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基于多组学探究FPR1调控糖酵解-乳酸化修饰轴促进牙周炎中巨噬细胞向M1极化的研究

申报人：曾巍 申报日期：2025-03-26

基本情况

2025创新项目
基于多组学探究FPR1调控糖酵解-乳酸化修饰轴促进牙周炎中巨噬细胞向M1极化的研究 学生申报
创新训练项目
医学
口腔医学类
学生自主选题
二年期
牙周炎是一种以牙菌斑为始动因子，多种因素共同促进的慢性感染性疾病，其中牙周组织中巨噬细胞极化失衡在病变进程中发挥重要作用。研究发现代谢重编程对调控巨噬细胞极化起着重要作用。糖酵解增强通过Warburg效应驱动乳酸过量生成，其介导的组蛋白乳酸化修饰重塑染色质表观状态，形成代谢与表观遗传互作轴，最终推动巨噬细胞向促炎M1表型极化。甲酰肽受体1作为连接代谢与免疫的双功能分子可通过识别病原体甲酰肽激活p38 MAPK/ERK信号通路，触发NADPH氧化酶依赖性ROS爆发，驱动免疫细胞趋化及炎症级联反应；同时，FPR1与脂质代谢酶形成复合体后可激活线粒体β氧化能力以改善代谢稳态。这为FPR1可能通过类似机制调控巨噬细胞糖酵解-乳酸化轴提供了跨受体类比依据。课题组前期在多组学分析中发现，FPR1在牙周炎组织中呈高表达，并影响巨噬细胞极化。那么FPR1是否在牙周炎中通过糖酵解-乳酸化轴进而调控巨噬细胞葡萄糖摄取及乳酸生成从而调控巨噬细胞极化，目前尚不明确。因此，本项目整合单细胞多组学、代谢动力学等系统阐明FPR1-糖酵解-乳酸化修饰轴在巨噬细胞极化中的多维调控网络，为牙周炎的靶向代谢免疫微环境的精准
1.参与第十二届山东省大学生生物化学技能与创新创业大赛，获得省级三等奖一项；
2.参与 “建行杯”第十届山东省科技创新大赛，获得校级一等奖和校级三等奖各一项；
3.参与2024年中国国际大学生创新大赛，获得校级二等奖和校级三等奖各一项；
4.参与第10届全国大学生基础医学实验设计大赛，获得校级三等奖一项；
5.参与发表论文《Exploring the Beneficial Effects of GHK-Cu on an Experimental Model of Colitis and the Underlying Mechanisms》 ；
【近三年承担课题情况】
1、2024年山东省医药卫生计划：ODAM对牙周炎结合上皮内巨噬细胞趋化及极化的作用及机制研究 主持 在研
2、2023年济宁医学院高层次科研项目立项：结合上皮中牙源性成釉细胞相关蛋白（ODAM）的表达对牙周炎的影响及其机制研究 主持 在研
【指导学生获奖情况】
1、2024年，指导学生荣获第十届全国基础实验创新大赛总决赛获国家级银奖。
2、2024年，指导学生荣获第十届全国基础实验创新大赛全国口腔赛道复赛获省级二等奖。
3、2024年，山东省大学生医学技术技能大赛B赛道二等奖，首位指导教师。
4、2023年，指导学生荣获第九届全国基础实验创新大赛获全国口腔赛道省级三等奖。
1. 在选题上给予大的研究方向，并在思路构建、实验设计、改进方向等方面给予耐心指导，为本课题的顺利进行奠定了一定基础，从而保证了本课题的科学性、创新性与严谨性。
2.为本课题的实践创造条件，根据项目团队的实际需求提供了一定的实验资源支持。
3.基于自身的科研项目课题，为本团队的研究提供较为前沿的学术观点的指导。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
曾巍 口腔医学院 口腔医学（本科） 2023 机制研究与论文撰写
黄家辉 临床医学院（附属医院） 临床医学（本科-临床医学院） 2021 文献查阅及数据分析
张英泽 口腔医学院 口腔医学（本科） 2022 机制研究与项目实验

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
侯萌 口腔医学院 否

立项依据

      本研究旨在通过整合时空多组学解析牙周炎免疫微环境中糖酵解-乳酸化修饰轴的动态调控网络的基础上，通过临床样本分析-体外机制解析-体内功能验证三位一体的研究体系，系统阐明FPR1通过调控糖酵解-乳酸化修饰轴驱动牙周炎巨噬细胞极化的分子机制，具体目标如下：
