【原】膀胱疾病诊断的生物标志物

Bladder (San Franc)

. 2020 Mar 24;7(1):e40.

 doi: 10.14440/bladder.2020.813. eCollection 2020.

Biomarker discovery and beyond for diagnosis of bladder diseases

Sungyong Jung 1, Jayoung Kim 2 3

Affiliations expand

PMID: 32775482

PMCID: PMC7401981

DOI: 10.14440/bladder.2020.813

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膀胱疾病诊断的生物标志物发现

细胞景观和功能改变的分子生物特征与病理状况偶然相关，这意味着膀胱疾病特有的生物标志物的前景，如膀胱癌和其他功能障碍。尿液生物标志物特别有吸引力，因为成本，时间以及获取尿液的最小和非侵入性努力。用于分析基因组，表观基因组，转录组，蛋白质组，脂质组，代谢组等的组学平台和生物信息学的进化使我们能够开发更敏感和疾病特异性的生物标志物。这些发现拓宽了我们对膀胱疾病复杂生物学和病理生理学的理解，最终可以转化为临床环境。在这篇简短的综述中，我们将讨论目前在鉴定膀胱疾病有前途的尿液生物标志物及其在诊断和监测中的作用方面所做的努力。通过这些考虑，我们还旨在为如何进一步利用这些膀胱生物标志物开发应用于临床的理想和智能医疗设备提供前瞻性的观点。

膀胱疾病的尿液和尿液生物标志物

尿液是一种废物，很容易被所有患者产生，并包含丰富的信息。它可以大批量生产，样品采购是无创的。仅考虑这些因素，尿液是一种非常有吸引力的潜在资源。然而，有几个明显的问题使尿液分析变得困难。分析前可靠性和数据分析等因素可能是一项重大挑战[1，2]。尿液样本的运输和保存尤为重要。已经表明，采样和分析之间的时间间隔增加，缺乏温度控制，以及收集后两小时内无法分析的样品缺乏防腐剂会导致低质量的测试结果[3]。然而，防腐剂也可能影响化学性质并改变某些颗粒的外观[4]。此外，尿液含有更复杂的化合物，可能受到多种外部因素的影响，包括饮食和环境[5]。一项关于习惯性饮食的尿液代谢物分析比较研究发现，417种尿液代谢物与多种食物、饮料或补充剂相关[6]。暴露于不同的环境毒素和化学物质已被证明可以反映在尿液中。一项关于儿科接触拟除虫菊酯（一种杀虫剂）的研究发现，根据每个儿童的风险水平，尿液中该化学物质的浓度不同[7]。幸运的是，技术和标准化的最新进展使尿液分析成为许多临床问题的可行选择[8]。由于尿路上皮相关的感觉网可能与过敏性良性泌尿系统疾病有关 [ 9 ] ，因此病理状态并不总是必然导致泌尿成分的变化。随着泌尿生殖系统疾病的病理学得到更好的理解，更多的诊断和预后生物标志物也被鉴定出来[10]。最近的一项研究报告称，4种尿液生物标志物与肾损伤有关[11]。通过将新技术与增加的疾病知识相结合，可以发现新的生物标志物。

多组学在膀胱生物标志物开发中的应用

组学涉及对不同生物信息域的高通量分析，包括基因组、转录组、蛋白质组和代谢组[12，13]。尿液的综合组学分析可能是疾病生物标志物的潜在有价值来源。例如，健康尿液的蛋白质组学谱可用作比较疾病状态尿液以鉴定感兴趣蛋白质的标准[14]。最近正在开发新型软件，以创建涉及通过集成比较和定量分析区分生物标志物的工作流程[15]。先进的蛋白质组学分析使膀胱癌相关蛋白具有高灵敏度和特异性的高通量谱分析，从而产生了大量信息丰富的生物标志物[16]。最近的一项研究采用了类似的策略，通过定量比较来自人类的尿液样本，确定了54种潜在的膀胱血吸虫病蛋白质生物标志物[17]。其他类型的组学应用，如基因组学，表观基因组学，转录组学和代谢组学，也用于确定膀胱血吸虫病的生物标志物。使用尿液和血浆样本进行的代谢组学分析显示，扰动的甘油磷脂和鞘脂代谢与血吸虫病及其相关的膀胱癌病理学有关[18]。使用定量甲基化特异性PCR测定法在血吸虫病感染患者的尿沉渣中发现RASSF1A和TIMP3的表观遗传学调控。RASSF1A和TIMP3的高甲基化均显示接收器操作员特征（ROC）曲线下面积的77.55%（P = 0.023）[19]。另一项研究分析了尿氨基酸，以确定男性患者下尿路症状的潜在生物标志物[20]。作为非侵入性疾病生物标志物，已经发现外泌体等尿细胞外囊泡含有多种分子和遗传物质，包括核苷酸、蛋白质、代谢物、miRNA，它们作为货物发挥作用，并将这些物质转移到附近的邻近细胞[21，22]。这些综合测试的进展继续增加我们对疾病基础生物标志物复杂性的理解，并且随着技术的发展，如何利用它们变得越来越容易。

