基于CiteSpace的秀麗隱桿線蟲衰老研究可視化分析

王丹丹，胡元會，石晶晶，石樹青，程艷玲

(1.中國中醫(yī)科學(xué)院廣安門醫(yī)院心血管科,北京100053； 2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院中醫(yī)系,陜西 咸陽 712046；3.中國中醫(yī)科學(xué)院廣安門醫(yī)院南區(qū)科教處,北京 102618)

衰老是生命體的必經(jīng)過程，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)退行性變、功能衰退、適應(yīng)性和抵抗力減退等[1]。衰老亦可以簡單地定義為生理完整性的喪失和功能受損[2]。為了減少衰老對人的影響，深入探索衰老的機(jī)制對防治相關(guān)疾病具有重要意義。秀麗隱桿線蟲作為模式生物被廣泛應(yīng)用于衰老機(jī)制的研究。人們在線蟲體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了60%～80%的人體疾病相關(guān)基因[3]，這為研究人類的衰老奠定了理論基礎(chǔ)。

目前有眾多國家和機(jī)構(gòu)正在應(yīng)用秀麗隱桿線蟲作為模式生物進(jìn)行衰老機(jī)制的研究，但是各個機(jī)構(gòu)之間聯(lián)系較少，信息交流困難，無法準(zhǔn)確把握最新的研究熱點(diǎn)。CiteSpace是一款信息可視化軟件[4]，能夠通過對文獻(xiàn)進(jìn)行計量分析和制作可視化圖譜發(fā)現(xiàn)某領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿方向[5]。本研究采用CiteSpaceV5.4.R3軟件對2004—2018年應(yīng)用秀麗隱桿線蟲作為模式生物以研究衰老機(jī)制的文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，為后續(xù)研究工作提供理論參考。

1 資料與方法

1.1文獻(xiàn)來源 于Web of science核心合集(SCIE)數(shù)據(jù)庫中以(senility OR aging)AND(Caenorhabditis elegans OR C.elegans)為檢索策略檢索文獻(xiàn)，時間跨度為2004年1月至2018年12月。以純文本的格式導(dǎo)出檢索結(jié)果的全記錄(包含全部作者、標(biāo)題、來源出版物、關(guān)鍵詞及參考文獻(xiàn))與引用的參考文獻(xiàn)。

1.2研究方法 將所導(dǎo)出的數(shù)據(jù)命名為“download_***.txt”保存至文件夾“data”,并且新建“project”文件夾作為導(dǎo)出文件夾，隨后開始進(jìn)行可視化分析。時間分區(qū)(Time Slicing):2004—2018，時間切片(Years Per Slice)：2年。根據(jù)不同的分析目的設(shè)置不同的節(jié)點(diǎn)類型。選擇標(biāo)準(zhǔn)(Selection Criteria):將TOP N設(shè)置為50，剪切方式(Pruning)采用Pathfinder法[6]。

2 結(jié) 果

2.1檢索結(jié)果 檢索共獲得2004—2018年關(guān)于衰老和秀麗隱桿線蟲研究的文獻(xiàn)3 944篇，被引頻次總計202 050，H指數(shù)為196，平均引用次數(shù)51.23次。年度發(fā)文量均在120篇以上，2014年和2017年是發(fā)文高峰年，見圖1。

圖1 年度發(fā)文量

2.2可視化分析

2.2.1重點(diǎn)國家和機(jī)構(gòu)分布 用軟件生成國家和機(jī)構(gòu)合作圖譜，其中N=150，E=161(N：節(jié)點(diǎn)數(shù)；E：連線數(shù))，見圖2。中心性與發(fā)文量排名前5的機(jī)構(gòu)和國家見表1、2，在該領(lǐng)域占主要地位的是美國、英國、德國。英國倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)是該領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)，主要研究方向?yàn)樽允膳c線蟲衰老之間的聯(lián)系。

2.2.2作者共被引情況 作者共被引圖譜可以體現(xiàn)該領(lǐng)域中較有影響力的研究團(tuán)隊(duì)和具有潛在合作可能的作者信息，幫助各個機(jī)構(gòu)建立合作關(guān)系，其中N=118，E=118，見圖3。中心性最高的作者是Holzenberger M，被引頻次最高的作者是Kenyon C，他們發(fā)表的文章被大量引用，在線蟲衰老機(jī)制的研究中具有一定影響力，見表3。