      1. 临床样本验证FPR1与糖酵解-乳酸化修饰轴的病理关联：通过流式分选牙周组织中巨噬细胞，结合qPCR/WB及免疫荧光技术，检测FPR1表达水平，及与牙周炎临床指标（CAL、PD、骨吸收）相关性。非靶向代谢组学检测乳酸、丙酮酸等代谢物浓度，联合WB分析HK2/PFKFB3/LDHA等表达及乳酸化修饰水平（Pan-Kla、H3K18la），明确牙周炎巨噬细胞代谢重编程与表观修饰的共调控特征，揭示糖酵解-乳酸化修饰轴的激活。
      2. 解析FPR1调控糖酵解-乳酸化修饰的分子机制：建立FPR1功能干预模型，及外源乳酸补偿策略，结合Seahorse实时监测糖酵解活性（ECAR）和乳酸生成量，验证FPR1是否通过增强糖酵解代谢流驱动乳酸积累。通过检测p300/CBP（乳酸化酶）和SIRT2/HDAC3（去乳酸化酶）表达变化，结合组蛋白乳酸化修饰特定位点（H3K18la），揭示FPR1通过“代谢酶-表观酶”互作调控乳酸化修饰的分子开关机制。
      3. 体内验证FPR1-代谢轴对巨噬细胞极化及牙周炎进展的调控作用：建立动物牙周炎模型，干预FPR1表达，明确FPR1对牙槽骨吸收（Micro-CT）、炎症浸润（HE染色）及破骨活性（TRAP染色）的调控效应。代谢组学检测组织乳酸动态变化，结合流式分选M1/M2巨噬细胞亚群及多重荧光共定位（CD86/CD163/Pan-Kla），阐明FPR1通过乳酸化修饰重塑巨噬细胞极化表型的空间特征。
1 糖酵解-乳酸化修饰-极化调控网络的构建
1.1 多组学联合构建核心基因调控网络
      ①单细胞代谢-表观特征解析
       基于 AddModuleScore 算法，对牙龈组织单细胞RNA测序（Single-cell RNA sequencing， scRNA-seq ）数据进行糖酵解及乳酸化修饰基因集评分，通过中位数阈值划分高/低表达细胞亚群，系统性解析巨噬细胞等细胞间隐藏的代谢重编程与表观修饰的动态关联特征。
      ②跨组学调控网络整合
      利用牙龈组织整体RNA测序（Bulk RNA sequencing， Bulk RNA-seq） 数据进行加权基因共表达网络分析（Weighted Gene Co-expression Network Analysis，WGCNA） ，筛选与巨噬细胞浸润高度相关的糖酵解-乳酸化修饰功能模块 （P<0.001） ；联合 Bulk RNA-seq数据差异表达基因（Differentially Expressed Genes， DEGs ）（筛选标准： |log2FC|>0.5 , FDR<0.05），构建巨噬细胞特异性代谢-表观交互调控网络（Cytoscape 可视化）。
1.2 机器学习与遗传学因果推断确立核心基因
      ①机器学习与遗传学因果推断确立核心基因
基于支持向量机（Support Vector Machine，SVM）、最小绝对收缩选择算子（Least Absolute Shrinkage and Selection Operator，Lasso）、极限梯度提升（Extreme Gradient Boosting，XGBoost）和 随机森林（Random Forest，RF）机器学习算法，整合 Bulk RNA-seq 数据数学特征，通过五折交叉验证筛选核心基因，评估其诊断效能 （AUC≥0.85） 及治疗靶点潜力。
      ②遗传学因果证据链构建
基于 eQTLGen 联盟的顺式表达数量性状位点（Expression Quantitative Trait Loci，eQTL）数据，采用双样本孟德尔随机化 （Two-sample MR） 方法，以全基因组显著水平 （P<5×10⁻⁸） 筛选牙周炎相关基因，并通过严格质控（基因上下游 10,000 kb 连锁不平衡 r²<0.001 、工具变量强度 F-statistic>10 ）锁定候选基因。通过逆方差加权法 （Inverse-Variance Weighted，IVW）和孟德尔随机化艾格回归法(Mendelian Randomization Egger Regression, MR-Egger )多效性检验验证遗传学因果关联 （ P.IVW<0.05），结合基于汇总数据的孟德尔随机化（Summary-data-based Mendelian Randomization，SMR） 分析进一步排除混杂因素干扰（ P.SMR<0.05, P.HEIDI>0.05）。
     ③跨数据集与跨物种验证