泌尿系统疾病的微生物组研究

微生物组被定义为环境中所有微生物的集体基因组[23]。最近，人们对这一领域的兴趣激增，因为已经表明，微生物群及其群落的改变可导致慢性泌尿系统疾病（如尿路上皮癌）的发病机制[24]。一项初步研究发现，尿生态失调与尿路上皮癌之间存在关联，这表明微生物群的比率可用作潜在的诊断指标[25]。另一项研究发现，与对照组相比，癌症患者尿液中的细菌丰富度增加[26]。然而，尽管围绕微生物组在泌尿系统疾病中的应用提供了所有有希望的探索性数据，但该领域仍然相对较新，需要更全面的研究[27]。关于微生物群影响的研究也超出了泌尿生殖道。例如，幽门螺杆菌有据可查，会增加十二指肠和胃溃疡病以及胃癌的风险[28]。细菌发病机制也被认为可能与结直肠癌有关[29]。基于微生物组在许多疾病中的广泛作用，更好地了解尿液微生物及其在泌尿系统疾病中的作用可能被证明是重要的。

除了微生物组在诊断和预后中的潜在利用外，在各种治疗中识别当前的微生物群可能很重要。例如，已知胃肠道微生物会影响各种药物的代谢和毒性[30]。脊髓支原体已被证明可以代谢和灭活吉西他滨，吉西他滨是一种化疗药物，可导致耐药性[31]。此外，胃肠道细菌重新激活拓扑异构酶I抑制剂伊立替康的非活性代谢物可导致不良毒性，例如严重腹泻[32]。对于泌尿系统疾病，微生物群和治疗之间也有一些值得注意的相互作用。已经证明，D-甘露糖是一种单糖，可以阻碍细菌粘附到尿路上皮上，从而降低尿路感染的风险，并有助于急性膀胱炎的治疗。

尿液微生物组被认为在预测许多不同泌尿生殖系统疾病的疾病状态方面起着重要作用。最近，一项研究泌尿微生物组与膀胱癌之间关系的试点研究发现，属于梭杆菌属的细菌在癌症患者的尿液标本中含量明显更高[34]。另一项探索性研究比较调查了患有间质性膀胱炎（IC）/膀胱疼痛综合征（BPS）的女性患者和参加美国国立卫生研究院（NIH）慢性盆腔疼痛研究（MAPP）研究网络的多学科方法的对照组的尿液微生物群。它确定了气体乳杆菌存在的潜在负面影响和棒状杆菌的保护性影响[35]。应该注意的是，另一项关于尿失禁（UI）的研究发现，缺乏乳酸杆菌与尿急UI和抗胆碱能治疗的抵抗有关[36]。然而，由于这是两种不同的疾病，相互冲突的结果并不出乎意料。此外，有许多种类的乳酸杆菌，有些可能有助于健康或疾病的膀胱。另一方面，另一项研究收集了21例IC患者和20名匹配对照组的尿液样本，发现尿液微生物群无显著差异[37]。这两项近期研究之间相互矛盾的结论凸显了围绕这一相当新的领域的争议，以及进行更全面的纵向研究的必要性。

尿液生物标志物开发的挑战和考虑

尽管尿液生物标志物具有很有前途的潜力，但仍有一些预防措施需要考虑。可能影响生物标志物结果的一个重要因素是年龄。研究表明，成熟的肾脏会影响生物标志物水平和解释，这表明某些疾病可能需要年龄特异性生物标志物参考范围[38]。此外，基线代谢物已被证明在不同年龄组之间是不同的，这可能表明在进行尿液分析时应谨慎建立不同的年龄组[39]。性别是确定尿液生物标志物参考值时需要考虑的另一个因素[14]。女性和男性尿液的蛋白质组学分析观察到蛋白质的不同模式和变异[40]。鉴于尿液样本可能由于液体消耗而导致蛋白质或代谢物浓度的巨大差异，应特别注意数据归一化方法，以减少任何潜在的伪影[41]。此外，依赖于个体的外部因素会影响尿液生物标志物的表达。研究表明，在接受顺铂治疗的患者中，尿液生物标志物的表达存在差异[14]。某些程序也会影响尿液中的代谢物水平;另一项研究发现，在尿道中段吊带手术后，应激性尿失禁女性的泌尿神经营养因子增加。这表明，为了有效利用尿液分析，需要全面了解每个人体内可能发生的生物标志物波动。

