利用电化学传感器分析骨关节炎的生物标志物和疾病监测：骨关节炎中滑膜软骨相互作用的细胞和分子机制

《Microchemical Journal》：Analysis of biomarkers and disease monitoring of osteoarthritis using electrochemical sensors: cellular and molecular mechanisms of synovial cartilage interaction in osteoarthritis

　　•生物标志物的检测可以在分子水平上反映疾病的病理过程。•单细胞转录组和其他组学技术的发展系统地分析了这种相互作用的细胞和分子机制。•本综述结合了关于骨关节炎中滑膜巨噬细胞与软骨细胞相互作用分子机制的研究结果。

**引言**
骨关节炎是全球最常见的退行性关节疾病。随着人口老龄化和肥胖率的增加，该疾病造成的残疾负担持续增加。目前，骨关节炎的诊断主要依赖于影像学检查，这些检查只能识别出具有软骨缺陷和骨增生等结构变化的中晚期病变，但无法捕捉到早期的分子水平病理异常或准确量化滑膜炎症和软骨代谢的程度。生物标志物的检测可以在分子水平上反映疾病的病理过程，成为实现骨关节炎早期诊断、疾病分层和疗效监测的核心途径。然而，其临床应用长期以来受到检测技术的敏感性、成本和操作便利性的限制。基于目标分子-电极界面生物识别反应产生的电信号定量变化原理的电化学传感器具有高灵敏度、低检测成本、小样本量以及易于微型化集成等多种技术优势，已成为骨关节关节炎医学检测领域的热点研究方向。单细胞转录组和其他组学技术的发展系统地分析了骨关节炎中滑膜与软骨之间的相互作用机制，筛选出了一批具有明确病理功能的核心信号分子，为电化学传感器的靶点选择提供了有力的机制支持。本综述结合了关于骨关节炎中滑膜巨噬细胞与软骨细胞相互作用分子机制的研究结果，系统总结了电化学传感器在骨关节炎生物标志物检测中的技术体系、研究进展和应用前景，为相关检测技术的发展和转化提供了参考。

**骨关节炎（OA）**是全球导致活动受限的关节疾病的主要来源，其发病率随着人口老龄化和肥胖率的增加而持续上升[1]。膝关节OA通过疼痛、僵硬和关节功能逐渐丧失造成严重的残疾负担，唯一持久的终末治疗选择是全关节置换[2]。尽管OA历史上被归类为关节软骨的磨损性疾病，但纵向放射学和关节镜数据表明，这种情况更像是一种全身关节综合征，其中软骨基质丧失之前和伴随有软骨下骨重塑、半月板损伤和慢性滑膜炎[3]。滑膜不再是一个被动的屏障：低度滑膜炎症在队列研究中预示着软骨丧失和症状进展，而结构性滑膜炎在软骨丧失之前就可以通过磁共振成像检测到[4][5]。因此，对OA的机制解释需要将软骨和滑膜视为一个耦合系统，而介导这种耦合的细胞的重要性尚未完全阐明。在滑膜细胞中，巨噬细胞已成为研究的重点。滑膜巨噬细胞构成一个异质性群体，其增殖在膝关节OA患者亚组中具有区分作用，并且在鼠模型中，向M1样状态的极化会加速软骨丧失[6][7]。关节组织的单细胞RNA测序（scRNA-seq）将这一群体划分为多种转录状态，C1Q标记的组织驻留巨噬细胞、SPP1高表达的脂质负载巨噬细胞以及IL1B/CXCL8高表达的炎症巨噬细胞在风湿性和骨关节炎滑膜中反复出现[8]。这些状态分泌不同的配体谱，因此预计会对软骨细胞产生不同的下游效应。目前尚未通过统一的检测流程正式验证特定巨噬细胞状态是否优先与特定软骨细胞状态进行交流，以及这种联系是否在不同队列中普遍存在。

**软骨细胞方面**也得到了类似的研究进展。Ji及其同事对人类OA软骨的单细胞图谱定义了从稳态和再生软骨细胞到肥大性、纤维软骨细胞及前肥大性状态的渐进过程，由此产生的GSE104782数据集已成为OA软骨细胞轨迹的参考轴[9]。后续的软骨scRNA-seq研究增加了特定区域的分层分析，包括对胫骨内侧平台和外侧区域的承重和非承重区域的分别检测[10]。软骨细胞沿着这些轴的进展与II型胶原和聚集蛋白产量的下降、肥大标志物的上升以及基质降解金属蛋白酶和炎症介质的积累相关[11][12]。