在人类多中心队列验证核心基因的诊断价值，并利用非人灵长类的队列研究进行跨物种验证，证实核心基因在诊断泛化性和宿主免疫进化保守性中的双重潜力，同时提示物种间调控网络差异对诊断效能的潜在影响。
2 FPR1调控巨噬细胞代谢重编程的功能机制预测
2.1 FPR1功能探索
     ①基于分子特征数据库（Molecular Signatures Database,MSigDB） 的 “Hallmark” 和 “GO” 基因集，采用单基因基因集富集分析（Gene Set Enrichment Analysis,GSEA）方法，评估其与代谢及表观调控通路的关联。
     ②为解析 FPR1在代谢重编程中的枢纽作用，本研究进一步通过相互作用基因/蛋白质检索工具(Search Tool for the Retrieval of Interacting Genes/Proteins, STRING) 数据库筛选并构建与 FPR1具有较强蛋白质互作关系的蛋白互作网络。
2.2 FPR1＋ 巨噬细胞亚群分析
     ①从单细胞转录组数据中提取所有巨噬细胞，选取 FPR1 UMI count ≥1的巨噬细胞进行中位数分割，高表达组（>中位数）定义为 FPR1＋ 巨噬细胞，低表达组（≤中位数）及 FPR1 UMI count ＝0 的巨噬细胞合并为其他巨噬细胞。
     ②针对 FPR1＋和其他巨噬细胞，分析糖酵解关键基因和极化标志基因等的表达，采用 Z-score 标准化表达值后评估组间差异。
     ③用细胞通讯 (CellChat)分析配体-受体互作，比较 FPR1＋ 巨噬细胞与其他巨噬细胞在代谢和免疫调节等信号通路的输入/输出强度差异。
3 临床回溯研究验证FPR1通过糖酵解-乳酸化修饰轴调控巨噬细胞极化
3.1 样本收集标准
     ①牙周健康组样本来源于接受阻生齿拔除或非炎症性拔牙手术的患者 其牙周组织无炎症表现。患者满足探诊深度（Probing Depth, PD）小于3 mm、探诊出血（Bleeding on Probing, BOP）阴性、无临床附着丧失（Clinical Attachment Loss, CAL等于0）、牙槽骨高度正常（影像学显示无骨吸收）且6个月内无吸烟史、3个月内无使用抗生素或抗凝药物、不存在糖尿病或癌症等全身性疾病、无妊娠或认知障碍等条件。
     ②牙周炎组样本来源于接受牙周手术（如翻瓣术或截根术）的中重度牙周炎患者。入选标准包括 至少1个邻面位点CAL大于等于5 mm、探诊深度（PD）大于等于6 mm或垂直骨吸收大于等于3 mm、牙槽骨吸收达根中1/3及以上，且病变由牙周炎引起（排除创伤 龋坏 牙髓病变或正畸治疗等因素导致的附着丧失）。排除受急性感染期（如存在牙周脓肿）牙髓病变或正畸治疗影响的位点。
3.2样本处理
     样本经预冷PBS冲洗后，机械剪碎为1-2 mm³组织碎片，联合0.1%胶原酶IV与0.01% DNase I于37℃消化30分钟，终止后过70 μm细胞筛获得单细胞悬液；通过Ficoll密度梯度离心（1500×g，20分钟，4℃）分离外周血单个核细胞，PBS重悬后采用抗CD68-FITC（泛巨噬细胞标记，克隆KP1）、抗CD14-APC（单核/巨噬细胞谱系标记，克隆M5E2）及抗CD16-PE（克隆3G8，用于排除中性粒细胞）进行抗体标记，利用流式细胞仪以CD68⁺/CD14⁺双阳性联合CD16⁻设门策略分选高纯度（>90%）单核来源巨噬细胞群体，覆盖未极化及中间态细胞全谱系；分选后细胞直接用于液氮冻存或下游分子检测。
3.3 FPR1表达特征与牙周炎病理进展的关联分析
     ①利用qPCR/WB技术检测流式细胞术分选后的巨噬细胞中FPR1的表达情况。
     ②免疫荧光检测巨噬细胞FPR1膜定位强度。
     ③分析FPR1表达水平与CAL、PD的Spearman相关性。
     ④使用ROC曲线评估FPR1作为牙周炎进展预测指标的敏感性和特异性。
3.4 糖酵解-乳酸化修饰轴的临床验证
     ①qPCR/WB检测HK2、PFKFB3、LDHA 表达变化。
     ②非靶向代谢组学代谢组学分析乳酸、丙酮酸、ATP等代谢物浓度变化。
     ③WB检测组蛋白泛乳酸化Pan-Kla修饰水平及特异性位点H3K18la修饰水平。
     ④qPCR/WB检测p300/CBP（促进乳酸化）和SIRT2/HDAC3（去乳酸化）的表达情况。
4 体外实验探究 FPR1 通过糖酵解-乳酸化修饰轴调控巨噬细胞极化的机制
4.1 细胞模型构建
