《Microchemical Journal》：Molecular mechanism of immunosuppressive microenvironment driven by inflammation in colon adenocarcinoma based on electrochemical sensors: the role of MMP7 protein molecule
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本研究整合TCGA結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，通過生物信息學(xué)篩選差異基因并揭示炎癥-EMT-免疫抑制軸的分子機制，發(fā)現(xiàn)MMP7、CXCL8和SNAI1等關(guān)鍵分子，并利用納米材料增強的電化學(xué)傳感器實現(xiàn)痕量檢測，為臨床診斷提供新策略。
吳德豪|林思陽|林毅|柯秋青|黃學(xué)平|盧世云
福建省醫(yī)科大學(xué)勝利臨床醫(yī)學(xué)院胃腸病學(xué)系，中國福建省福州市350000
摘要
電化學(xué)傳感器在腫瘤標(biāo)志物檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，這得益于它們的高靈敏度、快速響應(yīng)、微型化以及低成本特性。特別是在結(jié)直腸癌等實體瘤的液體活檢中，經(jīng)過抗體或適配體功能化的電化學(xué)傳感平臺已被用于超靈敏度檢測關(guān)鍵生物標(biāo)志物（如MMP7、CXCL8和PD-L1），為早期疾病篩查、療效監(jiān)測和預(yù)后評估提供了可行的方法。本研究整合了公共數(shù)據(jù)庫中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，結(jié)合生物信息學(xué)方法篩選差異表達基因，并進行了功能富集和通路分析，以識別驅(qū)動炎癥誘導(dǎo)的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）和免疫微環(huán)境重塑的核心調(diào)控節(jié)點。結(jié)果顯示，MMP7、CXCL8和SNAI1等分子在結(jié)腸腺癌組織中顯著上調(diào)，且與炎癥反應(yīng)、細(xì)胞遷移和免疫檢查點激活密切相關(guān)，表明它們作為多維生物標(biāo)志物組合的潛在價值。從醫(yī)學(xué)檢測的角度來看，這些分子與電化學(xué)傳感器的檢測目標(biāo)高度契合：MMP7可作為EMT和侵襲性的功能指標(biāo)，CXCL8反映局部炎癥負(fù)荷，而與免疫相關(guān)的分子可用于評估對免疫治療的反應(yīng)。利用納米材料增強的電化學(xué)免疫傳感器，可以實現(xiàn)血清或組織液中這些蛋白質(zhì)的微量定量，顯示出良好的臨床應(yīng)用前景。該研究不僅揭示了結(jié)腸腺癌中炎癥-EMT-免疫抑制軸的關(guān)鍵分子網(wǎng)絡(luò)，還強調(diào)了將這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為電化學(xué)傳感檢測策略的可行性。
引言
結(jié)直腸癌（CRC）在全球癌癥發(fā)病率中排名第三，在癌癥死亡率中排名第二。結(jié)腸腺癌（COAD）作為主要的組織學(xué)亞型，占據(jù)了絕大多數(shù)CRC病例。盡管在篩查、手術(shù)、化療、靶向治療和免疫治療方面取得了進展，但晚期CRC患者的預(yù)后仍然較差，復(fù)發(fā)率較高且治療抵抗性強。腫瘤微環(huán)境（TME）——包括基質(zhì)纖維母細(xì)胞、免疫細(xì)胞、內(nèi)皮結(jié)構(gòu)、細(xì)胞外基質(zhì)和信號分子——對腫瘤的發(fā)生、侵襲、轉(zhuǎn)移、治療反應(yīng)和生存具有關(guān)鍵影響。癌細(xì)胞與TME成分之間的雙向相互作用會促進或抑制惡性進展，成為結(jié)直腸腫瘤學(xué)中治療干預(yù)和生物標(biāo)志物開發(fā)的關(guān)鍵靶點[3]、[4]。