基于电化学传感器检测的Caspase-1蛋白分子结合机制分析：运动干预在骨关节炎中的作用

《Microchemical Journal》：Mechanism analysis of Caspase-1 protein molecule binding exercise intervention based on electrochemical sensor detection in osteoarthritis

骨关节炎病理中Caspase-1的激活与炎症进程密切相关，传统检测方法存在操作复杂、时效性差等问题。本研究通过构建电化学传感器电极表面修饰aptamer/抗体/分子印迹聚合物，结合安培法、阻抗谱和电化学发光等检测模式，实现了皮摩尔至纳摩尔级Caspase-1高选择性检测，并可通过柔性电子与微流控平台实现关节局部炎症动态监测。该技术显著提升炎症因子检测效率，为精准诊疗和个性化康复提供可靠工具。

　　

韩慧兰|李志勇

攀枝花大学，中国攀枝花617000

摘要

骨关节炎（OA）是一种常见的退行性关节疾病，其病理过程与炎性小体的激活以及下游效应分子（如Caspase-1）密切相关。尽管传统的检测方法（如ELISA或qRT-PCR）具有特异性，但它们存在操作繁琐、耗时较长以及难以实时监测等局限性，这些因素限制了动态炎症评估和个性化干预的实施。在这种情况下，电化学传感器由于其高灵敏度、快速响应、微型化潜力以及良好的生物相容性，逐渐成为医学检测中的重要技术途径。本文旨在结合电化学传感技术的优势，系统回顾Caspase-1在骨关节炎中的生物学功能及其检测要求，并展示电化学传感器在实时检测炎症标志物方面的应用前景和发展潜力。方法部分基于现有文献综述，重点介绍了采用适配体、抗体或分子印迹聚合物修饰的电极界面在Caspase-1识别中的构建策略，涵盖了电流法、阻抗谱和电化学发光等多种传感模式，并探讨了它们与柔性电子和微流控平台结合在关节局部微环境监测中的整合潜力。研究结果表明，电化学传感器能够在皮摩尔至纳摩尔浓度范围内实现对Caspase-1的高选择性检测，并具备抵抗复杂基质干扰的能力，适用于滑液和血清等临床样本；同时，其与可穿戴设备的集成为实现运动干预期间的动态炎症监测提供了技术可行性。因此，电化学传感技术不仅显著提高了Caspase-1等炎症因子的检测效率和临床应用性，还为骨关节炎的精准诊断、疗效评估和个性化康复管理提供了可靠的技术支持，具有明确的转化医学价值。

引言

骨关节炎（OA）是一种常见的慢性关节疾病，主要影响关节软骨及周围软组织，导致关节疼痛、活动受限和功能障碍。细胞凋亡和炎症反应在OA的发病机制中起着关键作用[1]。细胞凋亡是一种程序性细胞死亡形式，其失调会导致OA中软骨细胞过度死亡。局部炎症反应的持续激活会进一步损害关节结构，加剧疼痛和功能障碍[2]。Caspase-1是一种关键的半胱氨酸蛋白酶，参与调节细胞凋亡和炎症反应，通过处理促炎细胞因子促进炎症进展[3]。OA患者的关节液和软骨组织中Caspase-1的水平通常升高，表明其在OA的病理和生理过程中起着关键作用。研究Caspase-1在OA中的作用有助于理解发病机制，为开发新的治疗策略提供依据，缓解患者疼痛并改善生活质量[4]。

Caspase-1是炎性小体的关键组成部分，在细胞内炎症信号传导中表现出促炎特性。在OA的病理生理过程中，关节内的细胞会受到多种因素的影响，如机械负荷增加、炎症细胞因子作用以及代谢异常。因此，深入研究其机制有助于揭示OA的发病机制，并为寻找新的干预策略提供理论基础。目前，药物治疗在缓解OA症状方面存在局限性，尤其是在改善患者整体生活质量及促进功能恢复方面。因此，越来越多的研究将药物治疗与非药物干预相结合，其中运动干预受到了广泛关注。适度的运动可以有效改善OA患者的关节功能和生活质量，调节Caspase-1的表达及下游炎症细胞因子的活性，减轻关节内的炎症反应[5]。据认为，运动可通过改善整体身体状况和降低体内全身炎症水平来下调Caspase-1的表达并抑制相关炎症过程。结合药物治疗、蛋白质调节和运动干预的综合治疗策略展现出广阔的前景[6]。通过多样化的干预措施，可能为OA患者带来更全面和显著的好处，改善其生活质量及功能恢复潜力。

传统的OA生物标志物检测主要依赖于酶联免疫吸附测定（ELISA）或实时荧光定量PCR（qRT-PCR），虽然这些方法具有高特异性，但存在操作复杂、耗时较长、成本较高以及难以在床边检测等局限性。相比之下，基于功能化电极界面构建的电化学传感器可以通过识别特定蛋白质分子（如Caspase-1、IL-1β等）引发可测量的电流、电位或阻抗变化，从而实现炎症因子的实时、原位甚至无需标记的检测。例如，有研究使用金纳米粒子修饰的丝网印刷电极结合适配体探针，成功实现了对滑液中低浓度Caspase-1的高选择性检测，检测限可达皮摩尔水平。此外，柔性电化学传感器的发展为关节内植入式或可穿戴式炎症监测提供了可能性，并有望在运动干预期间获得分子水平的疗效反馈。因此，将电化学传感技术引入OA发病机制的研究不仅能够提高关键炎症介质（如Caspase-1）的检测效率和准确性，还为制定个性化干预策略提供了定量依据，具有重要的临床转化前景。

相关研究

相关工作

在涉及炎症疾病的医学检测中，电化学传感器的研究重点在于关键炎症介质的精准检测。作为炎性小体通路的核心效应蛋白酶，Caspase-1的活性水平直接反映了细胞焦亡及促炎因子（如IL-1β、IL-18）的释放情况，已成为骨关节炎、类风湿性关节炎等多种慢性炎症疾病的潜在生物标志物

细胞焦亡

Caspase-1作为炎性小体下游的关键效应蛋白酶，其活性状态直接反映了细胞焦亡的强度和炎症级联反应的强度，使其成为骨关节炎等慢性炎症疾病的理想监测目标。然而，体液中Caspase-1的浓度通常较低且易受蛋白酶降解的影响，因此检测方法需要具备更高的灵敏度和稳定性。电化学传感器凭借其

临床性能分析

在评估蛋白质调节与运动干预联合治疗的临床疗效时，客观和持续的生物标志物监测是验证干预机制和优化治疗计划的关键步骤。电化学传感器在此过程中发挥着不可替代的作用，其核心价值在于能够实时获取分子信息。与定期采集血液或滑液进行体外分析相比，可穿戴式传感器

结论

Caspase-1在骨关节炎炎症级联反应中的核心作用已得到充分证实，对其活性的精准监测是将机制研究转化为临床应用的重要前提。作为新一代医学检测工具，电化学传感器在这一过程中展现出多种优势：首先，其高灵敏度和宽线性范围使其适用于整个检测流程的应用

作者贡献声明

韩慧兰：撰写——原始稿件，实验研究。李志勇：撰写——审稿与编辑，数据分析。

资助

本研究未获得任何资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。