通过电化学传感器分析，确定CCL2、CCL5和TAGLN大分子作为扩张型心肌病的诊断生物标志物：与年龄相关的免疫失调和纤维化

《Microchemical Journal》：Identification of CCL2, CCL5, and TAGLN macromolecules as diagnostic biomarkers for dilated cardiomyopathy through electrochemical sensor analysis: Aging-Associated Immune Dysregulation and Fibrosis

　　刘伟|孙萌|徐珊珊|李照英|田江天|赵晓宇
哈尔滨医科大学第二附属医院心肌缺血重点实验室，哈尔滨150086，中国

**摘要**
扩张型心肌病（DCM）是心力衰竭和心源性猝死的主要原因。与衰老相关的免疫失调和心肌纤维化是DCM的核心病理过程。当前的临床诊断方法存在侵入性、延迟和准确性不足等缺点。因此，迫切需要与现代医学检测兼容的无创诊断技术和生物标志物。电化学传感器作为医学检测领域的核心精确检测技术，具有高灵敏度、高特异性、低样本消耗量、快速定量和床旁快速检测适应性，已成为心血管疾病大分子生物标志物血清学检测的关键支持。它们可以实现低丰度炎症和纤维化相关蛋白的pg/mL级别的无创定量检测。多组分传感阵列还可以完成多种生物标志物的同步检测，完美满足DCM相关生物标志物的临床检测需求。这是解决DCM早期诊断问题的重要技术途径。本研究旨在筛选可通过电化学传感器检测的DCM相关免疫-纤维化生物标志物，构建高精度诊断模型，并为DCM检测的临床转化提供理论基础。研究整合了单细胞RNA测序数据、动物模型和临床样本进行多维度分析。通过生物信息学方法筛选出与衰老相关的基因，并通过多种机器学习算法确定核心诊断标志物。在独立数据集、临床样本和动物模型中构建并验证了诊断模型。结果表明，CCL2、CCL5和TAGLN是DCM的核心免疫-纤维化生物标志物，在心脏成纤维细胞和髓系细胞中显著上调，与免疫浸润和心肌纤维化密切相关。基于这三种生物标志物构建的诊断模型AUC为0.927，可以有效区分DCM与其他心肌病。这些生物标志物的高表达与患者的不良临床预后相关。验证结果证实了该模型的优异稳定性。这些生物标志物均为可被电化学传感器高效检测的分泌大分子蛋白，适用于血清中的无创检测。

**引言**
扩张型心肌病（DCM）是一种以心室扩大和收缩功能下降为特征的心脏疾病，常进展为心力衰竭和猝死。其原因包括特发性或继发性因素，如遗传、心肌炎或酒精滥用。症状包括呼吸困难、疲劳和由于泵血功能受损引起的水肿。诊断主要依靠超声心动图，辅以影像学和基因检测。治疗方法包括药物治疗、除颤器，在严重情况下需使用植入设备或进行心脏移植。通过适当的治疗和随访，许多患者的生活质量和生存期可以得到改善[1]。尽管其发病率很高，但其潜在的病理机制仍不完全清楚[2]。该疾病主要影响中老年人群，突显了年龄相关变化与疾病进展之间的潜在相互作用[3][4]。全球有数百万人受此病影响，它是导致发病率和死亡率的主要原因之一，晚期病例常需要心脏移植[5]。鉴于DCM带来的临床负担，迫切需要改进诊断工具和治疗策略[6]。

扩张型心肌病（DCM）与衰老过程之间存在显著的病理生理联系，免疫系统失调是其中的关键环节。随着年龄增长，个体经历免疫衰老，表现为慢性低度炎症（炎症老化）、T细胞受体多样性下降以及先天免疫细胞功能受损（Lee等人，2022；Yu等人，2024）。这种免疫微环境的改变直接促进了DCM的发生和发展。因此，DCM可以被视为一种心脏早衰的临床模型，其本质在于年龄相关免疫稳态崩溃对心肌组织的病理影响（Chimenti等人，2003；[7]）。

除了免疫失调外，细胞外基质的变化（如过度胶原沉积和纤维化）也是扩张型心肌病（DCM）的关键特征[8]。这些与年龄相关的改变导致心肌顺应性下降和收缩功能减弱，最终引发心力衰竭。理解免疫反应与细胞外基质重塑之间的相互作用对于阐明DCM的潜在机制和寻找新的治疗靶点至关重要[9]。识别可靠的扩张型心肌病（DCM）生物标志物有助于早期诊断、改善风险分层并提供新的治疗靶点[10][11]。组学技术的进步，特别是单细胞RNA测序（scRNA-seq），为解析复杂衰老相关疾病（如DCM）的细胞和分子异质性提供了强大工具[12][13]。整合多项研究的数据进行综合分析，为揭示与衰老和疾病机制相关的分子特征提供了独特机会，从而有助于识别诊断和预后生物标志物[14]。

