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关键词： 椎间盘退变   氧化应激   差异分析   WGCNA分析   LASSO回归   SVM-RFE分析   随机森林   特征基因   生物信息学   免疫浸润分析  

摘要： 背景:氧化应激与椎间盘退变的发生发展息息相关,但其发病机制和有效治疗方法仍不明确。目的:运用生物信息学及3种机器学习算法识别与椎间盘退变伴氧化应激相关的关键基因及免疫浸润分析,并进行实验验证。方法:从GEO数据库获得椎间盘退变基因表达谱以及从GeneCards数据库获得氧化应激相关基因,对椎间盘退变数据集进行差异分析及加权基因共表达网络(WGCNA)分析,两者取交集并与氧化应激相关基因取交集得到候选hub基因,对候选hub基因进行GO和KEGG分析;运用机器学习(LASSO回归、SVM-RFE及随机森林)筛选最佳特征基因并进行受试者特征曲线验证,同时行相关免疫浸润分析。收集2023年7-11月就诊于山西医科大学第二医院的颈椎病患者的椎间盘样本作为椎间盘退变组,颈椎脊髓损伤患者的椎间盘样本作为对照组,采用qPCR方法验证特征基因在椎间盘退变组织中的相对表达量。结果与结论:(1)经过差异基因分析获取424个差异表达基因,WGCNA分析得到5087个基因,同时获得氧化应激基因1399个,进而得到23个候选hub基因;(2)GO分析结果显示,主要参与细菌防御反应、细菌来源分子反应等生物过程;涉及分泌颗粒腔、细胞质囊泡腔等细胞组成;涉及内肽酶活性和硫化合物结合等分子功能;(3)KEGG分析结果显示,候选hub基因与中性粒细胞胞外诱捕网形成、肾素-血管紧张素系统通路等信号通路有关;(4)运用3种机器学习和ROC验证后得到关键基因HSPA6和PKD1;(5)免疫浸润分析显示HSPA6与活化树突状细胞(r=0.88,P<0.001)、活化CD4^(+)T细胞(r=-0.72,P<0.01)等密切相关,同时PKD1与效应型记忆CD8^(+)T细胞(r=0.55,P<0.05)、活化树突状细胞(r=-0.56,P<0.05)等密切相关;(6)q PCR实验结果表明椎间盘退变组中HSPA6基因低于对照组(P<0.0001),而PKD1基因高于对照组(P<0.0001);(7)结果表明运用生物信息学及机器学习算法证实HSPA6和PKD1可作为椎间盘退变伴氧化应激的生物标志物,可能通过干预HSPA6和PKD1来改善椎间盘退变。

