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电化学传感器用于前列腺癌早期诊断和预后评估，通过检测神经内分泌分化的生物标志物（如GNG4、CHGA、SYP），结合单细胞测序和机器学习模型，显著提升生化复发预测准确性（C-index＞0.75）。
李云帆|韩坤|何静珂|罗宇|宋良东|魏成城|苏帅
重庆医科大学第一附属医院泌尿科，中国重庆400016
摘要
电化学传感器在医学检测中的应用确实为疾病的诊断、预后评估和治疗带来了创新的技术手段，尤其是在前列腺癌领域。在前列腺癌研究中，电化学传感器能够检测到GNG4、CHGA和SYP等生物标志物，这些标志物反映了神经内分泌分化。这一能力对于疾病的早期发现和监测至关重要，因为神经内分泌分化通常与侵袭性强、治疗抵抗的表型相关。电化学传感器的高灵敏度使得即使在血液或组织裂解物等复杂生物样本中也能检测到这些生物标志物。通过将单细胞测序与电化学检测相结合，研究发现GNG4基因在神经内分泌分化过程中起着关键作用。其高表达与生化复发的风险降低相关，但同时也与死亡风险增加和对铂基化疗药物敏感性的增加相关。基于电化学检测的预后模型在多个独立队列中显示出高预测准确性，平均C指数值超过0.75，表明该模型能够有效预测前列腺癌患者的生化复发风险。
引言
前列腺癌（PCa）是美国男性中最常见的非皮肤恶性肿瘤，导致显著的发病率和死亡率。它是男性癌症死亡的第二大原因，仅低于肺癌。前列腺癌的临床进程变化很大，从惰性肿瘤到侵袭性强、快速进展的形式不等，后者早期就会发生转移并抵抗传统疗法。雄激素剥夺疗法（ADT）是中等至高风险或转移性前列腺癌的初始治疗基石。ADT通过抑制雄激素的产生或作用，在大多数患者中引起显著的临床反应。然而，疾病最终会发展为去势抵抗性前列腺癌（CRPC），其特征是尽管血清睾酮水平低，肿瘤仍持续生长。CRPC可能通过各种分子适应性重新激活雄激素受体（AR）信号通路而发生。一种独特的抵抗途径涉及肿瘤细胞在长期ADT下的表型和谱系转变，导致神经内分泌前列腺癌（NEPC）。NEPC的特点是失去AR和PSA表达，并获得神经内分泌特征。这些肿瘤具有高度增殖性，早期转移，并且既抵抗ADT也抵抗AR靶向药物。它们还缺乏可靠的基于PSA的监测方法，使得疾病监测变得复杂。然而，新发NEPC（即没有先前腺癌病史的情况）较为罕见，占诊断出的前列腺癌病例的不到2% [7]。
NEPC的起源仍是一个持续争论的话题。一些研究表明，NEPC可能起源于前列腺内的正常神经内分泌（NE）细胞，这些细胞在ADT期间存活并增殖 [8]。然而，更广泛支持的假设是谱系可塑性假说。本文描述了前列腺腺癌细胞如何在长期雄激素剥夺疗法（ADT）下通过一种称为谱系可塑性的过程转变为高度侵袭性、治疗抵抗的神经内分泌样亚型。这涉及失去腺癌细胞特征并获得神经内分泌特征，这一过程由多种分子变化驱动。然而，这种转变的确切细胞轨迹——无论是通过去分化步骤变为类干细胞状态还是直接转分化——仍在研究中 [9]。
前列腺癌通常可以通过三种途径发展为NEPC。首先，正常前列腺中的神经内分泌细胞发生恶性增殖并演变为NEPC。其次，前列腺中的管腔细胞和基底细胞启动癌变，转变为前列腺腺癌。在ADT之后，这些细胞可能进一步转变为CRPC-腺癌，最终分化为NEPC。第三，CRPC-腺癌可以先去分化为癌干细胞，然后再进一步分化为NEPC。
过去十年中，神经内分泌前列腺癌（NEPC）的发病率一直在上升，这可能是由于下一代雄激素受体（AR）靶向疗法的广泛使用。这些疗法，包括阿比特龙醋酸酯、恩扎卢胺、阿帕鲁胺和达鲁鲁胺，通过更有效地抑制雄激素信号传导，改善了转移性去势抵抗性前列腺癌（mCRPC）的预后。然而，这种成功也增加了对肿瘤细胞的选择压力，可能加速了不再依赖AR信号传导的侵袭性、治疗抵抗克隆的出现。这导致了谱系可塑性事件的显著增加，其中腺癌细胞转变为不依赖AR的表型，包括NEPC。尸检分析，特别是快速尸检项目显示，13.3%的患者具有神经内分泌特征和AR表达丧失的转移性肿瘤，符合NEPC的特征。另有23.3%的患者具有无经典神经内分泌标志物的AR阴性转移灶，表明存在更广泛的AR独立、分化不良的前列腺癌变体。这两组病例合计占检查病例的三分之一以上，突显了晚期前列腺癌逃避AR依赖性的显著比例。这与早期的尸检系列形成鲜明对比，当时只有6.3%的病例显示神经内分泌分化，5.4%的病例显示AR阴性疾病。NEPC由于其高度侵袭性而具有重要的临床意义。其特征是极端的肿瘤侵袭性和不良的预后，诊断后的中位总体生存期约为7个月。这与AR阳性的mCRPC形成鲜明对比，后者的新疗法可以将生存期延长数年。NEPC常表现为溶骨性病变，并且具有强烈的内脏转移倾向，特别是肝脏、肺部和淋巴结。NEPC患者通常表现为巨大的肿瘤肿块和全身症状，但前列腺特异性抗原（PSA）水平通常较低，使得传统的基于PSA的监测方法无效。对ADT无反应。对铂基化疗也有短暂的反应。鉴于这些特征，进一步研究驱动NEPC发展的分子机制对于实现针对这种侵袭性前列腺癌的精准治疗至关重要。