TME內(nèi)的慢性炎癥創(chuàng)造了促進腫瘤發(fā)生、生長、侵襲和轉(zhuǎn)移的環(huán)境。炎癥介質(zhì)（包括細(xì)胞因子和趨化因子）調(diào)控復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)，影響癌細(xì)胞和基質(zhì)成分。其中，CXC趨化因子家族成員（尤其是CXCL8（IL-8）、CXCL1和CXCL2）被認(rèn)為能促進血管生成、招募免疫抑制細(xì)胞，并直接刺激癌細(xì)胞的增殖和遷移。
上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）是一種基本的生物學(xué)過程，其中上皮細(xì)胞獲得間質(zhì)特性，包括增強的運動能力、侵襲性和抗凋亡能力。EMT的實現(xiàn)涉及全面的表型重編程。上皮標(biāo)志物下調(diào)，例如E-鈣黏蛋白的丟失，這會破壞細(xì)胞間的黏附并促進細(xì)胞脫離。同時，間質(zhì)標(biāo)志物上調(diào)，包括波形蛋白和N-鈣黏蛋白，提供細(xì)胞骨架的靈活性并促進侵襲性細(xì)胞間的相互作用。主要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子（SNAIL家族成員SNAI1、SNAI2、ZEB蛋白ZEB1、ZEB2和TWIST1）通過結(jié)合啟動子抑制上皮基因程序并激活間質(zhì)級聯(lián)反應(yīng)。炎癥信號強烈觸發(fā)EMT。腫瘤微環(huán)境中含有促炎細(xì)胞因子——IL-6、TNF-α和TGF-β，它們作為EMT的誘導(dǎo)因子。這些介質(zhì)激活NF-κB、STAT3和SMAD信號通路，最終影響EMT誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子。實體瘤通過多種機制發(fā)展出免疫抑制微環(huán)境：調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的招募、髓系來源的抑制細(xì)胞的積累以及免疫檢查點分子（特別是PD-L1）的表達升高。這些檢查點與T細(xì)胞上的抑制性受體結(jié)合，減弱效應(yīng)功能并促進T細(xì)胞耗竭。其他免疫抑制因素還包括抗炎細(xì)胞因子和代謝酶。最新證據(jù)表明，炎癥信號、EMT激活和檢查點分子的上調(diào)表明，炎癥驅(qū)動的EMT通過增強檢查點表達直接促進免疫逃逸，將細(xì)胞可塑性、炎癥信號和免疫逃逸整合到一個統(tǒng)一的致病框架中[10]。
在結(jié)腸腺癌等實體瘤的研究中，電化學(xué)傳感平臺已被用于實時檢測關(guān)鍵生物標(biāo)志物，如炎癥因子（如IL-6、TNF-α）、基質(zhì)金屬蛋白酶（如MMP7、MMP9）和免疫檢查點分子（如PD-L1）。通過用抗體、適配體或分子印跡聚合物等功能化電極表面，電化學(xué)傳感器能夠在復(fù)雜的生物樣本（如血清、組織裂解物、細(xì)胞培養(yǎng)上清液）中實現(xiàn)對微量目標(biāo)分子的特異性識別和定量分析。與傳統(tǒng)ELISA或Western blot方法相比，電化學(xué)檢測不僅縮短了分析時間，還具有集成和便攜性的優(yōu)勢，適用于即時檢測（POCT）場景。更重要的是，基于納米材料（如金納米粒子、石墨烯、金屬有機框架）的信號放大策略顯著提高了低豐度腫瘤相關(guān)蛋白質(zhì)的檢測限，為早期診斷和療效監(jiān)測提供了技術(shù)支持。因此，在探討結(jié)腸腺癌中炎癥-EMT-免疫抑制軸的分子機制時，引入電化學(xué)傳感的概念不僅有助于理解現(xiàn)有生物標(biāo)志物的臨床價值，也為針對MMP7等目標(biāo)的即時診斷工具的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。盡管有這些個體觀察結(jié)果，但關(guān)于炎癥驅(qū)動的EMT如何與結(jié)腸腺癌中的免疫抑制微環(huán)境形成相結(jié)合的全面理解仍不充分。在本研究中，我們對The Cancer Genome Atlas（TCGA）的COAD數(shù)據(jù)集進行了綜合生物信息學(xué)分析，以表征結(jié)腸腺癌中的炎癥、EMT和免疫抑制特征。此外，我們還進行了RT-qPCR實驗以驗證關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)并評估炎癥刺激對EMT和免疫檢查點表達的功能影響。我們的發(fā)現(xiàn)為炎癥-EMT-免疫抑制軸提供了機制見解，并確定了結(jié)腸腺癌的潛在治療靶點。