关键词： 激素性股骨头坏死   m^(6)A甲基化   微小RNA   转录因子   生物信息学   差异基因   基因调控网络   核心基因  

摘要： 背景:m^(6)A修饰与股骨头坏死的发生发展相关,但在激素性股骨头坏死中的作用尚不清楚。目的:基于GEO数据库,采用生物信息学方法分析激素性股骨头坏死中表达差异的m^(6)A基因及互作miRNAs,探寻其潜在发病机制。方法:在GEO数据库中检索并下载与激素性股骨头坏死相关的mRNA表达谱数据集(GSE123568),通过R软件对数据集进行差异基因筛选及GO功能、KEGG通路富集分析。识别差异基因中的m^(6)A差异表达基因(m^(6)A-DEGs)并对其进行GO功能与KEGG通路富集分析,比较m^(6)A-DEGs的表达量并分析它们之间的相关性。最后通过Cytoscape构建m^(6)A-DEGs的PPI互作网络及筛选核心基因。使用TargetScan,miRTarBase和miRBD数据库预测m^(6)A-DEGs相关的潜在miRNAs,同时使用ChIPBase及hTFtarget数据库预测7个核心基因潜在转录因子,然后分别构建m^(6)A-miRNA与转录因子m^(6)A调控网络。最后使用数据集GSE74089验证7个核心m^(6)A-DEGs的表达水平。结果与结论:①从数据集中共筛选出2460个差异表达的基因,其中1455个上调,1005个下调。②从数据集中筛选出了14个m^(6)A-DEGs,包括3个下调和11个上调基因,m^(6)A-DEGs在激素性股骨头坏死中的表达具有显著差异(P<0.05),Spearman分析表明它们之间具有一定相关性。③m^(6)A-DEGs的GO和KEGG富集分析主要集中在骨髓细胞分化与发育、免疫受体与细胞因子受体活性、破骨细胞分化、AMPK与白细胞介素17信号通路。④m^(6)A-DEGs前7个核心基因包括YTHDF3,YTHDF1,YTHDF2,ALKBH5,METTL3,HNRNPA2B1及HNRNPC,它们在miRTarBase,miRDB和TargetScan数据库中共有44个miRNA重叠,在ChIPBase及hTFtarget数据库中共有79个重叠转录因子。⑤在GSE74089数据集中有6个核心m^(6)A-DEGs的表达水平与GSE123568数据集一致。⑥结果证实,根据生物信息学方法筛选的7个m^(6)A-DEGs可能通过调控多个miRNA、转录因子和AMPK及白细胞介素17信号通路表达,进而影响激素性股骨头坏死中骨髓细胞分化发育与破骨细胞分化,为进一步深入研究激素性股骨头坏死的发病机制和靶向治疗提供了数据支持和研究方向。

关键词： 经椎间孔腰椎椎体间融合   活动度   假关节   器械失效   有限元分析  

摘要： 背景:目前腰椎椎体间融合被广泛应用于多种腰椎疾患的治疗。然而,如何降低假关节形成、螺钉松动断裂以及cage失效等术后并发症仍然是一个严峻的挑战。目的:分析腰椎总体活动度对椎间植骨、cage以及钉棒系统应力应变的影响,从而更好地指导患者进行术后腰椎活动以降低假关节形成及器械失效的风险。方法:利用Mimics、3-Matic、HyperMesh以及Abaqus软件构建完整的人L1-S1有限元模型,并模拟经椎间孔腰椎椎体间融合术。比较施加弯矩前后椎间植骨平均应变、cage以及钉棒系统的峰值应力,并分析其随腰椎总活动度的变化趋势;绘制相应的应力云图以观察应力分布。结果与结论:①与单纯施加垂直压缩载荷相比,施加弯矩后椎间植骨平均应变、cage峰值应力以及钉棒系统峰值应力分别增加了2.6%-55.3%,65.6%-166.8%及36.0%-353.4%;②随着总活动度的增加,椎间植骨平均应变在左右旋转工况下呈非线性增加并得到最大值,而cage与钉棒系统的峰值应力在左右侧弯工况下呈线性增加并得到最大值;③椎间植骨与cage的应力分布和工况有关,而钉棒系统应力主要集中于螺钉与骨质结合部及螺钉与棒连接处;④因此术后增加轴向旋转活动可能降低假关节形成的风险,而减少侧弯活动可能降低cage以及钉棒系统失效的风险。