2.2.3熱點(diǎn)詞匯分析

2.2.3.1關(guān)鍵詞聚類分析 按中心性和出現(xiàn)頻次排序靠前的關(guān)鍵詞有胰島素、磷脂酰肌醇-3-激酶、飲食限制、氧化應(yīng)激。用軟件對關(guān)鍵詞采用對數(shù)似然率算法進(jìn)行聚類分析，最終形成了16個聚類，見圖4。其中Silhouette值(S值)是同質(zhì)性的指標(biāo)，越接近于1則網(wǎng)絡(luò)的同質(zhì)性越高。Modularity(M值)為網(wǎng)絡(luò)的模塊度，值越大則網(wǎng)絡(luò)的聚類結(jié)果越好。本次聚類S值為0.599 4，M值Q為0.791 9，聚類結(jié)果較好。按每個聚類的S值由高到低排序，見表4。

2.2.3.2關(guān)鍵詞時間線圖 時間線圖譜主要側(cè)重于描述聚類之間的關(guān)系和某個聚類中關(guān)鍵詞的歷史跨度，使用軟件中時間線功能分析關(guān)鍵詞的聚類結(jié)果，見圖5。

圖2 國家和機(jī)構(gòu)合作圖譜

表1 中心性及發(fā)文量最多的前5個機(jī)構(gòu)

表2 中心性及發(fā)文量最多的前5個國家

2.2.4期刊及文獻(xiàn)共被引 運(yùn)用軟件進(jìn)行期刊共被引分析得到N=80,E=41的可視化圖譜(圖6)，中心性排名前5的期刊為Science、Nature、Mech Ageing Dev、Cell、J Bio Chem；共被引頻次排名前5的期刊為Nature、Science、Proc Natl Acad Sci U S A、Cell、Aging Cell。綜合分析，Nature、Science、Cell發(fā)表相關(guān)文章較多。運(yùn)用軟件進(jìn)行文獻(xiàn)共被引分析得到N=219,E=204的可視化圖譜(圖7)，共被引頻次最高的是Kenyon C于2010年在Nature上發(fā)表的文章，中心性排名最高者為Kapahi P于2004年在Curr Biol上發(fā)表的文章。

3 討 論

目前，美國、英國、德國在該領(lǐng)域仍占主導(dǎo)地位。英國倫敦大學(xué)是該領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)，哈佛大學(xué)發(fā)文量最多。中國發(fā)文量為320篇，排名第四，說明我國在衰老及秀麗隱桿線蟲領(lǐng)域有一定貢獻(xiàn)，但是與其他國家機(jī)構(gòu)缺乏合作，有待進(jìn)一步提高。

圖3 作者共被引圖譜

表3 被引頻次及中心性前5的作者

圖4 關(guān)鍵詞聚類圖譜

表4 各聚類主要內(nèi)容

圖5 關(guān)鍵詞時間線圖譜

圖6 期刊共被引圖譜

在作者共被引圖譜中，中心性最高的Holzenberger等[7]研究證明壽命的調(diào)節(jié)過程可能以一種非細(xì)胞自主的方式進(jìn)行，而神經(jīng)系統(tǒng)可能在其中發(fā)揮核心作用。被引頻次最高的Hsin和Kenyon[8]的研究揭示了生殖狀態(tài)與壽命的聯(lián)系，其間產(chǎn)生的信號可能對生殖能力和壽命的共同進(jìn)化產(chǎn)生影響。以上兩位學(xué)者發(fā)表的文獻(xiàn)被大量引用，他們的科研成果可為該領(lǐng)域的研究人員提供一定指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞是對文章內(nèi)容的高度概括，是對文章主體的反映[9]。聚類分析能夠根據(jù)指標(biāo)間的相似程度進(jìn)行類別劃分，可以對多指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計[10]。分析關(guān)鍵詞時間線圖可以明確衰老領(lǐng)域中