**骨关节炎的早期诊断和评估**在很大程度上依赖于生物标志物的精准检测。然而，传统的免疫学检测方法在灵敏度、检测通量和与微样本体积的兼容性方面存在局限性。电化学传感技术提供了一种重要的技术途径来突破这一瓶颈。电化学传感器通过电极表面电活性物质的氧化还原反应产生的电信号与目标物质浓度之间的定量关系来进行检测。根据信号收集方式，它们可以分为伏安型、阻抗型、电位型和电流型。通过修改电极表面的生物识别元件（如抗体、适配体和肽），可以实现多种生物标志物（包括蛋白质、核酸和小分子代谢物）的高特异性和灵敏度定量分析。在骨关节炎诊断医学领域，电化学传感器已被广泛用于开发检测软骨降解产物、炎症因子和滑膜来源蛋白质等生物标志物的方法。例如，经过纳米材料（金纳米颗粒、碳纳米管、金属有机框架）修饰的电化学免疫传感器可以将检测限降低到pg/mL水平，显著优于传统的酶联免疫吸附测定。对于关节液中低丰度的炎症介质，信号增强策略（如酶促信号放大和核酸环放大）可以进一步提高检测灵敏度，以满足早期病变阶段微量生物标志物的检测要求。与蛋白质芯片和质谱等高通量检测技术相比，电化学传感器具有仪器成本低、操作简便、检测时间短以及可微型化并在床边使用的优势，适用于骨科临床门诊和基层医疗机构的筛查和随访应用。目前，骨关节炎领域有许多候选生物标志物，但缺乏在多个队列中得到验证并具有明确机制支持的核心检测靶点，导致电化学传感器开发面临靶点分散和临床转化价值不足的问题。本研究基于多队列单细胞转录组数据分析了滑膜巨噬细胞与软骨细胞之间的相互作用信号轴，筛选出了稳定的跨队列核心配体-受体通路，这可以为骨关节炎电化学诊断传感器的靶点选择提供基因组水平的机制基础，并促进高价值检测靶点与高灵敏度传感技术的结合。

单细胞配体-受体评分是一种已建立的跨区域问题的研究方法，并已应用于其他炎症性关节并取得了显著成果，但OA特有的应用大多局限于一个队列[13][14]。在本研究中，四个独立的OA单细胞资源被整合在一个统一的Seurat工作流程下：GSE152805包含了胫骨内侧和外侧平台软骨配对的滑膜样本，作为发现队列；GSE104782追踪了从S0到S4阶段的软骨细胞进展；GSE216651提供了独立的滑膜和IPFP巨噬细胞队列；GSE255460提供了区分承重和非承重区域的独立软骨队列以及形态正常的软骨队列。一个精心整理的配体-受体目录针对巨噬细胞-软骨细胞发送者-接收者对进行了评分，并在每个验证队列中测试了这些轴的稳定性。目标是提取一个紧凑的、跨队列的核心列表，其中巨噬细胞到软骨细胞的轴的活性随OA进展而增强，并集中在机械负荷较大的区域。

**数据集和队列组成**
从基因表达谱数据库（Gene Expression Omnibus）检索了四个单细胞转录组数据集，用于不同的研究目的[15]。GSE152805包含了来自骨关节炎捐赠者的成对膝关节样本，涵盖了滑膜（SY）、相对保存较好的胫骨外侧平台软骨（oLT）和严重受损的胫骨内侧平台软骨（MT），是研究巨噬细胞与软骨细胞交流的发现队列。GSE104782包含了关节软骨样本...

**多组织单细胞图谱**
在应用标记模块分配后，GSE152805图谱解析出了九个主要细胞群体（图1A）：软骨细胞形成了软骨区的主要簇，而巨噬细胞、成纤维细胞、内皮细胞、T/NK细胞、B细胞/浆细胞、肥大细胞、周细胞/平滑肌细胞和循环细胞占据了较小且分离良好的区域。当按组织来源对相同坐标进行着色时（图1B），滑膜（SY）...

**讨论**
通过多队列单细胞转录组分析识别的核心信号轴，如SPP1、MIF和趋化因子，与电化学传感领域报告的具有高度潜力的骨关节炎诊断靶点高度一致。这些结果为相应传感方法的开发提供了基因组水平的证据。SPP1（也称为分泌型磷酸蛋白1或骨桥蛋白）是滑膜微环境中的关键介质...

**结论**
本研究确定了滑膜巨噬细胞与软骨细胞之间的核心信号轴，为骨关节炎电化学诊断传感器的开发提供了经过验证的高质量靶点组合，将促进基础机制的研究进展。OA中的滑膜巨噬细胞通过与一组小的、反复出现的配体-受体轴与软骨进行交流，这些轴在不同队列中保持稳定，并集中在机械负荷较大的内侧区域。

**作者贡献声明**
Chuan Wang：撰写——初稿、软件实现。Jian Li：资源支持、方法学设计。Cheng Wu：撰写——审阅与编辑、项目管理。Zehong Wu：方法学设计、资金获取。Yuanyuan Zhao：可视化、数据管理。Wenfeng Li：实验设计、概念构思。Yun Hong：撰写——初稿、软件实现。Shunlun Chen：可视化、概念构思。Xu Ning：资金获取、概念构思。

**资助**
本研究得到了贵州省卫生健康委员会科学基金（gzwkj2023-177）和贵州省基础研究计划（自然科学）（编号ZK[2023] general 346）的支持。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

**作者名单**
Chuan Wang | Jian Li | Cheng Wu | Zehong Wu | Yuanyuan Zhao | Wenfeng Li | Yun Hong | Shunlun Chen | Xu Ning