脂质组学在皮肤病学中的应用进展

梁毅敏,邵 蕾,张淑娟,刘玉梅

(广州医科大学皮肤病研究所 广州市皮肤病防治所 皮肤科,广东 广州510095)

脂质不仅作为生物膜组成的一部分,且作为能量来源以及具有信号分子功能,随着生理、病理和环境条件的变化而不断变化[1]。脂质谱的改变可影响多种疾病的发生发展,包括各种代谢性疾病、心血管疾病、癌症及神经退行性变等。脂质组学是一门通过系统全面分析生物样品中的脂质以及与其相互作用的分子,进而揭示脂质在生命活动过程中的代谢调控过程的分支科学。在皮肤病学研究中,脂质对于维持皮肤屏障功能及调控细胞增殖分化具有重要作用,进而影响皮肤疾病的发生发展,脂质组学可为深入探究皮肤疾病发病机制及寻找潜在生物标记物提供可能性。本文就目前脂质组学在皮肤病学中的应用进展综述如下。

1 脂质组学概述

脂质组学是代谢组学的一个重要分支,它是对生物体、组织或细胞中的脂质进行全面系统的定性定量分析、鉴定,了解脂质的结构和功能,进而揭示脂质代谢与细胞、器官乃至机体的生理、病理过程之间的关系的一门学科。脂质组学研究的技术主要包括脂质的提取、分离、分析鉴定以及相应的生物信息学技术。近年来脂质组学取得了很大进展,主要得益于质谱技术(mass spectrometry,MS)的发展[2],WANG等利用液相色谱串联质谱(liquid chromatography-tandem mass spectrometry,LC-MS/MS)的方法,对2型糖尿患者及正常对照的血液进行脂质组学分析,结果发现4个磷脂分子,包括2个磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine,PC)和2个磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine,PE),可以作为诊断2型糖尿病的潜在生物标志物[3]。通过对此类脂质生物标志物的监测和研究,可为临床疾病的预防、筛查与早期诊断提供的新的途径和方法。此外,脂质组学已在心血管疾病、肝脏疾病、肿瘤、免疫等重要学科领域取得重大研究进展,为探索各类疾病潜在脂质生物标记物以协助诊断、探究疾病发生过程的脂质代谢变化以寻求与脂质通路相关的发病机制提供新的技术和方向[4-7]。

2 脂质组学在皮肤病学中的应用

在皮肤病学研究中,人体皮肤的脂质成分在建立皮肤屏障功能、影响表皮微生态、作为影响表皮代谢分化过程的多功能介质等方面有重要作用[8],因此脂质组学在皮肤病学中的研究及应用受到越来越多的关注。

2.1 痤疮

痤疮是一种累及毛囊皮脂腺单位的慢性炎症性皮肤病,雄激素刺激皮脂分泌增加是痤疮发生的前提,脂质成分的改变也是导致痤疮发生的重要因素[9]。杨明等[10]采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱联用技术分析比较36例新生儿痤疮和健康对照组的面部皮脂标本,发现新生儿痤疮面部皮损脂质总量较健康组明显增加,脂质成分也存在明显差异,角鲨烯、甘油二酯、蜡酯的平均相对含量显著增加,亚油酸平均相对含量显著减少,这为揭示新生儿痤疮发病机制提供了一定的理论基础。Zhou等[11]利用脂质组学分析研究皮肤表面皮脂与痤疮分级的相关性,结果发现不饱和脂肪酸链的长度随着痤疮的严重程度增加而减小,另外在青春期痤疮中占主导地位的甘油三酯相对平均水平随着痤疮皮损的严重程度而增加。脂质组学分析展现了皮脂各成分在不同痤疮分级的变化趋势,为揭示皮脂变化在痤疮发病机制中作用以及为痤疮的分级治疗提供了有力的理论帮助。另外最新的研究表明痤疮与饮食中的脂质也有关联：Melnik[12]综合讨论了饮食与痤疮代谢组学、炎症和粉刺形成的联系,饮食中高游离棕榈酸可通过白细胞介素-1β释放、Th17分化和IL-17介导角质形成细胞增殖刺激toll样受体-2介导的炎症体活化,油酸通过释放白细胞介素-1α刺激痤疮丙酸杆菌粘附、角质细胞增加和粉刺形成,因此建议痤疮患者平衡能量摄入、限制精制碳水化合物、牛奶、饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸,推荐蔬菜和鱼类饮食。有报道证实了饮食中补充 omega-3 脂肪酸不仅能明显改善痤疮的炎症,还可缓解其他炎症性皮肤病的症状[13]。如果能从血浆脂代谢方面分析痤疮患者与正常人群脂代谢变化差异,可进一步发掘预防痤疮、辅助痤疮药物治疗的脂质类产品及精准指导患者饮食习惯,从而提高患者对痤疮治疗的满意度。