     以THP-1细胞为模型，通过100 ng/mL佛波酯诱导分化48小时后静息培养24小时，建立未极化的M0巨噬细胞基础模型。在此基础上，设置5组实验方案：空白对照组的M0细胞全程无刺激，常规培养72小时；LPS刺激组先用100 ng/mL LPS刺激24小时诱导M1极化，随后撤除LPS继续培养48小时；LPS+空质粒对照组首先使用LPS刺激24小时后，通过Neon电穿孔转染空载体pcDNA3.1（2 μg/次），转染后撤除LPS培养48小时；LPS+FPR1敲低组首先用LPS刺激24小时后，转染靶向FPR1的siRNA（终浓度50 nM），随后撤除LPS培养48小时；LPS+FPR1敲低+乳酸补偿组在FPR1敲低基础上，转染后立即添加优化浓度的外源乳酸（10 mM），持续作用48小时。
4.2 糖酵解活性检测
     ①使用Seahorse XF仪器监测各组细胞的胞外酸化率（Extracellular Acidification Rate,ECAR），评估糖酵解活性变化。
     ②通过比色法结合乳酸检测试剂盒检测细胞培养上清及胞内乳酸浓度，利用标准曲线法计算绝对含量。
     ③qPCR/WB检测细胞LDHA、PK2等糖酵解关键酶表达情况。
4.3 乳酸化修饰检测
     ①WB检测组蛋白泛乳酸化Pan-Kla修饰水平及特异性位点H3K18la修饰水平。
     ②qPCR/WB分析乳酸化修饰相关酶p300/CBP和SIRT2/HDAC3等表达情况。
4.4 巨噬细胞极化检测
     ①ELISA检测细胞上清液IL-1β（促炎）与IL-10（抗炎）水平。
     ②多重荧光染色（CD68/CD86/CD163/Pan-Kla/FPR1）分析FPR1与极化表型和乳酸化修饰的空间共定位。
5体内实验验证FPR1对糖酵解-乳酸化修饰轴调控巨噬细胞极化的影响
5.1 动物模型构建与样本分组
     ①实验动物与分组设计
     体内实验以6周龄C57BL/6小鼠为研究对象，共分为四组（每组10只），通过不同干预手段探究FPR1在牙周炎中的作用。
     健康对照组：不接受任何处理，仅维持常规饲养，用于反映正常生理状态。
     牙周炎模型组：取上颌第二磨牙，5-0号丝线结扎建立牙周炎模型。
     FPR1抑制组：在结扎建模的同时，局部注射FPR1抑制（环孢素H），以抑制该受体的表达。
     FPR1激活组：提前1周进行基因预处理——利用AAV9病毒载体（剂量1×10¹¹ vg/位点）局部注射至牙龈黏膜，过表达FPR1后再构建牙周炎模型。
②样本采集与处理
     小鼠经麻醉处死后，立即根据实验需求对组织进行分组处理。其中液氮速冻组需将组织或血清迅速浸入液氮冷冻，随后转移至-80℃超低温冰箱长期保存，后续用于RNA提取（Trizol法）、蛋白质提取（RIPA裂解液）及冰冻切片（免疫荧光染色）；流式分析组则通过机械研磨或剪碎组织，过滤获得单细胞悬液后，采用Ficoll密度梯度离心法分离目标细胞，细胞悬液需在4℃条件下于30分钟内完成分选或检测；石蜡包埋组则进行4%多聚甲醛固定24小时，经梯度乙醇脱水、二甲苯透明后石蜡包埋，切取4 μm连续切片用于免疫组化（IHC）及组织学染色分析。
5.2 FPR1表达特征与牙周炎病理的关联分析
     ①FPR1表达验证
      1) qPCR/WB检测牙龈组织中FPR1表达情况；
      2) 免疫组化分析FPR1在牙龈组织病灶中的表达情况。
     ②病理参数评估
      1) Micro-CT量化骨吸收，测量牙槽骨高度（CEJ-ABC距离）及骨体积分数（BV/TV）；
      2) HE染色评估中性粒细胞浸润及胶原纤维破坏程度；
5.3 糖酵解-乳酸化修饰轴的体内功能验证
     ①糖酵解活性检测
      1) 非靶向代谢组学分析检测牙龈组织乳酸、丙酮酸及ATP含量；
      2) qPCR/WB检测牙龈组织HK2、LDHA等糖酵解关键酶表达情况。
     ②乳酸化修饰动态监测
      1) WB检测组蛋白泛乳酸化Pan-Kla修饰水平及特异性位点H3K18la修饰水平；
      2) qPCR/WB检测p300/CBP和SIRT2/HDAC3等酶表达。
5.4 巨噬细胞极化与炎症表型的整合分析
     ①巨噬细胞亚群分选
      流式细胞术进一步分选M1（CD86⁺/iNOS⁺）和M2（CD206⁺/Arg-1⁺）亚群，计算各组间比例差异。
