Autophagy-related genes analysis reveals prognostic biomarkers for peripheral artery disease

Abstract

Background: There is still a lack of understanding regarding the role of autophagy and autophagy-related genes (ATGs) in peripheral arterial disease (PAD); their involvement in PAD could have important implications. Our study aims to examine the associations between ATGs, autophagy and PAD, as well as discover potential biomarkers for PAD prognosis. Methods: ATGs involved in autophagy were analysed using the GSE57691 dataset for differential expression in PAD. Quantitative real-time polymerase chain reaction was used to validate the expression of these ATGs in our Lauflabor registry. The autophagy activity of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from Lauflabor participants was determined by the analysis of autophagic markers (beclin-1, P62, and LC3B). The immune microenvironment within the artery wall of PAD patients and healthy individuals were evaluated by single sample gene set enrichment analysis (ssGSEA). The chemokines in participants' plasma were assessed using an antibody array and enzyme-linked immunosorbent assay. Gardner protocol was used to assess participants' walking capacity, including pain-free walking distance, maximum walking distance, and walking time. Results: A set of 20 marker ATGs were found decreasingly expressed in both GSE57691 and our PAD participants. PBMCs obtained from PAD patients had significantly reduced levels of autophagic marker proteins (beclin-1 and LC3BII) according to Western blot analysis. ssGSEA analysis revealed a strong correlation between most ATGs and immune-related pathway, especially the cytokine-and-cytokine receptor (CCR) interactions. Notably, the plasma of PAD patients exhibited higher level of chemokines GRO and NAP2, which also displayed a noteworthy inverse relationship with walking distance as evaluated through Gardner treadmill testing. Finally, NAP2 (the area under the curve of the receiver operating characteristic, AUC: 0.743) exhibited higher prognostic efficacy about impaired walking capacity compared with GRO (AUC: 0.701). Conclusions: In summary, a major finding of these studies is that autophagy and ATGs play an important role in PAD and are linked to vascular inflammation (chemokine production). Especially, among PAD patients, chemokine NAP2 emerged as a novel biomarker for predicting impaired walking ability.

Hintergrund: Die Rolle der Autophagie und autophagiebezogener Gene (ATGs) bei der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit (pAVK) ist unklar; Ihre Beteiligung an pAVK könnte jedoch eine wichtige Rolle bei der Genese der Krankheit haben. Ziel dieser Studie ist es daher, den Zusammenhang zwischen ATGs, Autophagie und pAVK zu untersuchen und potenzielle Biomarker für die pAVK-Prognose zu identifizieren. Methoden: Eine differentielle Expression der Autophagie-bezogenen Gene (ATGs) in arteriellen -Gewebe wurde für pAVK unter Verwendung des Datensatzes GSE57691 untersucht. Die Expression deregulierter ATGs in mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMCs) wurde dann bei Teilnehmern aus unserem Lauflabor-Register Studie durch quantitative Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (qRT-PCR) validiert. Nachfolgend wurde die Autophagieaktivität von Lauflabor-Teilnehmern durch die Analyse von Autophagie-Markerproteinen (Beclin-1, P62 und LC3B) bewertet. Die Immunmikroumgebung innerhalb der Arterienwand von PAD-Patienten und gesunden Personen wurde mithilfe einer Single Sample Gene Set Enrichment Analysis (ssGSEA) bewertet. Mithilfe eines Chemokin-Antikörper-Arrays und eines enzymgebundenen Immunosorbens-Assays (ELISA) wurden die Chemokinkonzentrationen im Plasma der Teilnehmer ermittelt. Die Gehfähigkeit der Teilnehmer, einschließlich schmerzfreier Gehstrecke, maximaler Gehstrecke und Gehzeit, wurde durch Laufbandtests nach dem Gardner-Protokoll bewertet. Ergebnisse: Im GSE57691 Datensatz wurde bei pAVK-Patienten 20 deregulierte ATGs mit abnehmender Expression identifiziert. Die Western-Blot-Analyse bestätigte einen deutlichen Rückgang der Autophagie-Markerproteine (Beclin-1 und LC3BII) inPBMCs von PAD-Patienten. Die ssGSEA-Analyse ergab eine starke Korrelation zwischen den meisten ATGs und immunbezogenen Signalwegen, insbesondere für Zytokin- und Zytokinrezeptor (CCR)-Wechselwirkungen. Bei pAVK-Patienten zeigten zudem eine stärkere Infiltration von Immunzellen und eine erhöhte Aktivität immunbezogener Signalwegen. Hier zeigte das Plasma von pAVK-Patienten eine höhere Konzentration der Chemokine GRO und NAP2. , die Bemerkenswerterweise zeigten unsere Analysen einen umgekehrten Zusammenhang zwischen der Konzentration von GRO und NAP2 und der schmerzfreien und maximalen Gehstrecke bei pAVK-Patienten. NAP2 (AUC: Zusammenfassung 2 0,743) hatte hier im Vergleich zu GRO (AUC: 0,701) eine höhere prognostische Wirksamkeit hinsichtlich der eingeschränkter Gehfähigkeit. Schlussfolgerungen: Zusammenfassend unterstreichen diese Ergebnisse eine wichtige Rolle von Autophagie und ATGs bei pAVK und bringen sie mit Gefäßinflammation (Expression von Chemokinen) in Verbindung. Insbesondere das Chemokin NAP2 konnte als ein neuer Biomarker für pAVK identifiziert werden, welcher auch zur Vorhersage einer beeinträchtigten Gehfähigkeit im Gardner-Laufbandtest verwendet werden kann.