电化学传感器和生物信息学技术用于分析葡萄膜黑色素瘤中与瓦尔堡效应相关的转移现象及预后生物标志物

《Microchemical Journal》：Electrochemical sensors and bioinformatics used for analyzing Warburg effect-associated metastasis and prognostic biomarkers in uveal melanoma

眼底黑素瘤（UM）代谢重编程及电化学传感器检测研究，基于GSE73652数据集通过差异表达分析、功能富集及蛋白互作网络，发现ANLN、FOXM1等基因与瓦氏效应相关，验证其在UM转移及预后中的价值，并探讨电化学传感器检测这些生物标志物的潜力。

　　

杨彦华|邵成良

中国浙江省杭州市富阳区第一人民医院眼科，311400

摘要

葡萄膜黑色素瘤（UM）是最常见的原发性眼内恶性肿瘤，以其侵袭性的转移倾向而闻名，这增加了治疗的复杂性并降低了生存率。与许多癌症一样，UM也表现出代谢重编程现象，包括瓦尔堡效应（Warburg effect），其特征是在有氧条件下仍会增加糖酵解。为了开发针对瓦尔堡效应的靶向疗法，需要进一步研究其在UM转移中的作用。电化学传感器具有高灵敏度、高特异性和快速检测能力，对疾病管理（从诊断到治疗监测和预后评估）起着至关重要的作用。本研究旨在利用生物信息学方法识别与转移、预后和瓦尔堡效应相关的新生物标志物，并探讨电化学传感器在UM检测中的潜力。研究使用GSE73652数据集进行差异表达分析、功能富集分析和蛋白质-蛋白质相互作用网络分析，以发现和验证与瓦尔堡效应相关的UM生物标志物，从而促进靶向诊断和治疗的发展。通过结合TCGA-UVM队列的生存分析，验证了这些生物标志物的临床预后价值。本研究还探讨了电化学传感器在检测这些生物标志物方面的应用潜力及其在医学检测中的优势和挑战。研究发现，与瓦尔堡效应相关的基因在UM转移中起着重要作用，并为电化学传感器在UM检测中的应用提供了理论基础。可以开发电化学传感器来检测这些生物标志物，实现UM的早期诊断和预后评估。电化学传感器凭借其高灵敏度、高特异性和快速检测特性，在UM的早期诊断和预后评估中具有重要的应用前景。

引言

葡萄膜黑色素瘤（UM）是成人中最常见的原发性眼内恶性肿瘤，以其侵袭性的转移行为而著称，尤其是转移到肝脏，这是UM相关死亡的主要原因。这凸显了改进诊断和治疗策略的必要性。基因表达谱分析（GEP）的进步提高了我们对UM异质性的理解，将肿瘤分为1类（低转移风险）和2类（高风险）。然而，约15%的1类患者仍会发生转移，表明需要更可靠的生物标志物来细化风险分层并改善患者预后。瓦尔堡效应是癌症的代谢特征，表现为从氧化磷酸化向有氧糖酵解的转变，从而促进肿瘤生长、侵袭和转移[3]。在UM中，代谢重编程已被证实与疾病进展有关，但与瓦尔堡效应相关的基因在转移和预后中的具体作用仍不清楚[4]。

先前的转录组研究已经确定了UM中的关键基因改变，包括高风险病例中的BAP1突变，但缺乏整合瓦尔堡效应基因的全面分析[5]。生物信息学方法已在其他癌症中发现了代谢生物标志物，但其在UM中的应用仍然有限[[6], [7], [8]]。电化学传感器是一种先进的设备，利用电化学原理高效准确地检测生物样本。它们将生化事件转化为电信号，通过监测电化学参数的变化实现目标分析物的快速、灵敏和特异性检测。纳米技术、生物技术和微电子技术的进步推动了电化学传感器的发展。这些传感器在现代医学中发挥着重要作用，从早期疾病诊断到治疗监测和疾病预后评估。在肿瘤标志物检测方面，电化学传感器可以检测血液中的低浓度标志物，有助于早期癌症诊断。它们的灵敏度对于在恶性肿瘤早期阶段识别生物标志物至关重要。除了肿瘤学领域，它们还可以监测葡萄糖和乳酸等关键代谢物，支持糖尿病等代谢性疾病的管理。电化学传感器的多功能性使它们成为各种医学领域的变革性工具。

在炎症标志物检测方面，电化学传感器可以快速检测血液中的C反应蛋白和白细胞介素等炎症因子，有助于及时评估炎症反应的程度，并为临床治疗提供参考。在心血管疾病检测领域，电化学传感器可以检测血液中的肌钙蛋白和肌酸激酶同工酶等心肌损伤标志物，这对于急性心肌梗死等心血管疾病的早期诊断具有重要意义。在神经退行性疾病检测方面，电化学传感器可以检测血液或脑脊液中的β-淀粉样蛋白和tau蛋白等神经退行性疾病标志物，为阿尔茨海默病等疾病的早期诊断和干预提供了可能性。电化学传感器在药物分析和药物监测中也非常有用。它们可以精确测量血液或尿液等复杂样本中的药物和代谢物，从而实现个性化药物治疗，优化疗效和安全性。在传染病检测方面，这些传感器可以快速灵敏地检测病毒核酸或抗原，有助于早期诊断和控制。它们的简单性、快速响应、低成本和可重复使用性使其成为广泛医学检测的理想选择。本研究旨在利用GSE73652数据集和整合瓦尔堡效应相关基因，识别葡萄膜黑色素瘤（UM）中的转移特异性生物标志物。通过差异表达分析、功能富集和PPI网络分析，研究旨在揭示UM进展的分子机制，以改善诊断并开发针对这种侵袭性眼癌的靶向疗法。

数据获取和预处理

为了研究葡萄膜黑色素瘤（UM）的转移，我们从基因表达组（GEO）数据库中获取了数据，具体来说是GSE73652数据集。该数据集来自Illumina HumanHT-12 V4.0表达微阵列，提供了来自原发性UM样本的详细基因表达谱和临床随访数据。我们重点关注1类肿瘤（低转移风险），以识别与转移相关的细微基因特征。

识别葡萄膜黑色素瘤中的转移相关转录改变

对GSE73652数据集进行全面的差异表达分析后，发现了与葡萄膜黑色素瘤转移进展相关的独特转录谱。我们发现了1992个在有无转移结果的1类肿瘤之间显著差异表达的基因（DEGs），其中814个基因上调，1178个基因下调（|log?FC| > 1，调整后的p < 0.05）。对上调的前50个和下调的前50个DEGs进行无监督层次聚类后显示……

讨论

电化学传感器彻底改变了医学诊断方法，提供了精确有效的疾病诊断和治疗手段。得益于纳米技术、生物技术和微电子技术的进步，这些传感器在早期诊断、实时治疗监测和患者预后评估中发挥着关键作用。从根本上说，电化学传感器能够检测生物样本中的电化学信号的微妙变化，实现快速、灵敏和特异性的检测。

结论

电化学传感器在医学检测领域的应用为疾病的诊断、治疗和预后提供了新的技术和方法。通过生物信息学分析，我们揭示了与瓦尔堡效应相关的基因在葡萄膜黑色素瘤肿瘤转移和预后中的重要作用，并识别了潜在的预后生物标志物，如ANLN、FOXM1、KIF20A和AURKA。最近在葡萄膜黑色素瘤（UM）方面的发现提供了重要的见解。

CRediT作者贡献声明

杨彦华：撰写——初稿，软件处理。邵成良：撰写——审阅与编辑，数据管理。

资助

本研究未获得任何资助。

未引用的参考文献

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利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。