     ②炎症微环境评估
      1) 检测血清及牙龈组织匀浆液中IL-1β、IL-6和TNF-α（促炎）及IL-10和TGF-β（抗炎）水平；
      2) 多重荧光染色（CD68/CD86/CD163/Pan-Kla/FPR1）分析FPR1与极化表型和乳酸化修饰的空间共定位。
       巨噬细胞极化是牙周炎病理进程的核心调控机制[1]。在牙周炎微环境中，病原体相关分子模式通过激活Toll样受体等信号通路诱导巨噬细胞向促炎型M1极化，进而分泌 IL-1β、TNF-α 等炎症因子，加剧牙槽骨吸收[2]。近年研究发现，代谢重编程是调控极化的关键，例如糖酵解增强可促进 M1 极化，而氧化磷酸化主导 M2 表型[3, 4]。国内团队通过单细胞测序证实，巨噬细胞的糖酵解异常与炎症表型存在时空关联，尤其在铁代谢失衡模型中观察到糖酵解活性升高与纤维化进展的同步性[5]。这一发现提示代谢失衡可能通过表观遗传修饰影响免疫细胞功能[6]，而甲酰肽受体1（ FPR1 ）作为连接代谢与免疫的关键分子[7]，其作用机制亟待深入探究。
       FPR1 作为 G 蛋白偶联受体家族成员，在炎症与代谢调控中具有双重功能[7, 8]。研究表明， FPR1 通过识别病原体甲酰肽激活 p38 MAPK/ERK 信号轴，触发 NADPH 氧化酶依赖性 ROS 爆发，驱动中性粒细胞趋化迁移并经由 ROS-NLRP3 轴促进 IL-1β/IL-6 等促炎因子释放[9]。值得注意的是， FPR1 与脂质代谢关键酶 SCAD （短链酰基辅酶A脱氢酶）的交互作用可通过 FPR1-hnRNP U-GR （异质核糖核蛋白U-糖皮质激素受体）复合体激活 SCAD 的转录活性，从而增强肝细胞线粒体 β 氧化能力，改善能量代谢稳态并缓解肝脏脂质沉积[10]。尽管目前尚未明确揭示 FPR1 对糖酵解的直接调控机制，但同家族的 FPR2 已被证实通过 Nox2/ROS/HIF-1α 信号轴增强丙酮酸脱氢酶（ PDH ）活性，从而促进葡萄糖的有氧代谢[11]。同时， FPR2 通过 mTORC1/SP1-FOXM1 通路将葡萄糖和谷氨酰胺重定向至核苷酸与脂肪酸合成等合成代谢途径，驱动肺癌细胞增殖[12]。这一发现为FPR1在巨噬细胞中通过代谢重编程（如糖酵解激活与乳酸化修饰）调控免疫表型（如 M1 极化）的潜在作用提供了跨受体功能类比依据。此外， FPR1 功能异常（如348T/T 基因型）通过趋化信号缺陷导致中性粒细胞迁移受阻，引发细菌定植及慢性炎症累积，最终加剧牙周组织破坏[13]。
糖酵解衍生的乳酸不仅是能量代谢产物，还可通过组蛋白乳酸化修饰调控基因转录[14]。瓦博格效应（有氧糖酵解）是炎症性巨噬细胞的代谢标志，其关键酶 HK2 和LDHA 的高表达显著增加乳酸生成。研究证实，乳酸既可通过组蛋白H3K18位点的乳酸化修饰增强 Arg1 等基因表达，驱动巨噬细胞向 M2 表型极化[15]，也可能直接通过MAVS 蛋白促进 NLRP3 寡聚化，并通过乳酸化修饰调控炎症基因表达，进而使巨噬细胞向 M1 表型极化[16]。在肿瘤微环境中，乳酸化修饰已被证实可重塑巨噬细胞表型，形成免疫抑制微环境[17]。国内学者在病毒研究中发现，宿主细胞糖酵解为病毒复制提供原料，同时代谢产物可能通过表观遗传机制调控免疫应答，这一发现为牙周炎中代谢-表观遗传交互网络的研究提供了新视角[18]。
       牙周炎的病理特征与巨噬细胞极化失衡密切相关。动物模型显示，高糖酵解活性的巨噬细胞通过分泌 IL-6、RANKL 等因子激活破骨细胞，加速牙槽骨流失[19]。近期提出的“代谢-表观遗传”轴概念强调，糖酵解衍生的乳酸可通过乳酸化修饰改变染色质可及性，进而调控极化相关基因（如 IRF5、PPARγ ）的表达[20]。例如， HIF-1α 通过上调糖酵解酶表达促进乳酸生成，同时增强组蛋白乳酸化修饰，形成正向反馈环路[21]。然而， FPR1 是否参与这一调控网络仍属未知。
       当前研究仍存在显著空白。首先， FPR1 与糖酵解的具体关联机制需进一步验证，例如其是否通过 PI3K/Akt或MAPK 通路调控葡萄糖摄取及乳酸生成。其次，牙周炎不同阶段的乳酸化修饰位点差异尚未解析，而 FPR1 的表达动态是否影响修饰位点的时空特异性值得探讨。此外，靶向代谢重编程的治疗策略（如二甲双胍或天然化合物芦丁）在牙周炎中的应用潜力待验证。国内研究显示，芦丁通过调控 Pcbp1 抑制巨噬细胞铁死亡，但其是否通过 FPR1 影响糖酵解-乳酸化轴仍需实验支持。
