基于生物信息学、机器学习算法和实验验证阐明牛磺酸缓解骨关节炎进展的机制

背景：铁死亡是一种由铁依赖性脂质过氧化驱动的调节性细胞死亡形式，在软骨细胞死亡和骨关节炎（OA）的发病机制中起着关键作用。牛磺酸是一种含硫氨基酸，具有公认的抗炎和抗铁死亡特性，与关节保护有关；然而，其通过靶向铁死亡机制来减轻OA进展的潜力在很大程度上仍未得到探索。方法：对正常和OA膝关节软骨组织进行RNA测序以鉴定差异表达基因（DEGs）。使用加权基因共表达网络分析（WGCNA）筛选OA相关模块，并从公共数据库检索铁死亡相关靶点。对DEGs、WGCNA模块和铁死亡靶点的交集基因进行通路富集分析。通过多个数据库预测牛磺酸靶基因，并应用机器学习算法鉴定枢纽基因。构建列线图模型以评估诊断准确性。使用CIBERSORT算法评估免疫浸润。此外，进行了体外实验（涉及白介素-1β（IL-1β）刺激的软骨细胞）和体内研究（使用内侧半月板不稳定（DMM）小鼠模型）以验证牛磺酸的作用。结果：机器学习分析确定了四个关键枢纽基因：CSRNP1、CTH、OSBPL3和CITED2。由于牛磺酸对IL-1β刺激的软骨细胞中CTH表达的影响，CTH被选为主要关注的焦点。体外实验表明，牛磺酸处理特异性逆转了IL-1β诱导的CTH下调。机制研究表明，牛磺酸直接与CTH蛋白结合，并通过恢复CTH表达来减轻IL-1β诱导的铁死亡，从而增加谷胱甘肽（GSH）水平，减少铁积累和脂质过氧化，并上调溶质载体家族7成员11（SLC7A11）和谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）。一致地，牛磺酸减轻了DMM诱导的OA小鼠的软骨退化和滑膜炎症，而这些益处被CTH抑制剂炔丙基甘氨酸（PAG）逆转。结论：牛磺酸通过直接靶向CTH抑制软骨细胞铁死亡，从而改善OA进展，发挥显著的软骨保护作用，至少部分如此。