2.2 银屑病

Th17细胞异常活化产生的IL-23/IL-17轴在银屑病发病机制中发挥关键作用已众所周知,现有越来越多证据指出代谢通路与Th17细胞活化是有着密切联系的。银屑病常伴发肥胖、血脂异常、2型糖尿病等代谢相关疾病,说明其发生发展与脂代谢紊乱有关[14]。Zeng等[15]通过超高效液相色谱-串联四极杆质谱法分析比较45例银屑病患者及健康受试者血浆脂质代谢物差异,发现甘油磷脂代谢的元素如溶血磷脂酸、溶血磷脂酰胆碱及磷脂酸显著增加而磷脂酰肌醇和磷脂酰胆碱下调。另外,神经酰胺具有参与皮肤屏障构成及调节皮肤免疫等重要作用,有不少研究表明神经酰胺代谢异常与银屑病的发生发展相关,Borodzicz等[16]关于银屑病患者的皮肤活检研究显示,银屑病斑块皮损区的神经酰胺合成水平、SPT蛋白表达水平显著低于非皮损表皮。uczaj 等[17]利用反相液相色谱-四极杆飞行时间串联质谱分析研究银屑病患者角质形成细胞神经酰胺(ceramide,CER)特征,发现角质形成细胞中,CER[NS]、CER[NP]等六种神经酰胺亚型的相对表达水平较高,而CER[NDS]的表达水平低于健康受试者。脂质组学分析或许为探索脂质不同种类代谢与T细胞活化关系在银屑病中的发病机理提供一个新的方向。

2.3 白癜风

白癜风考虑与在遗传背景下出现自身免疫、氧化应激等因素促使黑素细胞的破坏有关。现国外有研究表明白癜风与脂质代谢异常亦有关,Kanchan等[18]对白癜风患者进行血清脂质谱分析,与对照组相比,白癜风患者的LDL-胆固醇浓度显著升高,HDL-胆固醇浓度显著降低。Liang等[18]利用超高效液相色谱-串联质谱法鉴定22种脂质在白癜风和健康人群中有差异表达,研究发现溶血磷脂酰胆碱、sn-甘油-3-磷酸胆碱、脂质介质血小板活化因子水平上调。Ye等[20]利用高效液相色谱-串联质谱仪分析白癜风人群的血清脂肪酸表达水平,发现白癜风患者血清α-亚麻酸(α-Linolenic acid,ALA)水平明显升高,而花生四烯酸(arachidonic acid,ARA)水平显著下降,另外用CCK-8检测ARA对CD8+T细胞活性,发现ARA对CD8+T细胞有抑制作用。由此看来,ARA可通过抑制CD8+T细胞活性,阻断其异常激活导致表皮黑素细胞破坏的发病过程,这或许可为白癜风的治疗提供了一个新的方向。

2.4 系统性红斑狼疮

系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus,SLE)是一种伴有多器官损害的系统性自身免疫性疾病。现已有研究表明SLE的发病机制与脂质代谢的改变有关,如以中心性肥胖、高血糖、血脂异常等为表现的代谢综合征与SLE的发生发展密切相关,肥胖本身是一种促炎状态,IL-17、IL-23和TNF-α等促炎分子的基因和蛋白表达增加[21]。SLE本身也可引起显著的血脂异常,Lu等[22]利用鸟枪法脂质组学技术对SLE患者血脂谱进行鉴定分析,发现二酰基磷脂酰乙醇胺和神经酰胺类成分的显著改变可以作为SLE早期诊断及预后的附加生物标志物。