       综上所述， FPR1 在巨噬细胞代谢重编程与表观遗传修饰中的双重作用为牙周炎研究提供了新方向。未来需整合单细胞测序、代谢组学及表观遗传编辑技术，阐明 FPR1 -糖酵解-乳酸化修饰轴的具体机制，为开发靶向代谢免疫调节的牙周治疗策略奠定理论基础。
Reference
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1.创新点
       本研究立足于牙周炎免疫稳态调控这一前沿领域，创新性地从代谢重编程视角切入，系统探讨FPR1通过乳酸化修饰途径调控巨噬细胞极化在牙周炎病理进程中的分子机制。基于多组学整合分析策略（整合基因组学、转录组学和代谢组学），首次揭示 FPR1 作为风险基因在口腔微环境中的双重调控作用：一方面通过 G 蛋白偶联受体信号轴介导炎症级联反应，另一方面通过调控糖酵解-三羧酸循环代谢转换影响表观遗传修饰。值得关注的是，本研究突破性地构建了"受体-代谢-表观遗传"三维调控网络，不仅拓展了 FPR1 生物学功能的认知边界，更为重要的是为牙周炎提供了从代谢干预到免疫重塑的精准治疗范式。
      在理论创新层面，本研究实现三点突破：其一，首次建立 FPR1 基因多态性与牙周组织特异性炎症应答的剂量效应关系；其二，阐明乳酸化修饰介导的组蛋白密码重编程在巨噬细胞 M1/M2 极化转换中的枢纽作用；其三，创新性提出"代谢检查点"概念，揭示线粒体代谢流重定向调控表观遗传修饰的新机制。这些发现为开发基于代谢组学标志物的早期诊断体系，以及靶向 FPR1 信号通路的纳米载药系统提供了坚实的理论基础。
2.项目特色
      我们的项目构建了“基因筛选-遗传因果-表观机制-功能表型”的全链条闭环研究模式，这一模式具有高度的系统性和逻辑性。通过基因筛选，能够从众多基因中精准定位与牙周炎相关的关键基因 FPR1 ；接着深入研究其遗传因果关系，明确基因与疾病之间的内在联系；再从表观机制层面探究基因表达调控的机制；最后验证其功能表型，全面揭示 FPR1 在牙周炎症微环境中的作用。这种全链条闭环的研究方式突破了传统炎症研究框架，传统研究往往只关注单一环节或层面，而本项目将各个环节紧密相连，形成一个完整的研究体系。
1.技术路线
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       图1：多组学分析鉴定FPR1为巨噬细胞糖酵解-乳酸化修饰-极化调控网络的枢纽基因流程图


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     图2：实验验证FPR1调控糖酵解-乳酸化修饰轴促进牙周炎中巨噬细胞向M1极化流程图

时间安排
研究内容（分期目标）
2025.6-2026.1
       基于牙周炎患者牙龈组织样本，通过多组学联合分析（ FPR1 蛋白检测、非靶向代谢组学）明确 FPR1 表达与糖酵解代谢物（如丙酮酸、乳酸）的临床相关性，构建 ROC 曲线评估 FPR1 对活动期骨吸收的预测价值，为靶向 FPR1 的代谢干预策略提供数据支撑，验证其作为新型生物标志物和治疗靶点的双重潜力。
2026.2-2026.8
       在生物信息学和临床研究的框架下，通过敲低/过表达巨噬细胞炎症模型深入探究FPR1在调控糖酵解-乳酸化修饰轴中的表观遗传机制。基于对细胞胞外酸化率以及代谢产物的动态监测，揭示FPR1对糖酵解相关基因表达的精确调控。通过多维度证据证实FPR1在糖酵解过程中的关键作用，建立代谢重编程与免疫表型之间的直接联系，为后续的体内研究提供了坚实的分子靶点依据。
2026.9-2026.12
       通过 FPR1 抑制/激活小鼠牙周炎模型，系统性探究 FPR1 介导的糖酵解-乳酸化轴在巨噬细胞极化中的调控作用。结合单细胞转录组技术，解析 FPR1+ 巨噬细胞在牙周组织中的异质性分布、代谢特征及其与成骨细胞、成纤维细胞的乳酸依赖性互作网络，揭示乳酸代谢重塑微环境促进炎症进展和骨吸收的时空动态机制。
2027.1-2027.6
       总结实验数据，撰写论文，发表文章。

1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
1) 单细胞与 Bulk 测序的跨尺度整合：
