电化学和荧光微分析技术在检测血清游离轻链方面的进展，用于早期心脏淀粉样变性诊断：新兴技术及其诊断意义

《Microchemical Journal》：Advances in electrochemical and fluorescent microanalytical detection of serum free light chains for early cardiac amyloidosis diagnosis: emerging technologies and diagnostic implications

　　裴晓航|左素琼|李娜|周潘|马荣军|袁小丽|张琳娜
中国河南省郑州市河南省人民医院及郑州大学人民医院血液科

**摘要**
游离轻链（FLCs）血清检测在淀粉样轻链（AL）心脏淀粉样病的早期诊断中起着关键作用。这是一种进展迅速的心肌病，由错误折叠的单克隆FLCs沉积引起。电化学和荧光生物传感器以及微分析技术是解决这些问题的有前景的方法，因为它们可以高灵敏度、高速且以小体积检测FLCs，并提供对临床指标的全面理解。基于阻抗、伏安法和电容检测的电化学生物传感器由于其能够量化游离标记物、使用少量样本体积以及快速信号检测的特性而备受青睐。通过使用标记抗体、适配体或构象敏感探针的荧光微分析系统，进一步提高了分析性能，实现了多重检测和低体积分析。这些新检测方法的核心思想依赖于微制造、表面工程和信号放大，以实现更低的检测限、简化流程，并适用于即时诊断格式。本综述比较了这些平台的技术基础、分析性能和相对优势，同时讨论了一些古老的问题，如探针稳定性、表面污染、基质干扰以及临床验证的标准化。总体而言，电化学和荧光微分析技术，特别是生物传感器，在改善AL淀粉样病的早期诊断和更灵敏地监测血液学和心脏治疗反应方面具有巨大潜力。

**引言**
淀粉样病是一组异质性疾病，会导致组织逐渐损伤和器官衰竭，其特点是错误折叠的蛋白质在各种器官中沉积。其中，心脏淀粉样病（CA）的预后最为严重，因为心肌中的淀粉样沉积会导致限制性心肌病，如果不治疗会导致早死[1]。系统性淀粉样病根据已知的前体蛋白分为30多种类型，其中两种主要形式为AL淀粉样病和转甲状腺素（ATTR）淀粉样病。ATTR淀粉样病是由肝脏产生的转甲状腺素不稳定和聚集引起的，导致心脏组织大部分区域出现淀粉样沉积。而AL淀粉样病则由单克隆免疫球蛋白游离轻链（FLCs）引起，这些轻链在细胞分裂过程中产生并在包括心脏、肾脏、肝脏、胃肠道系统和周围神经在内的多数器官中积累。超过三分之二的患者在诊断时已出现多器官受累。心肌激活是死亡的主要决定因素，这与肌钙蛋白T和N端B型利钠肽（NT-proBNP）的升高密切相关[2]。

淀粉样纤维是由蛋白质错误折叠形成的二聚体。在AL淀粉样病中，纤维生成受到单克隆FLCs内在不稳定性的驱动。肝功能和心脏损伤是该疾病最常见的表现，心脏损伤是导致死亡的主要原因。因此，在器官受到永久性损伤之前进行及时诊断对于患者的预后至关重要。尽管临床认识和诊断方法有所进步，但在非常年轻的年龄阶段仍难以检测到AL心脏淀粉样病[3]。现有的诊断方法基于对组织的刚果红组织化学染色，随后检测κ或λ FLC沉积。原发性浆细胞疾病通过血清和尿液电泳及免疫固定电泳（IFE）进行检测。由于许多情况下单克隆FLCs的产生量较少，且可能作为唯一的疾病标志物，因此需要开发高度敏感的检测方法来测量总κ和λ FLC。单克隆性通过检测到的FLCs浓度升高和异常的κ/l比值与参考范围相比来证明[4]。最常见的类型是AL淀粉样病；它在西方人群中发现，其特征是70%到80%或20%到30%的轻链沉积。膜的不均匀性受长链和短链的影响，压缩形式的轻链具有聚集倾向。参与淀粉样沉积的辅助氨基酸示例包括淀粉样载脂蛋白和血清淀粉样P元件[5]。由于临床识别和诊断手段的问题，目前认为淀粉样病被低估而非罕见[6]。单克隆蛋白的分析是诊断过程中的关键步骤。结合血清和尿液IFE以及血清游离轻链（sFLC）检测可以最大程度地提高检测灵敏度。游离轻链比率（FLCR）的标准化是治疗后血液学完全反应的敏感指标。然而，传统的参考范围在老年人和肾功能不全患者中的实用性较低，需要更精确的分析方法[7]。开发用于测量血清FLCs的检测方法是AL淀粉样病诊断和监测的重要贡献。最近，一种称为基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）的技术已被证明是检测和监测单克隆蛋白的有效方法。FLC特异性质谱检测比完整的轻链技术更敏感[8]。尽管FLC特异性质谱检测在灵敏度上优于完整的轻链技术，但它们也存在一些缺点：成本高、需要特殊设备且操作人员需具备专业技能，这限制了其在临床实践中的广泛应用。新技术，如电化学、荧光生物传感器、MOF或共价有机框架（COF）平台，具有高度灵敏性和快速性，能够有效检测淀粉样生物标志物，为AL心脏淀粉样病的早期诊断和实时监测提供了有力工具[9]。AL淀粉样病发病隐匿，误诊率较高，导致晚期才被发现。因此必须在早期阶段进行诊断，因为最近的治疗进展（如化疗、干细胞移植、抗体介导的纤维清除、蛋白质稳定剂和基因沉默疗法）在预后方面取得了巨大进步。尽管取得了这些进展，但当涉及心脏受累时，总体生存率仍然较低，这突显了需要更好的诊断方法和敏感的生物标志物以便早期发现[10]。

