基于电化学传感器的CTLA4和NT5E大分子机制在子宫内膜癌MSI和MSS亚型中的诊断作用以及肿瘤分子标记物

《Microchemical Journal》：Diagnostic role of CTLA4 and NT5E macromolecular mechanisms and tumor molecular markers based on electrochemical sensors in MSI and MSS subtypes of endometrial cancer

　　雷光|章静波|李彦宇|张旭平|周佳云|王青|张蓓
中国江苏省徐州市徐州医科大学临床医学院

**摘要**
电化学传感器能够将肿瘤生物分子的特异性结合转化为可量化的电信号，从而实现目标分子的原位实时检测，弥补了传统免疫组化和基因测序在子宫内膜癌检测中操作繁琐、耗时较长且成本较高的缺陷。子宫内膜癌是女性生殖系统常见的恶性肿瘤，其中微卫星不稳定（MSI）和微卫星稳定（MSS）亚型之间存在显著的分子异质性。T细胞耗竭和免疫调节分子是亚型分类、预后评估及免疫疗法决策的核心标志物，因此亟需建立基于电化学传感技术的精准检测系统。本研究旨在整合多组学与机器学习技术，分析子宫内膜癌MSI/MSS亚型的T细胞耗竭和免疫相关分子网络，筛选关键的诊断和预后标志物，并构建预后风险模型，为基于电化学传感器的精准子宫内膜癌检测提供目标信息。研究利用TCGA、GTEx和GEO的多组学数据集，筛选与T细胞耗竭和免疫相关的差异表达基因，并通过GO、KEGG和GSEA富集分析探讨分子功能通路。通过Cox回归和LASSO回归构建预后模型，鉴定关键基因及其调控网络和单细胞表达定位。结果表明，共筛选出34个关键基因，主要富集在细胞黏附、免疫调节和肿瘤免疫检查点通路相关基因中；成功构建了一个包含10个基因的预后风险模型，并验证其具有独立的预后价值，其中5年预后预测效果最佳；最终鉴定出5个关键基因（CTLA4、NT5E、ANXA1、TNFRSF14和CXCL13），这些基因在子宫内膜癌中表达差异显著，具有明确的细胞定位特征，高风险组肿瘤呈现“免疫冷”表型。

**引言**
子宫内膜癌（EC）是发达国家中最常见的妇科癌症之一，近年临床数据显示该病在年轻女性中的发病率上升[1]。根据2024年的数据，EC的发病率每年增长约2%，其死亡率增速超过乳腺癌、宫颈癌和卵巢癌[2]。仅在美国，2025年预计将有68,120例新病例和13,860例死亡病例，给患者管理和医疗成本带来巨大挑战[3]。虽然早期子宫内膜癌通常预后较好，但晚期或复发病例预后较差，死亡率较高。目前的治疗方式（包括手术、放疗和化疗）在高风险人群中往往效果不佳[4]。因此，迫切需要更有效的诊断和治疗方法，包括识别新的生物标志物以实施个性化治疗，以改善患者预后并应对这一恶性肿瘤发病率的上升趋势。

由于肿瘤相关研究的快速进展，子宫内膜癌的诊断和治疗领域已超越了传统的组织病理学方法。2013年，TCGA建立了子宫内膜癌的分子分类体系，将其分为四种亚型：POLE突变型、MMRd型、野生型p53拷贝数低型和异常p53拷贝数高型。POLE突变型肿瘤具有超高突变率，预后较好；CN-low和CN-high亚型反映了染色体不稳定性和p53功能障碍。MMRd型会导致微卫星不稳定、高突变负担和免疫热点微环境，对免疫检查点抑制剂敏感。这一分类在后续研究中得到了验证，并指导了肿瘤的预后和治疗。

非MMRd/MSI-high（MSI-H）型的肿瘤被认为是微卫星稳定（MSS）型。多项研究表明，子宫内膜癌在基因组、转录组和免疫微环境层面存在显著异质性，MMRd/MSI-H亚型与MSS亚型之间存在明显的分子和免疫差异[7]。MMRd/MSI-H亚型常与DNA错配修复缺陷相关，导致突变负担增加和独特的免疫浸润模式。这种亚型会产生多种新抗原，吸引CD8+ T细胞，从而增强对免疫治疗的敏感性。然而，在MMRd/MSI-H亚型中，T细胞在持续抗原刺激下容易耗竭。相比之下，MSS亚型的分子驱动因素、免疫逃逸机制和治疗反应存在差异。这一点在子宫内膜癌中尤为重要，因为25–30%的肿瘤为MMRd/MSI-H表型，13%–30%的复发性子宫内膜癌属于该类型[8]。这种分子异质性不仅影响肿瘤生物学特性和临床预后[9]，还直接决定患者对新型疗法（特别是免疫检查点抑制剂）的敏感性。单独使用或联合化疗的免疫检查点抑制剂在MMRd/MSI-H型子宫内膜癌患者中显示出疗效[4]。截至目前，美国FDA已批准两种PD-1/PD-L1抑制剂（dostarlimab和pembrolizumab）用于治疗复发或晚期子宫内膜癌。这些免疫疗法通过阻断PD-1/PD-L1通路来抑制肿瘤对免疫活动的抑制，重新激活肿瘤微环境中的T细胞，为晚期疾病提供有效的治疗选择。值得注意的是，肿瘤微环境（TME）及其调控网络在子宫内膜癌的发生和发展中起关键作用。先前的研究表明，免疫相关基因表达改变、T细胞耗竭和免疫检查点分子的异常激活是影响肿瘤进展和治疗效果的重要分子基础[7][13]。尽管抗PD-1疗法对MMRd型肿瘤患者有效，但超过50%的EC和MSI-H患者对免疫检查点抑制剂无反应[14]，部分患者存在固有耐药性或初次治疗后出现耐药性[15]。因此，确定可靠的生物标志物进行患者分层和发现联合治疗的潜在靶点至关重要。