      本研究基于8例牙周炎患者牙龈组织的单细胞转录组测序数据（图3A-B），系统性解析了组织微环境中细胞亚群的代谢表型异质性。通过 AddModuleScore 评分体系，首次在巨噬细胞、成纤维细胞及上皮细胞中量化糖酵解-乳酸化代谢活性（图3C），并依据评分阈值将其划分为高代谢活性组与低代谢活性组（图3D）。且结果显示巨噬细胞相比于其他免疫细胞，展示出较高的糖酵解-乳酸化代谢活性（图3E），揭示了牙周炎免疫微环境中乳酸蓄积为特征的代谢重编程细胞异质性规律。
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          图3：AddModuleScore 算法用于捕捉scRNA-seq糖酵解和乳酸化修饰相关基因
       基于 WGCNA 算法对单细胞和 Bulk RNA-seq 数据进行整合分析，采用软阈值β=9成功构建了符合无尺度分布特征的共表达网络（图4A，D）。通过动态剪切树算法，从基因共表达网络中系统筛选出25个功能高度协同的基因模块（图 4B ）。其中，MEdarkgreen 模块（包含54个核心基因）展现出显著的表型关联特征：该模块与巨噬细胞M0静息态表型呈现极强正相关性（ Pearson's r =0.39， P =3×10⁻¹⁰），同时与激活态 M1 （ r=-0.2 ， P=0.002 ）和M2 （ r=-0.14 ， P=0.03 ）极化表型呈显著负相关（图4C）。这种独特的正负双向关联模式提示， MEdarkgreen 模块可能通过调控特定信号通路网络，参与巨噬细胞从静息态向功能活化态转变的关键生物学过程，或可作为干预巨噬细胞极化动态平衡的重要分子靶标群。
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                 图4：构建巨噬细胞糖酵解与乳酸化修饰相关基因加权基因共表达网络
       交叉分析发现， MEdarkgreen 模块基因与牙周炎 Bulk RNA-seq 差异表达基因存在28个重叠基因（图5A，B）。巨噬细胞糖酵解和乳酸化修饰相关基因（ Macrophages Glycolysis and Lactation Associated Genes , MGLAGs ）的 STRING 互作网络显示，MGLAGs 间的蛋白互作关系紧密（图5C），功能富集于巨噬细胞活化、吞噬作用（图5D，E），提示该基因簇可能通过代谢-免疫交叉调控网络驱动牙周炎进展。基于MGLAGs 表达谱的共识聚类分析将患者分为两个亚型（图5F）：亚型1呈现亚油酸代谢与氨基酸代谢的显著激活（图5G），且 M1 型巨噬细胞比例较亚型 2 出现显著升高，而M2 巨噬细胞比例亦出现代偿性上调（图5H）。提示糖酵解来源的乳酸可能通过表观遗传重编程解除免疫抑制基因沉默，进而放大 M1/M2 双极化表型以加剧炎症微环境失衡。该发现为靶向代谢-表观调控轴干预牙周炎提供了新理论依据。
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                      图5：MGLAGs可能影响巨噬细胞由M0静息态向M1/M2转变
2) 机器学习驱动的标志物筛选、孟德尔随机化因果验证与多队列稳健性分析
       本研究采用 Lasso 、 SVM-RFE 、 RF 及 XGBoost 四种机器学习算法，对28个MGLAGs 进行牙周炎生物标志物的系统性筛选。 Lasso 回归基于最小化均方误差准则，筛选出18个非零系数基因（图6A,B）； SVM-RFE 算法通过5次交叉验证优化特征子集，鉴定出7个关键基因，模型分类准确率达0.921,错误率为0.079(图6C，D)； RF 与 XGBoost 基于基尼指数与信息增益评估特征重要性，分别筛选出前10个高权重基因(图6E-G)。通过多算法结果交叉比对，最终锁定5个跨模型一致性基因（ARHGDIB 、 C3 、 SERPINA1 、 MMP9 、 FPR1），可作为牙周炎诊断与分型的潜在多维度标志物(图6H)。
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                        图6：多种机器学习算法应用于核心基因筛选