电化学传感器彻底改变了医学诊断，提供了高灵敏度和多种临床应用中的灵活性。纳米技术、分子生物学、材料科学和微制造的进步提高了这些传感器的性能，使其能够在超低浓度下检测生物分子。这在肿瘤学中尤为重要，因为早期检测癌症生物标志物可以显著改善患者预后。电化学传感器可以检测到像PSA、CEA和ctDNA这样的微量生物标志物，而这些标志物通常无法通过传统方法检测到。它们还有助于疾病监测、药物开发和“芯片实验室”设备的创建。与人工智能的结合进一步提高了诊断准确性。电化学传感器还具有便携性、低成本和易于操作的特点，使其在临床检测和现场快速检测中具有广泛的应用前景。在前列腺癌研究中，电化学传感器可用于检测与神经内分泌分化相关的生物标志物，为前列腺癌的诊断和预后评估提供新的技术手段。
从腺癌到NEPC的转变代表了深刻的谱系转变 [13]。多种信号分子和通路被激活以启动和维持NEPC，这些通路彼此紧密相连。这一研究领域仍在进行中，并且仍在积极探索中。本研究旨在了解驱动神经内分泌前列腺癌（NEPC）的分子通路，这是一种在长期雄激素剥夺疗法（ADT）后经常出现的侵袭性变体。尽管初始治疗效果有效，但这些疗法可以通过神经内分泌分化（NED）促进AR独立肿瘤细胞群体的进化，导致高度难治性和转移性疾病状态。鉴于NEPC的不良预后和有限的治疗效果，解码其潜在生物学机制并识别新的生物标志物和治疗靶点至关重要。为此，本研究利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）来分析来自患者来源的肿瘤样本和临床前模型的单个前列腺上皮细胞的转录组景观。这种高分辨率的基因组技术能够识别不同的细胞亚群，并追踪从管腔上皮到神经内分泌样状态的动态基因表达变化。全面的生物信息学分析揭示了关键的中间细胞状态、转录调节因子和与谱系可塑性相关的信号通路。基于这些发现，本研究利用机器学习开发了一个基于NED相关基因特征的强大前列腺癌预后模型。使用LASSO回归、随机森林和支持向量机等算法，识别出一组对疾病进展、治疗抵抗和总体生存具有强预测能力的最小基因集。该基因特征在多个临床数据集中得到了验证，显示出高预测准确性和与不良临床结果的关联。评估了基于NED的预后模型的临床相关性，表明其能够按风险对患者进行分层，并指导个性化治疗策略的制定。还探讨了该模型预测免疫治疗和铂基化疗反应的能力，发现高风险患者更有可能从这些侵袭性、非AR靶向疗法中受益。这表明该模型有助于治疗决策和临床试验的患者选择。
部分摘录
scRNA-seq数据处理和细胞聚类分析
从GEO数据库下载了三个scRNA-seq数据集GSE137829、GSE221603和GSE237602。这些数据集包含了来自10种不同细胞来源的异质类器官，包括10个AR活性前列腺癌（ARPC）患者样本、2个CRPC患者样本和4个NEPC患者样本。这些数据集代表了各种肿瘤阶段，形成了一个全面的前列腺癌scRNA-seq元图谱。
首先通过计算线粒体的比例进行了初步质量控制
scRNA-seq分析和降维聚类
从GEO数据库下载三个scRNA-seq数据集（GSE137829、GSE221603、GSE237602）后，我们根据以下过滤标准进行了初步质量控制，以获得高质量的scRNA-seq数据：1. 使用严格的QC流程过滤掉scRNA-seq数据集中的低质量细胞。保留了UMI计数在1000到7000之间且表达300-7000个基因的细胞。排除了线粒体读数超过10%或RBC特异性读数超过3%的细胞。这个过程产生了
讨论
电化学传感器通过使用氧化还原反应来检测和测量特定分析物，将分子相互作用转换为电流或电压等电信号。它们通常使用三电极系统：分析物反应的工作电极、提供稳定电位的参比电极以及用于电荷平衡的对电极。这些传感器能够在超低浓度下检测分析物，并用于临床诊断、环境监测等领域
结论
电化学传感器在医学检测中的应用确实为疾病的诊断、预后评估和治疗带来了创新的技术手段，尤其是在前列腺癌领域。这些传感器提供了高度敏感的检测能力，可以识别与神经内分泌分化相关的生物标志物，这是前列腺癌进展的一个关键方面。通过将电化学传感器与其他先进技术相结合，研究人员
CRediT作者贡献声明
李云帆：撰写——原始草稿，数据管理。韩坤：资源提供，正式分析。何静珂：监督，方法学。罗宇：撰写——审阅与编辑，监督。宋良东：监督，项目管理。魏成城：研究，数据管理。苏帅：撰写——原始草稿，方法学。
资助
本工作得到了重庆医科大学第一附属医院博士项目（CYYY-79 BSYJSCXXM-202332）的资助。
未引用的参考文献
[1], [2], [3], [4], [5], [6], [10], [11], [12]
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
