Cluster 1相比，炎癥模式較輕（圖1B）。Cluster 3顯示出髓過氧化物酶（MPO）、白介素-1β（IL-1β）、白介素-6（IL-6）和白介素-8（IL-8）水平升高，而Cluster 4顯示出干擾素-γ（IFN-γ）、白介素-17A（IL-17A）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白介素-1β（IL-1β）和白介素-6（IL-6）水平增加，并且血液或組織中的中性粒細(xì)胞計數(shù)更高（圖1B）。Cluster 5的整體細(xì)胞因子水平低于第4類，但顯示出有修正手術(shù)史的患者比例更高。Cluster 6顯示出整體低炎癥特征。在不同類群之間，術(shù)后內(nèi)窺鏡鼻竇手術(shù)（ESS）后的改良Lund-Kennedy（MLK）評分（P=0.030）和視覺模擬量表（VAS）評分（P=0.046）存在顯著差異（圖1D），息肉組織中的嗜酸性粒細(xì)胞計數(shù)也存在顯著差異（P=0.001，圖1E）。
本研究通過聚類分析將CRSwNP患者分為6個亞群。其中，Clusters 1 and 2因表現(xiàn)出高水平的IL-5、IL-13、骨橋蛋白、ECP和ALB，且伴有嗜酸性粒細(xì)胞浸潤，被歸類為T2 CRSwNP（圖1F）。相反， Clusters 3至6因2型生物標(biāo)志物水平低或無法檢測到，被歸類為非T2 CRSwNP（見圖1F）。與非T2患者相比，T2 CRSwNP患者的L-M評分、SNOT-22評分和VAS評分顯著更高（P<0.05），盡管總 MLK 評分的差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.202）。此外，T2 CRSwNP組的哮喘共病比例和術(shù)后息肉復(fù)發(fā)率更高（P<0.05），這與以往研究結(jié)果一致。
圖 1 將 CRSwNP 患者分為六個簇
2. 建立機(jī)器學(xué)習(xí)基準(zhǔn)框架
接著，作者利用先前標(biāo)記的息肉組織分類注釋，開發(fā)了一個監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）模型，用于為后續(xù)注釋提供“標(biāo)簽”。作者對82例CRSwNP病例的鼻液蛋白質(zhì)組（92種生物標(biāo)志物）、血清蛋白質(zhì)組（92種生物標(biāo)志物）以及合并數(shù)據(jù)集（184種生物標(biāo)志物）進(jìn)行了分析。機(jī)器學(xué)習(xí)框架如圖2所示。
圖 2 模型構(gòu)建流程
3. 通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法利用鼻液和血清生物標(biāo)志物開發(fā)2型鼻息肉特征（T2NPS）模型
在探索2型鼻息肉（T2NPS）診斷新方法的征程中，作者對多種算法進(jìn)行了深入評估，包括Lasso回歸、邏輯回歸、隨機(jī)森林、決策樹和XGBoost。在這一過程中，Lasso回歸模型憑借其卓越的性能脫穎而出，它在訓(xùn)練集和測試集中的AUC值分別達(dá)到了0.91，遠(yuǎn)超行業(yè)公認(rèn)的高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)（AUC≥0.8）（圖3A-C）。這一模型不僅展現(xiàn)了極高的預(yù)測精度，還在敏感性、特異性等關(guān)鍵指標(biāo)上均超過了0.85，在診斷2型鼻息肉方面的具有巨大潛力。作者將這一模型命名為“2型鼻息肉特征（T2NPS）”，它不僅為鼻息肉的精準(zhǔn)診斷開辟了新路徑，更為未來相關(guān)疾病的研究和治療提供了寶貴的參考。
圖3 通過機(jī)器學(xué)習(xí)基準(zhǔn)開發(fā)的2型鼻息肉特征（T2NPS）模型
作者通過優(yōu)化的Lasso回歸模型，成功識別出GDNF、MCP-4、TGFB1和CST5這四個關(guān)鍵生物標(biāo)志物，構(gòu)建了用于2型鼻息肉（T2NPS）診斷的模型。該模型在調(diào)整性別和年齡因素后，展現(xiàn)出極高的預(yù)測準(zhǔn)確性，其在校準(zhǔn)圖中預(yù)測值與觀測值高度一致，外部驗證隊列中AUC值達(dá)到0.92。隨機(jī)森林分析進(jìn)一步確認(rèn)了這些生物標(biāo)志物的預(yù)測價值，且與傳統(tǒng)生物標(biāo)志物相比，T2NPS模型在預(yù)測T2 CRSwNP方面更為精準(zhǔn)，為臨床診斷提供了有力支持。
圖4 T2NPS模型解讀
4. 關(guān)鍵生物標(biāo)志物的表達(dá)驗證和免疫組化