        研究筛选出 FPR1 、 MMP9 和 SERPINA1 为符合孟德尔随机化假设的候选基因，其中 FPR1 基因表达水平升高与牙周炎发病风险显著正相关（ IVW ： OR=1.26 ，95% CI=1.05-1.51 ， P=0.01）（图7A），且通过异质性检验（ Cochran's Q P=0.32 ）与水平多效性检验（ MR-Egger截距P=0.73 ）。SMR分析进一步证实FPR1对牙周炎的直接调控（ β=0.27，P=0.021 ）（图7B,C），HEIDI 检验排除基因座多效性（ P=0.17 ）。多个人类队列研究显示患者牙龈组织中 FPR1 高表达，诊断效能显著优于传统标志物（ AUC大于0.8 ）（图7D-H）。非人灵长类模型验证 FPR1 表达谱跨物种保守性（ AUC=0.73 ）（图7I）。多组学论证，构建 FPR1 的“遗传推断-跨物种验证-机制解析”全维度证据链。
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               图7：遗传关联研究和多队列验证显示FPR1具有较强的诊断价值
3) FPR1+巨噬细胞亚群功能异质性及其在牙周炎病理进程中的调控作用
       单基因 GSEA 富集分析显示， FPR1 与缺氧应激、组蛋白修饰及炎症信号通路存在显著关联（图8A,B）。进一步对巨噬细胞进行亚群划分发现， FPR1+巨噬细胞相较于其他亚群呈现显著的功能特征偏移：其 M1 极化标志物 IL-1β 表达上调，同时糖酵解关键调控因子 GLUT3 （介导葡萄糖转运）、 HIF1A （缺氧诱导因子）及 PFKFB3 （磷酸果糖激酶调节酶）的协同高表达，提示该亚群通过"Warburg效应"增强能量代谢以维持促炎表型（图8E）。细胞通讯网络分析揭示， FPR1+ 巨噬细胞作为信号受体时， GAS6-AXL 通路活性降低导致抗炎与组织修复能力受损，而 IL-2 受体复合物（ IL-2RB/IL-2RG ）及 PTPRC-MRC1 信号通路的抑制则分别削弱免疫稳态调控和胞葬功能，可能导致凋亡细胞清除障碍。值得注意的是，该亚群通过 VEGFC-VEGFR2R3 轴促进血管通透性增加及免疫细胞浸润，同时 LTA-TNFRSF1A 信号通路的异常激活与IL-1β 过表达形成正反馈环路，共同驱动牙槽骨吸收及牙龈基质降解（图8D）。这些发现系统阐释了 FPR1+ 巨噬细胞通过代谢重编程-信号传导-效应输出的多维度调控机制，为牙周炎病理进展提供了新的治疗靶点。
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                    图8：FPR1＋巨噬细胞可能影响牙周组织抗炎与组织修复能力

 
      在“糖酵解-乳酸化修饰-极化调控网络”的机制解析中， 目前研究团队缺少相关证据明确糖酵解代谢产物乳酸通过组蛋白乳酸化修饰是否能调控染色质开放状态（如IL-1β/TNF启动子区域）等相关机制驱动巨噬细胞极化；且乳酸化修饰的时空特异性不清晰，缺乏对组蛋白或非组蛋白乳酸化修饰位点的直接证据，难以解析其与 M1/M2 极化标志基因表达的因果关联；但课题组目前准备进一步开展相关实验，验证我们的前期成果的稳健性。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 无 5600.00 4400.00
1. 业务费 5000.00 购买关键实验材料、测试费用等 2600.00 2400.00
（1）计算、分析、测试费 2000.00 Micro-CT 等仪器测试费 1500.00 500.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 1000.00 参加相关学术会议 500.00 500.00
（4）文献检索费 1000.00 文献查阅检索、资料复印 600.00 400.00
（5）论文出版费 1000.00 发表论文版面费 0.00 1000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 5000.00 购买抗体、抑制剂、培养基、血清等实验材料 3000.00 2000.00
结束

用户单位： 济宁医学院        

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