关键词： 激光疗法   低强度激光   高强度激光   膝关节骨关节炎   软骨修复   软骨细胞  

摘要： 背景:激光疗法是一种无创、无痛的治疗手段,由于它操作简单和非侵入性的特点,被认为是治疗骨关节炎的适用方法。目前,激光疗法对组织的作用机制尚不明确,并且其临床应用的研究结果仍存在争议。目的:回顾总结激光疗法治疗膝骨关节炎在细胞水平、动物实验和临床疗效方面的最新研究进展,探讨激光介导多途径生物效应的可能机制,从而为进一步研究激光治疗膝骨关节炎提供理论基础。方法:在中国知网、万方数据、维普和PubMed数据库对2018-2023年发表的有关激光疗法治疗膝骨关节炎的文献进行检索,以“激光疗法,低强度激光疗法,高强度激光疗法,光生物调节,膝关节骨关节炎,软骨细胞”为中文检索词,以“laser therapy,low level laser therapy,high level laser therapy,photobiomodulation,knee osteoarthritis,chondrocytes”为英文检索词。加上手工检索的14篇文献,最终纳入70篇文献进行综述。结果与结论:(1)激光疗法治疗膝骨关节炎主要分为高强度激光和低强度激光两种类型,激光参数和治疗方案的不同会对激光疗效产生直接影响;在使用适当的参数时,低强度激光在细胞实验、动物模型以及临床疗效方面都显示出积极的作用;高强度激光在膝骨关节炎治疗中的研究较少,但一些初步的临床研究结果显示出积极的效果;(2)细胞实验表明,低强度激光可促进软骨细胞增殖和软骨基质合成,从而降低炎症反应;(3)动物实验表明,低强度激光可以减少促炎症因子的释放,促进软骨基质合成,抑制基质降解,有效改善软骨组织的修复过程;低强度激光还能减轻膝骨关节炎过程中的氧化应激损伤,缓解疼痛;(4)在临床试验中,低强度激光和高强度激光均可以减轻患者疼痛,改善功能活动;激光疗法与运动治疗方式联合使用可能会提高治疗效果;(5)激光可能通过光生物效应或热力学效应影响细胞内的信号传导和细胞功能,为激光促进关节软骨再生提供了直接证据。

关键词： 生物信息学   单细胞转录组测序   压疮   缺血再灌注   组织损伤   慢性创面   铁死亡   氧化应激   GPX4   ACSL4  

摘要： 背景:铁死亡介导的缺血再灌注损伤对压疮的发生发展起重要作用,可能存在压疮相关的铁死亡生物标志物,但其机制尚未阐明。目的:通过生物信息学手段探讨压疮的分子机制,寻找压疮过程中铁死亡相关差异基因,为其临床治疗提供新的视角。方法:使用GEO数据库和FerrDb数据库下载数据集并进行预处理。对单细胞转录组测序数据进行聚类和占比分析、代谢活性和拟时序分析、细胞通讯分析、铁死亡基因集细胞识别和富集分析,确定铁死亡差异基因,并通过动物实验进一步验证。将20只SD大鼠随机分为正常组和模型组,每组10只。正常组大鼠不进行任何处理,模型组大鼠采用缺血再灌注循环周期模式制备压疮大鼠模型,采用荧光定量PCR和免疫印迹检测压疮大鼠创面组织内差异表达基因和蛋白的变化。结果与结论:(1)单细胞转录组测序数据聚类划分为6种细胞类型,压疮组2型和3型角质形成细胞占比较高。(2)不同细胞亚群之间具有明显的代谢异质性和演变轨迹。(3)2型和3型角质形成细胞在细胞通讯中作用最强,2型角质形成细胞配体-受体强度最佳。(4)2型角质形成细胞铁死亡得分较高,有显著上调或下调的差异基因,并得到27个GO富集条目、20个KEGG富集条目和24个铁死亡相关差异基因,以谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)和长链酯酰辅酶A合成酶4(acyl-CoA synthetase long chain family member 4,ACSL4)为主。(5)动物实验验证了与正常组相比,模型组大鼠铁死亡抑制蛋白GPX4表达下调,铁死亡促进蛋白ACSL4表达上调。上述结果证实,压疮组织中存在铁死亡,GPX4和ACSL4为调控压疮组织中铁死亡的重要基因。

关键词： 课程思政   细胞生物学   生物科学(师范)专业   师德素养   融合教学模式  

摘要： 立德树人是高等教育的根本任务,而将课程思政融入课堂教学是实现“三全育人”的重要途径。以杭州师范大学生物科学专业细胞生物学教学为例,构建思政视域下的课内外、校内外、线上线下资源充分混合,并将任务驱动教学、案例教学、实践教学等不同形式融合其中的教学模式。结合该校师范专业人才培养方案和教学大纲,将立德树人和“三位一体”的教育理念融入细胞生物学课重要知识点,有助于培养学生严谨科学作风和爱国情怀,与思政教育同向同行,形成协同效应。