电化学传感器作为现代医学检测中的核心检测技术，具有高灵敏度、快速性和便携性，由于其高灵敏度、宽检测线性范围、低样本消耗量以及适用于即时检测（POCT），已成为心血管疾病生物标志物临床检测的关键技术支持。在心血管系统疾病的实验室诊断中，电化学传感器通过抗原-抗体特异性识别、核酸适配体靶向结合和酶促催化信号放大等分子识别机制，将心肌损伤因子、炎症趋化因子和纤维化相关大分子的浓度水平转换为电流、电位和电导等定量电信号。这使得在微量临床样本中能够超灵敏地检测低丰度目标分子，有效弥补了传统免疫学和生化检测耗时且难以在原位分析的不足。对于与衰老、免疫失调和心肌纤维化密切相关的疾病（如扩张型心肌病（DCM）而言，新的传感平台（如电化学免疫传感器、微电极阵列电化学传感器和纸质柔性电化学传感器）已逐渐应用于心肌炎症因子和纤维化标志物的无创血清学检测，为DCM的早期筛查、疾病分级和预后评估提供了新的技术途径。与衰老相关的心血管疾病的共同病理过程表现为免疫衰老、慢性低度炎症和过度细胞外基质纤维化，关键调控分子主要是分泌的低丰度大分子蛋白，这对检测技术的灵敏度和特异性提出了极高要求。电化学传感器的检测限可达到pg/mL级别，能够准确捕获与血清中免疫浸润和纤维化激活相关的大分子生物标志物（如CCL2、CCL5和TAGLN），完美满足DCM相关生物标志物的检测需求。目前，临床DCM诊断仍依赖于超声心动图、磁共振和心肌活检等侵入性或间接检测方法，缺乏无创、快速和精确的血清学诊断工具。电化学传感器技术的快速发展为DCM新生物标志物的临床检测提供了可行的解决方案，是提高DCM早期诊断效率和改进诊断治疗过程的重要技术保障。本研究筛选了与衰老相关的DCM免疫和纤维化生物标志物，并需要基于电化学传感器的检测优势在临床实践中应用，从而改进DCM的诊断和靶向治疗系统。

**研究目的**
本研究旨在利用生物信息学方法识别扩张型心肌病（DCM）相关的免疫生物标志物，并通过小鼠模型和临床样本验证新的生物标志物。通过研究DCM相关的细胞组成和炎症过程，我们希望阐明驱动疾病进展的分子机制，并建立可靠的诊断模型。我们的发现可能为理解衰老、免疫失调和细胞外基质重塑在DCM病理生理学中的相互作用提供见解，从而促进针对患者预后的干预措施的发展。

**数据获取与处理**
scRNA-seq数据来自GEO数据库（访问号GSE145154）。经过标准生物信息学处理后，使用UMAP进行降维和可视化以区分细胞簇。然后根据标记基因表达模式将这些簇注释为细胞类型，表征样本的细胞组成。为了研究DCM发病机制中的衰老相关方面，我们在分析流程中加入了与衰老相关的基因集和通路。

**细胞类型注释**
我们使用单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据（GSE145154）识别了与扩张型心肌病（DCM）相关的关键免疫生物标志物。鉴于衰老对免疫失调的显著影响，该分析纳入了与衰老相关的变量，以更好地阐明DCM发病机制中的免疫机制。UMAP聚类显示了不同的免疫细胞群体，包括成纤维细胞、髓系细胞和自然杀伤（NK）细胞。差异表达分析进一步确认了这些细胞类型。

**讨论**
电化学传感器是现代医学检测技术系统中生物分子定量检测的核心载体。本研究重点介绍了电化学传感器的检测原理、技术特性和临床应用场景，系统阐述了其在检测大分子蛋白标志物方面的技术优势。电化学传感器通过分子识别元件与目标分子的特异性结合，实现生物分子的定量检测。

**结论**
电化学传感器技术作为现代医学检测的重要分支，为CCL2、CCL5和TAGLN作为DCM诊断和预后生物标志物的临床应用提供了核心检测保障。它确立了这些生物标志物在电化学传感平台上的临床转化价值。凭借其高灵敏度、高特异性、快速性和无创性等优点，电化学传感器能够完美满足临床需求。

**作者贡献声明**
刘伟：撰写——原始草案，正式分析。
孙萌：验证，资源准备。
徐珊珊：项目管理，方法学设计。
李照英：撰写——审阅与编辑，方法学设计。
田江天：资源准备，项目管理。
赵晓宇：监督，资源准备。

**资助**
本研究得到了黑龙江省重点研发计划（项目编号2023ZX02011）的支持，专注于“益生菌囊泡膜再生功能产品的研发”项目。我们感谢黑龙江省科技厅提供的资金和支持。感谢所有参与和合作的研究人员的重要贡献。

**未引用参考文献**
[30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52]

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。