电化学传感器在医学检测领域的应用已涵盖肿瘤早期筛查、传染病检测和代谢紊乱监测等多个临床领域。其中，在实体瘤分子标志物的检测方面应用最为成熟，是推动肿瘤精准诊断和治疗的关键技术。该技术利用电化学电极作为信号转换载体，通过修饰电极表面的抗体、核酸适配体、酶和其他生物识别元件实现肿瘤目标分子的特异性捕获。其检测限可达到皮摩尔水平，检测时间可缩短至10分钟内，完全满足临床对即时诊断和快速分型的需求。女性生殖系统肿瘤具有高度分子异质性，子宫内膜癌的MSI和MSS亚型在错配修复功能、免疫细胞浸润、免疫检查点表达和治疗反应性方面存在显著差异。电化学传感器可为与MSI/MSS亚型相关的免疫调节分子和T细胞耗竭标志物构建特异性检测接口，实现亚型的快速非侵入性区分。T细胞耗竭相关基因和免疫检查点分子是子宫内膜癌免疫治疗的核心靶点，CTLA4和NT5E等分子的表达水平直接影响患者对PD-1/CTLA4抑制剂的反应效率。电化学传感器可实现对血清和组织样本中这些分子的定量检测，为治疗方案选择和治疗效果动态监测提供客观数据。随着纳米材料修饰电极、微流控集成电化学传感和柔性可穿戴传感等技术的不断升级，肿瘤标志物检测的灵敏度、特异性和抗干扰能力得到显著提升，为子宫内膜癌的分子诊断、预后评估和个性化免疫治疗提供了新的技术支持，也为本研究提供了重要的临床应用背景和技术参考。

本研究聚焦多组学整合，克服传统单组学分析的局限性，重点研究EC MSI和MSS亚型中的T细胞耗竭和免疫相关分子网络。通过整合转录组数据集、单细胞基因组图谱和临床结果数据，重点分析MSI与MSS亚型间的差异基因表达，并构建稳健的预测模型以提高EC的预后评估准确性。

**数据下载**
我们使用TCGA-Biolinks从TCGA下载UCEC数据，从GTEx下载正常组织数据，将其合并为TCGA-GTEx-UCEC数据集以增强统计效力。去除缺少临床信息的样本后，最终获得551个癌症样本和101个具有完整临床注释的对照样本（来自UCSC Xena，表1）。利用cBioPortal的MSI数据根据MANTIS评分对样本进行分类，得到167个MSI样本和355个MSS样本。同时下载了GEO数据集GSE17025和GSE63678。

**子宫内膜癌相关的T细胞耗竭和免疫相关差异表达基因**
TCGA-GTEx-UCEC数据中的子宫内膜癌样本被分为微卫星不稳定（MSI）组和稳定（MSS）组。火山图显示了调整后p值<0.05且|log2变化幅度|>1的差异表达基因（DEGs，图1A）。热图展示了MSI组和MSS组之间的DEG表达模式（图1B）。合并的GEO数据集被分为EC组和对照组，热图突出了这两组间的DEGs（图1C–D）。

**讨论**
子宫内膜癌是一种严重威胁女性健康的常见肿瘤。早期子宫内膜癌通常预后良好，而晚期或复发病例预后较差，死亡率较高。在高风险人群中，传统治疗方式（如手术、放疗和化疗）效果有限。由于该病的异质性，TCGA提出的分子分类体系将EC分为四种亚型：

**结论**
作为医学检测领域的尖端技术，电化学传感器结合本研究中确定的子宫内膜癌MSI/MSS亚型的关键免疫标志物，将显著提升精准诊断、预后分层和个性化治疗的临床效果。本研究中鉴定的CTLA4和NT5E等关键基因可作为电化学传感器的核心检测靶点。

**作者贡献声明**
雷光：撰写–原始稿件、研究；
章静波：方法学、概念构建；
李彦宇：验证、资源获取；
张旭平：可视化、监督；
周佳云：可视化、监督；
王青：撰写–修订与编辑、可视化；
张蓓：资源获取、研究支持。

**资助**
本项目得到了徐州医科大学附属医院发展基金项目（XYFY202404）、徐州市引进临床医学专家团队项目（2019TD005）和徐州市科技项目（KC22167）的支持。

**未引用参考文献**
[5], [6], [10], [11], [12]

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本研究报告的已知财务利益或个人关系。