关键词： 脊柱转移瘤   经皮椎体成形   骨水泥   有限元模型   生物力学分析  

摘要： 背景:随着检查技术的革新,不同分期脊柱转移瘤患者逐年增多,经皮椎体成形是脊柱转移瘤重要的治疗手段,但其治疗不同分期、不同活动方式肿瘤的术后生物力学疗效尚未见报道。目的:基于三维有限元模型模拟胸椎T_(10)骨肿瘤转移不同位置的应力及位移情况。方法:根据1例30岁健康男性胸椎三维CT扫描数据,采用Mimics软件构建胸椎(T_(9)-T_(11))的三维几何模型,包括肋骨、韧带及椎间盘。模拟被胸椎转移瘤侵袭的T_(9)-T_(11)椎体及其后胸椎不同部位的三维模型,包括椎体结构完整的对照组,单侧转移累及椎体区(实验组1),单侧转移累及椎体和椎弓根区(实验组2),单侧转移累及椎体、椎弓根和横突区(实验组3),双侧转移累及椎体、椎弓根和横突区(实验组4)。利用Abaqus软件创建三维有限元模型,对负重、屈曲、伸展、旋转工况下VonMises应力分布及模型的位移情况进行分析。结果与结论:①在对不同实验组加载点在负重、屈曲、伸展、旋转工况下最大总位移的研究中,随着转移瘤侵袭部位及侵袭面的增多,加载点的总位移在增大,整体刚度降低,尤其实验组4加载点的总位移最大;②在屈曲工况下椎体、椎弓根破坏后明显增加最大Von Mises应力值,而在此基础上增加胸肋关节破坏,其最大Von Mises应力值基本不变;③有限元分析并模拟骨肿瘤模型的基础上,将骨水泥区域的单元设置为一个单独的set集合,后将骨水泥区域设置为对应的材料属性以模拟骨水泥填充,结果发现,负重、屈曲、伸展、旋转工况下最大总位移均小于各实验组;④模拟经皮椎体成形治疗后患者在负重、屈曲、伸展、旋转工况下的最大应力值相较于骨肿瘤模型大幅度降低;⑤提示基于胸椎T_(9)-T_(11)的三维有限元模型构建有利于对胸椎骨肿瘤转移生物力学特性的研究,并能够在胸椎骨肿瘤转移模型的基础上准确模拟经皮椎体成形后加载点在不同工况下的总位移及最大VonMises应力情况。