尽管在诊断方法上取得了进展，但早期诊断AL心脏淀粉样病仍然具有挑战性。低浓度的单克隆游离轻链往往难以通过传统的组织活检和免疫固定方法识别，因为这些方法具有侵入性和耗时性。生物变异性、年龄和肾功能会影响血清FLC检测的准确性。质谱技术由于专业技能要求高和设备昂贵，在临床实践中并不常用，尽管它们具有高灵敏度。这些挑战促使人们需要开发高度敏感、快速、侵入性小且适用于即时诊断的诊断方法。本研究旨在通过开发基于电化学和荧光生物传感器的检测系统来填补当前研究中的空白，这些系统能够减少年龄和肾功能变化的影响，快速、灵敏且以最小侵入性测量小体积样本中的FLCs。与传统方法相比，这些生物传感器具有更低的检测限、更短的检测时间，并有潜力集成到即时诊断系统中。所提出的解决方案是一种可行、经济且具有治疗价值的方案，有助于准确诊断AL心脏淀粉样病。

**讨论**
与现有的电化学生物传感器相比，所提出的平台明显新颖，因为它结合了电化学和荧光微分析方法，并在微流控平台上实现双重模式检测低浓度sFLCs，提高了灵敏度和可靠性。与传统的系统不同，后者通常探针不稳定、容易表面污染且实际稳定性低，该方法利用纳米材料辅助的表面工程来增强稳定性，减少非特异性相互作用并延长传感器寿命。该系统适用于低样本体积、快速响应和即时诊断，更符合临床应用需求。此外，传感界面部分可重复使用，通过改进的表面再生方法提高了成本效益和可持续性。值得注意的是，使用光响应生物材料和基于荧光的系统提供了更好的信号放大、高信噪比和多重检测能力，这是传统电化学传感器无法实现的，这解释了其在性能和应用潜力上的整体优势。

**结论**
电化学和荧光微分析生物传感技术在快速、高灵敏度和非侵入性检测sFLC方面具有巨大潜力，有助于早期识别AL心脏淀粉样病。
• sFLC可以通过电分析和荧光微分析生物传感器技术的结合快速准确地识别，从而实现AL心脏淀粉样病的早期诊断。
• 所提出的技术通过优化表面工程和信号放大，实现了低样本体积、非侵入性和抗干扰的FLC检测。
• 生物传感器平台与微流控架构的结合实现了快速、多重检测和即时诊断兼容性，为免疫检测和质谱方法提供了可行的替代方案。

**本文目的**
本文旨在对当前电化学和荧光微分析生物传感技术在测量血清游离轻链（sFLCs）以早期诊断心脏淀粉样病方面的发展进行简洁系统的文献综述。特别关注新兴的传感策略，如电化学适配体传感器、基于纳米材料的平台（如金属有机框架（MOFs）和基于荧光的微流控系统，以及它们在分析、灵敏度、稳定性方面的表现，以及即时诊断的应用。此外，还讨论了与这些技术相关的关键问题，包括探针稳定性、表面污染、基质干扰和可扩展性，以及未来研究方向，以使基于这些技术的生物传感平台更具成本效益和临床适用性，并能与现代数据分析方法集成。

**部分摘录**
在心脏淀粉样病生物标志物的检测中，电化学系统和生物传感器已成为高度敏感和灵活的工具，提供快速、低体积和高效的检测，适用于即时诊断和早期发现。它们包括基于金属有机框架（MOF）的系统、适配体传感器和电化学生物传感器，能够精确检测治疗相关的生物分子（sFLC、心脏肌钙蛋白（cTnI/T）和C反应蛋白）。

**讨论**
新的早期AL心脏淀粉样病sFLC检测技术具有潜力，但仍存在关键限制。基于质谱的检测方法灵敏度高但成本高昂、通量低且需要特殊设备和人员。电化学适配体传感器存在探针不稳定、表面污染、基质干扰和患者检测受限等问题。基于MOF的生物传感器在临床可扩展性、长期稳定性和重复性方面存在问题。

**作者贡献声明**
裴晓航：数据整理、概念化。
左素琼：研究、正式分析。
李娜：项目管理、方法学。
周潘：软件、资源。
马荣军：验证、软件。
袁小丽：可视化、验证。
张琳娜：撰写——审阅与编辑、初稿撰写。

**资助**
河南省医学科技研究计划（LHGJ20240010，LHGJ20250006）联合资助项目；河南省科技计划（编号252102310249）；河南省医学科技人才海外培训计划（HNMOT2024054）。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。