2.5 黑素细胞瘤

皮肤黑素瘤的发病通常与遗传、长期紫外线暴露损伤以及皮肤损伤有关。然而肿瘤发生发展过程中都有特定的代谢过程,利用代谢组学技术监测代谢物的变化或波动情况,或许就能对揭示肿瘤发病机制及寻找生物标记物帮助早期诊断。黑色素瘤细胞通常先通过淋巴系统局部转移,再通过血液途径转移,其病因尚不清楚,而Ubellacker等[22]通过脂质组学及代谢组学技术揭示了这一转移机制：淋巴系统具有更高油酸及还原型谷胱甘肽水平,使癌细胞获得较高抗氧化能力,并增加癌细胞在随后的血液转移过程中存活的能力。Perez-Valle等[23]通过UHPLC-ESI质谱法比较分析人类正常表皮、黑素痣细胞及恶性黑素瘤脂质谱,发现肿瘤性和非肿瘤性黑素细胞具有不同的脂质特征：恶性黑素瘤细胞脂质特征主要表现为醚型脂质、磷脂酰甘油和磷脂酰肌醇水平的升高以及鞘磷脂水平的下降,揭示了黑素细胞脂质谱的改变,对黑素细胞的良恶性鉴别及转化具有重要意义。

2.6 特应性皮炎

皮肤屏障-瘙痒恶性循环为特应性皮炎发病的关键环节,其中表皮脂质为维持正常的皮肤屏障功能发挥着重要作用[25]。Li等[26]利用LC-MS分析比较了AD患者与健康对照组的角质层脂质,并比较了金葡菌定植与金葡菌非定植的角质层脂质谱以探究金葡菌定植与皮脂组成的关系：与金葡菌非定植相比,金葡菌定植的CER[AH]、CER[AP]、极长链CER[EOH]、CER[EOS]水平显著降低。这表明表皮脂质中的神经酰胺链长度的改变可以影响金葡菌的定植。Wang等[27]采用超高效液相色谱-四极飞行时间质谱测定28例AD婴儿及健康婴儿面颊部皮脂成分发现29种具有显著差异的脂质标记物,对AD婴儿面部皮脂分布特征做了明确分析。这提示AD患者皮损中皮肤屏障功能障碍的原因与脂质类型、含量和结构密切相关。强大的脂质组学技术完整地揭示了AD的脂质谱,尽管这些脂质成分的改变与AD发病的关系仍未非常明确,但这将有利于进一步探索AD的发病机制及治疗方案,为其提供思路。

2.7 黄褐斑

黄褐斑是一种获得性色素增加性疾病,以往多认为与紫外线、性激素、遗传等因素有关。有生物信息学分析研究表明,除了黑色素相关基因表达上调,大部分脂质代谢相关基因在黄褐斑皮损中下调,而这一发现与黄褐斑的屏障功能受损有关[28]。Xu[29]等进一步探究了黄褐斑皮损表皮脂质组成,发现黄褐斑皮损中神经酰胺水平显著增加,可能是维持皮肤屏障功能的代偿机制。此外,一些关键的脂类物质在黑素细胞高度活化的皮损中表达较低,这表明黄褐斑患者需要更好的皮肤屏障保护。

2.8 老年瘙痒症

老年瘙痒症是一种在老年人群中常见的皮肤病,目前发病机制尚未明确,有研究认为老年相关的皮肤屏障破坏以及表皮脂质成分的改变在老年瘙痒症发病中起着重要作用。Ma[30]等采用LC-MS方法分析研究老年瘙痒症患者的皮肤表面脂质成分变化,并基于偏最小二乘判别分析发现老年性瘙痒症患者和健康对照组的皮肤表面脂质图谱明显分离,老年瘙痒症患者中几类主要脂质如甘油二酯、脂肪酸、磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、鞘氨醇等显著增加,而三酰甘油显著降低;研究还发现某几种神经酰胺与经皮水分丢失呈正相关性,鞘磷脂和神经酰胺某几种亚型与瘙痒程度相关,这提示老年瘙痒症患者某些皮肤表面脂质成分改变与皮肤屏障破坏相关,并进一步诱发瘙痒症状。进一步研究此类脂质成分变化的致痒机制对于探讨老年瘙痒症发病机制有着重要价值。

3 总结与展望

现有的研究表明,痤疮、银屑病、特应性皮炎等多种皮肤疾病与脂质代谢有关,均伴有不同程度脂质紊乱现象存在。脂质组学技术的蓬勃发展可为揭示脂质代谢通路在皮肤疾病中的相关机制提供了巨大帮助。脂质组学已在代谢疾病、心血管、肿瘤等多学科领域广泛开展研究并取得傲人进展,然而在皮肤病学中应用不甚广泛,一方面脂质成分及代谢调控过程复杂,另一方面部分皮肤病学中相对少见病的脂质代谢方面发病机制研究资料缺乏,还有待进一步深入探究。未来随着脂质组学技术的成熟,或许可与其他代谢组学技术联合共同探讨脂质代谢通路在皮肤疾病的发病机制,识别生物标记物,为临床提供早期检测和诊断手段。