关键词： 慢性肾病   肾间质纤维化   肾功能   间充质转化   铁死亡   自噬   自噬依赖性铁死亡   GEO数据库   生物信息学  

摘要： 背景:自噬及铁死亡在慢性肾病的病程发展过程中发挥着重要作用,但目前对于慢性肾病肾组织自噬及铁死亡相关分子机制及基因靶点尚不清楚。目的:基于生物信息学筛选慢性肾病相关数据集中差异表达基因,并探讨其中适合作为筛查慢性肾病患者肾功能进展的潜在关键生物标志物。方法:①从GEO数据库获取GSE137570数据集,通过Networkanalyst数据库分析筛选差异表达基因,OMIM,GENECARD,FerrDb及HAMdb数据库分别获取铁死亡及自噬相关靶点,各数据取交集以获取慢性肾病自噬和铁死亡相关差异表达基因,并行富集分析。利用STRING网站构建差异表达基因蛋白互作网络,导入Cytoscape软件后利用MCODE及CytoHubba插件对蛋白互作网络进行功能模块分析,筛选潜在核心靶点,经富集分析以获取潜在核心靶点功能。②体外实验:将小鼠源肾小管上皮细胞分为2组,空白组不予任何干预,模型组加入5 ng/mL转化生长因子β1刺激24 h以诱导肾小管上皮细胞间充质转化,流式细胞术检测细胞中活性氧含量及线粒体膜电位变化,RT-PCR法检测细胞中铁死亡、自噬相关指标及潜在核心靶点mRNA表达。结果与结论:①GSE137570数据集筛选后共计获取480个差异基因,其中表达上调基因104个,表达下调基因376个(log2|(FC)|>1,P<0.05);OMIM、GENECARD、FerrDb及HAMdb数据库获取铁死亡相关靶点562个,自噬相关靶点1266个,将差异基因与铁死亡、自噬相关靶点取交集,分别获得铁死亡相关靶点15个,自噬相关靶点18个。②富集分析结果表明,铁死亡相关差异基因主要涉及硫氨基酸代谢、中性粒细胞脱粒等生物学过程及铁死亡信号通路,自噬相关差异基因主要富集于血小板脱颗粒、细胞外基质降解等生物学过程及受体酪氨酸激酶的信号传导。③经MCODE及CytoHubba筛选蛋白互作网络中关键基因,分别为CD44,ALB,TIMP1,PLG,CCL2,DPP4。④免疫浸润分析结果显示B细胞、CD4^(+)T细胞、NK细胞及单核细胞等免疫细胞在慢性肾病肾组织中表达具有显著差异,而核心靶点与此类免疫细胞同样存在显著相关性(P<0.05)。⑤ROC曲线分析结果进一步表明可通过CD44,ALB,TIMP1,PLG,CCL2,DPP4有效诊断慢性肾病病理进展。⑥经单细胞测序结果显示,除PLG外,各模型组小鼠肾组织靶点基因表达与该实验结果基本一致。⑦RT-PCR结果显示,对于自噬及铁死亡表型的验证,与空白组比较,模型组中LC3B,Nrf2,SLC7A11 mRNA表达显著降低(P<0.05),P62 mRNA表达显著增高(P<0.05);潜在核心靶点验证方面,与空白组比较,模型组中ALB、PLG mRNA表达显著降低(P<0.05),TIMP1,CCL2 mRNA表达显著升高(P<0.05)。⑧上述结果显示,经生物信息学分析与实验验证,CD44,ALB,TIMP1,PLG,CCL2在慢性肾病患者肾组织中异常表达,与肾小球滤过率及肾间质纤维化密切相关,对慢性肾病进展或具有预测作用。

关键词： 着地模式   可视化   跑步距离   马拉松   步速   跑步经济性   损伤   疲劳   跑步鞋  

摘要： 背景:近年来,随着长距离健身跑的热度持续上升,相关的科学问题也有了更多的研究进展,其中长距离跑的着地模式在跑步技术层面上是一个重要的生物力学研究热点。目的:借助CiteSpace对相关文献进行可视化分析,对近10年来足着地模式为主题的文献进行梳理,明晰足着地模式的现状、热点和趋势。在此基础上,从生物力学角度对足着地模式的主要研究热点进行进一步讨论。方法:以“Foot strike pattern,Rearfoot strike,non-Rearfoot strike,Forefoot strike,Midfoot strike”作为英文关键词,在Web of Science核心集数据库中检索,对纳入文献采用CiteSpace软件进行可视化分析。结果与结论:①最终纳入896篇相关文献。年发文量总体呈上升趋势,发文量Top 3国家依次为美国、中国和英国;Top 3机构依次为哈佛大学、上海体育大学和马萨诸塞大学;Top 3作者依次为Davis Irene S,Hamill Joseph和傅维杰教授。②研究关键词以“裸足跑、跑者、损伤、足着地模式、运动学”出现频次较高,关键词聚类以“能量成本、负载率、足着地模式、危险因素、步态分析”研究至今仍持续火热。③详细分析上述数据后发现,近年来足着地模式整体研究热度保持稳定,热点主要集中于足着地模式的生物力学研究,此类研究趋势集中于不同着地模式(前足着地和后足着地)对于长距离跑者(裸足、穿鞋、距离、速度、损伤风险、跑步经济性和能量消耗等方面)的影响和适应性。④因此,目前研究提示,并无所谓“标准化最佳着地模式”,但可能存在“个性化最佳着地模式”,建议研究者未来要根据自己习惯方式、动作模式特征、运动水平以及任务属性进行有针对性的选择最优的着地模式和跑步技术策略,切勿生搬硬套。