本研究通過RT-qPCR分析檢測了GDNF、MCP-4、TGFB1和CST5在T2 CRSwNP患者和非T2 CRSwNP患者的鼻息肉（NP）及中鼻甲（MT）組織中的表達(dá)水平，并與對照組進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，MCP-4在T2 CRSwNP患者的NP和MT組織中均顯著上調(diào)，且在NP中上調(diào)更顯著；GDNF在T2 CRSwNP患者的NP中上調(diào)，而非T2 CRSwNP患者的MT中GDNF水平更高；TGFB1和CST5在T2 CRSwNP患者的MT中顯著下調(diào)，但在NP中無顯著變化（圖5A）。這些表達(dá)差異可能源于組織類型的固有差異以及基因在不同調(diào)控水平上的變化。
圖5 RT-qPCR 和 IHC 驗證
免疫組化結(jié)果揭示了MCP-4、GDNF、TGFB1和CST5在鼻組織不同細(xì)胞類型中的表達(dá)模式（圖5B），與OLINK分析結(jié)果相符。MCP-4主要在免疫細(xì)胞（單核細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞和中性粒細(xì)胞）和腺體細(xì)胞中表達(dá)，且在T2 CRSwNP患者中表達(dá)水平更高；GDNF在T2 CRSwNP組織的上皮細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞和中性粒細(xì)胞中表達(dá)，而非T2 CRSwNP組織中幾乎無陽性信號；TGFB1在T2 CRSwNP中表達(dá)較低；CST5主要分布在纖毛細(xì)胞表面和免疫細(xì)胞中，且在非T2 CRSwNP的黏液腺體細(xì)胞中表達(dá)更豐富。
接下來，作者利用GSA數(shù)據(jù)庫中的單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）數(shù)據(jù)，分析了健康個體以及三種CRSwNP亞型（CRSsNP、neCRSwNP和eCRSwNP）中所選標(biāo)記物的表達(dá)情況。測序結(jié)果顯示，GDNF主要在eCRSwNP的上皮細(xì)胞中表達(dá)，MCP-4在eCRSwNP的單核細(xì)胞中表達(dá)，而TGFB1則在健康對照組和CRSwNP中的T/NK細(xì)胞及單核細(xì)胞中表達(dá)（圖6）。這些單細(xì)胞RNA測序結(jié)果與OLINK檢測和免疫組化結(jié)果相一致。盡管在CRSwNP和對照組中均未檢測到CST5，這可能是因為其轉(zhuǎn)錄本不穩(wěn)定或轉(zhuǎn)錄水平較低。
圖 6 GDNF、MCP-4、CST5 和 TGFB1 在對照組和三種 CRS 亞型（CRSsNP、neCRSwNP 和 eCRSwNP）的鼻腔黏膜中的表達(dá)水平
5. T2NPS模型中的分子標(biāo)志物預(yù)測手術(shù)結(jié)果
作者進(jìn)一步利用T2NPS模型來研究術(shù)后預(yù)后。共有51例CRSwNP患者（占比62.2%，即51/82）完成了隨訪，中位隨訪時長為339天（范圍：>6個月）。結(jié)果顯示，該模型能高度準(zhǔn)確地預(yù)測鼻息肉復(fù)發(fā)（AUC值為0.92），特異性達(dá)85.7%，敏感性達(dá)96.2%。其中，GDNF與復(fù)發(fā)風(fēng)險增加相關(guān)，且GDNF和MCP-4均為術(shù)后病情控制不佳的獨立預(yù)測因素。
圖 7 基于 T2NPS 模型的預(yù)測息肉復(fù)發(fā)
結(jié)論
本研究通過Olink蛋白質(zhì)組學(xué)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，成功開發(fā)了基于鼻液和血清生物標(biāo)志物的2型鼻息肉特征（T2NPS）模型，為2型慢性鼻竇炎伴鼻息肉（T2 CRSwNP）的精準(zhǔn)診斷和術(shù)后預(yù)后預(yù)測提供了新的工具。這一成果不僅提高了診斷的準(zhǔn)確性和便捷性，還為個性化治療方案的制定提供了重要依據(jù)，有望顯著改善患者的治療效果和生活質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：
Hou Y, Chen C, Li Z, Wen Y, Lu T, Sun L, Lai S, YanYan, Xiong S, Li J, Wen W, Wei Y. Proteomic Profiling of Nasal Fluids and Serum for Type 2 Nasal Polyps Diagnosis. Ann Allergy Asthma Immunol. 2025 Apr 23:S1081-1206(25)00182-6. doi: 10.1016/j.anai.2025.04.007. Epub ahead of print. PMID: 40280274.