用于解析疼痛通路和麻醉反应机制的整合多组学与电化学生物传感方法

《Microchemical Journal》：Integrative multi-omics and electrochemical biosensing approaches for deciphering pain pathways and anesthesia response mechanisms

　　

• 多组学驱动的 IL6 作为具有临床相关性的炎症生物标志物的识别。
• 开发基于金纳米颗粒 - 碳电极的敏感 Anti-IL6 电化学生物传感器。
• 集成使用 ESP32 和移动应用程序的便携式物联网监控。
• 利用生物信息学知识整合进行炎症反应的通路水平解释。
• 一种用于炎症监控、疼痛通路评估和麻醉反应评估的潜在工具。

引言
疼痛是一种复杂的生理和病理过程，包含神经元、免疫和炎症信号成分。急性和慢性疼痛严重影响生活质量、功能能力、临床结果以及全球医疗负担。患者对麻醉的生理反应是在任何患者的围术期护理和恢复中必须考虑的重要因素 [1]。最近的研究表明，神经免疫相互作用和炎症介质在调节伤害感受性传递、神经元致敏和麻醉引起的生理变化中起着至关重要的作用 [2]。因此，识别反映这些生物过程的可靠分子指标对于更好的诊断、治疗监测和个性化临床护理至关重要。白细胞介素 -6 (IL-6) 是被认为在疼痛进展中起作用的介质之一，也是神经炎症、免疫调节和伤害感受性信号领域的重要细胞因子 [3]。在几种疼痛相关疾病中，如神经病理性疼痛、炎症性疼痛、术后疼痛和慢性疼痛综合征，都观察到 IL-6 分泌增加。IL-6 通过激活 JAK/STAT、NF-κB 和 MAPK 级联等下游通路放大炎症，致敏神经元，并调节疼痛感知 [4]。因此，IL-6 是与疼痛和麻醉相关的炎症相关生理变化的潜在生物标志物。

IL-6 是一种极具前景的炎症疼痛介质，因为作为生物传感应用的转化生物标志物它具有许多优势。然而，它不如 TNF-α 和 IL-1β 那样成熟。IL-6 具有持续的系统性表达，参与先天性和适应性免疫调节，并且可以在外周血中轻松定量，而不像主要涉及早期炎症激活的细胞因子。由于其特性，IL-6 更适合作为实时电化学生物传感疼痛和围术期生理反应相关炎症的目标进行连续、微创监控。

高通量组学技术的发展导致了与疾病相关的分子变化的详细表征。结合转录组学、通路富集和网络生物学的多组学分析，有助于理解病理状况中涉及的复杂分子机制。KEGG、Reactome 和 Enrichr 等通路资源，结合基因表达综合数据库 (GEO) 等公共存储库，使得对失调基因、通路和分子相互作用网络的识别采取系统的方法 [5]。这些整合分析可以识别重要的潜在调节生物标志物，并可能提供炎症、神经免疫激活和伤害感受性信号之间的机制联系 [6]。尽管在利用多组学技术筛选疼痛相关分子特征方面取得了显著进展，但其在实时患者监控中的临床应用仍然有限。在围术期，包括 IL-6 在内的炎症生物标志物与评估手术炎症反应相关；在麻醉恢复期，与评估生理应激水平和从手术中恢复相关；在慢性疼痛综合征中，当慢性神经炎症促成疾病进展时。然而，现有方法通常不将多组学衍生的生物标志物优先级与实时电化学生物传感相结合，这指向了具有临床转化能力并整合分子见解与实时即时护理监控的平台。多组学方法主要关注来自公共 GEO 数据集的转录组数据，结合 KEGG、Reactome 和 Enrichr 通路分析，以及蛋白质 - 蛋白质相互作用网络分析，用于生物标志物识别和生物解释。蛋白质组学和代谢组学数据未直接分析，可被视为未来研究方向。

电化学生物传感器的使用因其高灵敏度、快速响应、便携性、低成本以及适用于即时护理应用而备受关注。基于金纳米颗粒 (AuNP) 的生物传感器特别具有改善的电子转移特性、可用于生物分子固定的更大表面积以及优异的生物相容性 [7], [8]。通过结合抗体等特异性生物识别组分，AuNP 修饰电极允许在低浓度下选择性检测临床相关生物标志物。此外，电化学生物传感可以与无线通信技术和移动健康平台相结合，实现生物标志物的实时监控和去中心化应用，如医疗保健 [9], [10], [11]。尽管在利用多组学分析进行生物标志物发现和电化学生物传感器开发方面取得了显著进展，但这两条研究路线在很大程度上是独立的。虽然多组学研究可以提供分子机制的系统生物学视角，但它们不适用于临床应用，而传统生物传感器只能测量一个或几个生物标志物的数量，而不考虑它们的生物网络背景。因此，可以通过组学开发的分子特征数量很高。然而，在将分子特征转化为具有临床解释性的实时监控平台之间仍然存在巨大差距。这一差异必须通过结合多组学驱动的生物标志物优先级和电化学生物传感来克服，以实现定量生物标志物检测，此外还要对炎症/伤害感受性反应进行通路水平表征，以实现精确疼痛监控。