圖7 文獻(xiàn)共被引圖譜

秀麗隱桿線蟲研究的歷史，從而推測未來可能的研究方向。從時間軸上分析，2004—2006年是該領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)階段，研究關(guān)鍵詞為衰老基因表達(dá)、氧化應(yīng)激、飲食限制、胰島素受體等。2006—2012年是該領(lǐng)域發(fā)展的繁榮時期，2006年新出現(xiàn)關(guān)于線蟲滯育的研究，2008年出現(xiàn)雷帕霉素受體、Sirtuin蛋白、限制誘導(dǎo)長壽等研究，2010年開始研究熱量限制、干細(xì)胞、胰島素抵抗，2012年的熱點(diǎn)是線蟲應(yīng)激反應(yīng)、氧化損傷、自噬[11]等。這些研究促進(jìn)了胰島素通路學(xué)說、線粒體呼吸鏈學(xué)說、自噬學(xué)說的進(jìn)一步發(fā)展。2012—2018年反映了該領(lǐng)域近期研究現(xiàn)狀，主要圍繞抗氧化劑、蛋白質(zhì)平衡、帕金森病模型、神經(jīng)退行性疾病等方面展開探索，為未來的相關(guān)研究指明了方向。

本研究共被引頻次最高的期刊是Nature和Science。共被引頻次最多的文獻(xiàn)為Kenyon[12]的文章，闡述了與衰老相關(guān)的基因與通路，解釋了胰島素通路、自噬及Sirtuin蛋白家族等的作用方式。中心性排名最高的文獻(xiàn)為Kapahi等[13]的文章，認(rèn)為壽命的延長取決于營養(yǎng)狀況，闡明了雷帕霉素通路和飲食限制之間可能存在聯(lián)系，奠定了該通路的研究基礎(chǔ)。

衰老的機(jī)制主要可歸納為以下幾種學(xué)說：①自由基氧化學(xué)說[14]，隨著年齡的增長，人體內(nèi)抗氧化酶的活性下降，無法清除產(chǎn)生的氧化劑，可導(dǎo)致蛋白質(zhì)、脂類和DNA的不可逆損害，最終引起衰老[15]。②線粒體衰老學(xué)說[16]，人線粒體DNA呈環(huán)狀，沒有組蛋白和內(nèi)含子，極易受到氧化劑的損傷發(fā)生突變[17]，而線粒體的功能穩(wěn)定是維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的必要條件，目前線粒體DNA受損被描述為人類病理學(xué)和衰老的標(biāo)志。③端粒衰老學(xué)說[18]，端粒存在于真核細(xì)胞線狀染色體末端，與端粒結(jié)合蛋白一起保證染色體的完整性和控制細(xì)胞分裂周期，其縮短程度被認(rèn)為是人類和小鼠衰老最主要的機(jī)制之一[19]。④熱量限制學(xué)說[20]，熱量限制指在保證生物體不發(fā)生營養(yǎng)不良的情況下，限制每日攝取的總熱量，對細(xì)胞氧化損傷具有非常廣泛的保護(hù)作用，同時可增強(qiáng)抗氧化防御機(jī)制的作用，可以在衰老過程中保持氧化還原平衡[21]。⑤自噬學(xué)說[22]，線粒體DNA功能的年齡相關(guān)變化可能是巨噬細(xì)胞在識別、處理嚴(yán)重?fù)p傷的線粒體時功能障礙的結(jié)果。因此，藥物刺激自噬可能抑制年齡相關(guān)的變化[23]。與這些學(xué)說相關(guān)的分子機(jī)制主要有胰島素/胰島素樣生長因子1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白通路、Sirtuin蛋白家族、促分裂原活化的蛋白激酶通路等。與可視化圖譜相結(jié)合分析，該領(lǐng)域的主要研究方向?yàn)榭寡趸瘎?、神?jīng)遞質(zhì)、自噬及熱量限制等對壽命的影響，主要的研究熱點(diǎn)有壽命控制、健康老齡化、抗氧化應(yīng)激性、線粒體功能及自噬、神經(jīng)退化、活性氧類、飲食控制、氧化還原調(diào)節(jié)等。

綜上所述，通過對衰老研究領(lǐng)域中應(yīng)用秀麗隱桿線蟲的文獻(xiàn)進(jìn)行計量分析和可視化圖譜的制作，為今后的科研方向提供了新的思路，對以秀麗隱桿線蟲作為模式動物探究衰老機(jī)制的研究起到指導(dǎo)和推動作用。