數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理
TCGA結(jié)腸腺癌（COAD）隊列：453個原發(fā)腫瘤，41個相鄰正常組織。RNA-seq數(shù)據(jù)以FPKM值形式獲取，并進行對數(shù)2變換（log2(FPKM+1)以進行標(biāo)準(zhǔn)化。排除所有樣本中均無表達的基因；僅保留同時存在于腫瘤和正常組中的基因。整合的臨床注釋包括：人口統(tǒng)計學(xué)（年齡、性別、種族）、AJCC TNM分期、組織學(xué)分級、腫瘤位置、轉(zhuǎn)移狀態(tài)、總生存期、無進展間隔、生存狀態(tài)等。
結(jié)腸腺癌中差異表達基因的鑒定
TCGA-COAD隊列的差異表達分析揭示了腫瘤組織和正常組織之間的顯著轉(zhuǎn)錄變化。火山圖顯示了log2倍數(shù)變化與-log10(調(diào)整后的P值)的關(guān)系，清晰地分隔了上調(diào)基因和下調(diào)基因（圖1A）。下調(diào)最多的基因包括OTOP2（質(zhì)子通道）、BEST4（離子通道）、CA7（碳酸酐酶）。上調(diào)最多的基因包括CDH3/P-鈣黏蛋白（細(xì)胞黏附）和ETV4（ETS轉(zhuǎn)錄因子）。
討論
本研究通過將抗MMP7單克隆抗體固定在金電極、碳糊電極或絲網(wǎng)印刷電極的表面，并結(jié)合酶標(biāo)記（如辣根過氧化物酶）或納米信號放大策略（如金納米粒子、量子點、金屬有機框架材料），構(gòu)建了夾心或競爭性電化學(xué)免疫傳感器，顯著提高了檢測靈敏度。某些系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了對低濃度目標(biāo)分子的檢測。
結(jié)論
該研究系統(tǒng)闡明了炎癥信號通過激活SNAI1-MMP7軸來驅(qū)動EMT并同時誘導(dǎo)免疫抑制的分子網(wǎng)絡(luò)。這一發(fā)現(xiàn)不僅加深了對結(jié)腸腺癌進展機制的理解，也為新診斷策略的開發(fā)指明了方向。在此背景下，電化學(xué)傳感器作為連接基礎(chǔ)研究和臨床檢測的關(guān)鍵技術(shù)，展現(xiàn)了不可替代的作用。
CRediT作者貢獻聲明
吳德豪：撰寫——原始草案，資源整理。林思陽：驗證，資源提供。林毅：研究實施，概念構(gòu)思。柯秋青：撰寫——審閱與編輯，軟件使用。黃學(xué)平：資源獲取，正式分析。盧世云：方法學(xué)設(shè)計，資金申請。
倫理批準(zhǔn)和參與同意
本研究使用了來自The Cancer Genome Atlas（TCGA）數(shù)據(jù)庫的公開數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)已去標(biāo)識化且可公開獲取，因此無需倫理批準(zhǔn)。
資助
本工作得到了福建省自然科學(xué)基金（編號2024J08253）、福建省自然科學(xué)基金（編號2020J05264）以及福建省衛(wèi)生健康委員會科技規(guī)劃項目（編號2020GGA002）的支持。
未引用的參考文獻
[1], [2], [5], [6], [7], [8], [9]
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文報告工作的財務(wù)利益或個人關(guān)系。
致謝
此處展示的結(jié)果基于TCGA研究網(wǎng)絡(luò)（https://www.cancer.gov/tcga）生成的數(shù)據(jù)。