用于检测尿液生物标志物的生物传感器

生物传感器是一个新兴领域，当涉及到检测和监测生物流体中的标记物（如汗液和尿液）时，会引起人们的极大兴趣。可穿戴传感器特别受到关注，因为它们可以便携式，方便，非侵入性，并提供重要生物标志物的实时评估[43]。除了检测和监测益处外，生物传感器还可以与治疗药物结合使用，以监测对治疗的反应[44]。传感器的潜力可以扩展到许多不同类型的情况。例如，生物传感器可以开发成电化学传感器或流体测量传感器[45]。可以构建这些生物传感器来检测各种化合物，例如抗原，生物标志物和细菌酶。

随着智能技术的出现，在医疗保健中使用此类设备也取得了令人兴奋的发展。2015年，亚利桑那大学的一组生物医学工程师开发了一种高灵敏度且具有成本效益的纸质分析设备（μPad），可以监测尿液中的尿路感染（UTI）和淋病[46]。最近的一项研究开发了一种类似的装置，可量化β葡萄糖醛酸酶，这是一种由95%的大肠杆菌（引起UTI的细菌）释放的酶[47]。除了这些基于尿液分析的检测设备外，还开发了其他几种用于检测其他化合物的设备。南台湾科技大学的一项研究开发了一种超便携式微传感器衬里生物传感器，实际上可以量化Gal-1的存在，Gal-1是一种指示多种肿瘤疾病的蛋白质生物标志物，包括膀胱癌[48]。这些新颖的设备只是触及了生物传感器巨大潜力的表面。技术的使用也可以超越检测。利用大多数人使用智能手机的事实，英国的一项研究众包了公众，对膀胱癌肿瘤微阵列的免疫组织化学污渍进行分级[49]。令人惊讶的是，这被发现是筛选免疫组织化学（IHC）数据和加速生物标志物发现的潜在准确方法。

生物传感器的数字应用

生物传感器数字应用的兴起也是一个引起极大兴趣的新兴领域。能够使用日常技术来监测健康状况，带来了难以置信的可能性。这不仅可以降低患者的风险并降低医疗成本，还可以产生大量数据，这些数据可用于进一步开创科学。用于监测的最常用交互式应用程序是糖尿病。目前，有两个主要的移动应用程序结合了自我监测血糖（SMBG）记录和胰岛素追加计算器。这些是Diabeo（Voluntis）和糖尿病互动日记（DID）[50]。研究表明，使用Diabeo监测1型糖尿病患者可以显著改善慢性控制不佳患者的代谢控制，而无需更多的医疗时间，并且成本低于典型的标准治疗[51]。与DID的类似研究表明，它可以降低中度至重度低血糖的风险，同时改善生活质量[52]。然而，这些应用程序仍在进行中，仅在糖尿病监测的某些领域显示出改进。随着技术的快速创新和进步，应该继续专注于使这些应用程序更好。

除了对慢性病进行实时监测外，数字应用程序还可以带来大量可用于更全面研究的健康数据。例如，将物联网（IoT）功能添加到商业上使用的连续血糖监测仪（CGM）可以远程监测患者和众包该数据[53]。随着个人技术越来越多地嵌入患者的生活，可以捕获数字表型以增强健康和保健[54]。技术与个人健康的这种整合有一个警告。随着信息的形成和来源，必须认真注意分散数据库，并确保患者健康信息保持私密和受到保护。有了适当的网络安全，数字健康监测的承诺是无穷无尽的。

结束语

基于尿液的分子谱分析技术的进步，针对疾病特异性生物标志物的生物传感器的开发以及无线连接的医疗设备将为受膀胱疾病影响的患者带来智能诊断和监测。由于包括我们在内的科学家和泌尿科医生的严格努力，为膀胱疾病（如膀胱癌和其他类型的膀胱功能障碍）定义生物标志物，我们有了更好的想法如何管理这些膀胱疾病。正如我们在本文中讨论的那样，目前的证据表明，将基于多组学分析的膀胱疾病表征和尿液生物标志物的应用集成到智能医疗设备中，可以引领未来的患者护理工具。