因此，目前的研究致力于创建一种结合多组学分析和电化学生物传感的综合方法，用于识别和监控疼痛相关炎症标志物。使用转录组数据识别与神经炎症和伤害感受性调节相关的关键基因和通路；因此，IL6 被选为潜在生物标志物。随后开发了一种检测 IL6 的电化学生物传感器，并通过物理化学和电化学方法对其进行表征，用抗 IL6 抗体功能化并用金纳米颗粒 (Anti-IL6-AuNP) 封装。最终，电化学传感器的输出通过无线 ESP32 启用的移动平台与来自 GEO、KEGG、Reactome 和 Enrichr 数据库的通路信息连接，从而实现了对炎症反应的生物信息解释。本研究提出的策略可以通过多组学方法发现的生物标志物的实时电化学生物传感，成为炎症监控、疼痛通路分析和评估麻醉反应的一个有吸引力的选择。

章节片段
材料与方法
金纳米颗粒 (AuNPs) 被用作电极修饰的主要纳米材料，因为它们具有高表面积与体积比、优异的导电性和优越的电催化性能，这极大地改善了电极界面的电子转移动力学。抗体白细胞介素 -6 (IL-6) 被选为代表神经化学生物标志物，因为它在疼痛通路和中枢神经系统调节中具有基本功能。生理条件为
Anti IL6-AuNPs 的物理化学表征
对 AuNPs 和 Anti IL6-AuNPs 结合物进行 FTIR 分析 (图 1(a–b)) 以确认金纳米颗粒用 IL-6 生物分子进行表面功能化。AuNPs 的 FTIR 光谱在约 3430–3510 cm?1 处显示了一个宽 OH 伸缩振动带，这归因于羟基和吸附水分子的存在。~1634 cm?1 处的强峰与 CO 伸缩和酰胺相关振动相关，而光谱范围 1000–1100 cm?1 内的一个带被分类
讨论
本研究为成功结合多组学分析和电化学生物传感以识别和监控疼痛相关炎症生物标志物提供了概念验证。GSE111216 和 GSE187345 数据集显示了大量与神经免疫激活、炎症信号和伤害感受性致敏相关的分子变化。差异表达分析发现许多炎症介质被显著失调，如 IL6，
结论
一项关于疼痛相关分子通路和麻醉反应的研究，创建了一种整合的多组学和电化学生物传感方法。两个数据集 GSE111216 和 GSE187345 均进行了全面的转录组分析，这导致了显著失调的炎症性、神经免疫性和伤害感受性信号通路（如细胞因子介导的信号、NF-κB、MAPK 和 JAK/STAT 通路）的识别。IL6 被确定为一种
挑战与局限性
尽管多组学分析和电化学生物传感器成功结合用于 IL-6 检测和炎症监控，但仍存在一些挑战。目前系统的主要缺点是它基于单一生物标志物 (IL-6)，该标志物与疼痛和神经炎症密切相关，但可能无法代表多因素疼痛和麻醉反应的复杂性，例如对其他细胞因子和神经化学介质的反应。此外，敏感性和长期
未来展望
未来需要进一步发展基于多组学的生物标志物发现和实时电化学生物传感的结合，以创建更全面且具有临床转化能力的诊断平台。使用多生物标志物面板而不是单一细胞因子（如 IL-6），可能对涉及疼痛、炎症和麻醉反应变异性的复杂疾病产生更好的诊断准确性。额外的组学层，如蛋白质组学、代谢组学和单细胞
CRediT 作者贡献声明
Yue Yao：形式分析，概念化。Shoujun Tao：写作 - 审查与编辑，写作 - 原稿。Chengqi Dong：方法论，形式分析。Yiqing Mi：方法论，调查。Xu Qiu：软件，资源。Xu Li：可视化，验证。
资金
本研究未收到任何资金。
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本论文中报告的工作。
Yue Yao|Shoujun Tao|Chengqi Dong|Yiqing Mi|Xu Qiu|Xu Li