質(zhì)譜技術(shù)在磷脂分析中的應用研究進展

田慶龍,趙麗麗,馮毅凡

(廣東藥學院中心實驗室，廣東 廣州 510006)

磷脂具有多種重要的生理功能，大量研究表明磷脂代謝紊亂可引發(fā)諸多疾病，如糖尿病[1～7]、肥胖癥[8]、動脈硬化癥[9]、冠心病[2]、阿爾茨海默病[10,11]、腦損傷[12]、癌癥[13,14]、脂肪肝[15]及巴特綜合癥[16]等。因此，生命體中磷脂類物質(zhì)及其代謝過程的研究已成為疾病發(fā)病機理和診斷治療以及醫(yī)藥研發(fā)的重點。為了得到生物樣本中更為全面的磷脂信息，更好地反映生物體內(nèi)磷脂類物質(zhì)的作用機制，并找到與疾病相關(guān)的生物標志物或代謝規(guī)律，為疾病的早期診斷提供科學依據(jù)，科學家已經(jīng)將磷脂的整體分析作為研究的重點。

隨著磷脂分析技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對磷脂在生物膜的組成、結(jié)構(gòu)及功能的研究日益深入。大多數(shù)甘油磷脂作為脂質(zhì)第二信使的前體，如含有花生四烯酸和二十二碳六烯酸磷脂與磷脂酰膽堿就是磷脂酸的前體。磷脂在急性炎癥、血小板聚集和神經(jīng)遞質(zhì)的釋放中扮演了血小板激活因子的角色[17]。

2008年，德國不萊梅大學Jan等[18]提出了磷脂組學的概念。磷脂組學是對整體磷脂進行系統(tǒng)分析的一門新興學科，是脂質(zhì)組學的一個分支，通過比較不同生理狀態(tài)下磷脂代謝網(wǎng)絡(luò)的變化，進而識別代謝調(diào)控中關(guān)鍵的磷脂生物標志物，最終揭示磷脂在各種生命活動中的作用機制。電噴霧-質(zhì)譜技術(shù)(ESI-MS)是磷脂組學領(lǐng)域最核心的研究手段，目前已能對磷脂進行高分辨率、高靈敏度、高通量的分析。隨著液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)(LC-MS)的發(fā)展，磷脂組學在疾病磷脂生物標志物的識別、疾病診斷、藥物靶點及先導化合物的發(fā)現(xiàn)和藥物作用機制的研究等方面已展現(xiàn)出廣闊的應用前景，具有十分重要的意義。

1 磷脂的分類

磷脂的結(jié)構(gòu)特點：具有由磷酸相連的取代基團(含氨堿或醇類)構(gòu)成的親水頭(Hydrophilic head)和由脂肪酸鏈構(gòu)成的疏水尾(Hydrophobic tail)。磷脂根據(jù)醇成分的不同分為甘油磷脂和鞘磷脂(SM)。

甘油磷脂是機體含量最高的一類磷脂，它除了構(gòu)成生物膜外，還是膽汁和膜表面活性物質(zhì)等的成分之一，并參與細胞膜對蛋白質(zhì)的識別和信號轉(zhuǎn)導。甘油磷脂依據(jù)極性頭的不同分為磷脂酰膽堿(PC)、磷脂酰乙醇胺(PE)、磷脂酰絲氨酸(PS)、磷脂酰肌醇(PI)、磷脂酰甘油(PG)和磷脂酸(PA)6大類，在每一大類下由于脂肪酸鏈的不同又分為多種結(jié)構(gòu)相似的亞類，如縮醛磷脂、溶血磷脂等。心磷脂(CL)為雙磷脂酰甘油，是廣泛存在于線粒體內(nèi)膜的一種復雜磷脂，可調(diào)節(jié)氧化磷酸化相關(guān)酶的活性，在維持線粒體功能和膜完整性方面發(fā)揮重要作用。

鞘磷脂也稱神經(jīng)鞘磷脂，廣泛存在于生物組織內(nèi)，尤其在腦組織中含量特別多。

各類磷脂的化學結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 各類磷脂的化學結(jié)構(gòu)

2 磷脂的提取

2.1 組織磷脂提取

取40 mg組織，加入0.8 mL冷的CH3OH-0.1 mol·L-1HCl(1∶1，體積比)在冰上勻漿1 min，將得到的懸浮液移至冷的離心管中；再加入0.4 mL 冰氯仿，渦旋1 min，離心(4 ℃，18 000×g，5 min)，分層，將下層有機相移至離心管中，用氮氣吹干于-20 ℃保存。進樣前采用初始流動相復溶，在樣品中加入10 μL NH3·H2O(1.8 mol·L-1)以提高離子化效率。

2.2 細胞磷脂提取

取大約1×107個細胞，先用5 mL冰預冷的1×PBS洗2遍，然后將1.5 mL細胞懸浮液移至離心管中，離心(4 ℃，600×g，10 min)，去上清；再加入0.8 mL冷的CH3OH-0.1 mol·L-1HCl(1∶1，體積比)、0.4 mL 冰冷的氯仿，渦旋1 min ，離心(4 ℃，18 000×g，5 min)，分層，將下層有機相移至離心管中，并用氮氣吹干于-20 ℃保存。進樣前采用初始流動相復溶，在樣品中加入10 μL NH3·H2O(1.8 mol·L-1)以提高離子化效率。

2.3 血漿磷脂提取

將全血離心后取300 μL血漿，加入8 mL含0.01%2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚的CH3Cl-CH3OH(2∶1，體積比)，超聲60 s，渦旋30 s，室溫放置0.5 h；再加入1.3 mL 50 mmol·L-1KCl溶液，離心(2000×g，15 min)，分層，將上層水相溶液再用2 mL CH3Cl萃取1次，合并2次得到的下層有機相溶液，用氮氣吹干于-20 ℃保存。進樣前采用初始流動相復溶。

3 磷脂的質(zhì)譜分析方法

傳統(tǒng)的分析方法操作復雜且靈敏度低，如HPLC、TLC、GC-MS等。用GC-MS分析的時候需要先對磷脂進行水解，再衍生化，且只能提供脂肪酰基的結(jié)構(gòu)，并不能對磷脂準確定性。

雖然磷脂結(jié)構(gòu)的多樣性增大了分析的難度，但是隨著現(xiàn)代分析技術(shù)的發(fā)展，可行的分析方法越來越多，如鳥槍法和高效液相色譜-電噴霧-質(zhì)譜法(HPLC-ESI-MS)等。電噴霧-質(zhì)譜法(ESI-MS)具有樣品前處理簡單、分辨率高、容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，尤其適合對磷脂混合物進行快速、靈敏和高通量的定性定量分析。液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)極大地推動了磷脂組學的發(fā)展，其核心技術(shù)就是ESI-MS，加上色譜技術(shù)對樣品中磷脂分離的強化，實現(xiàn)了磷脂分離鑒定的高通量、高靈敏度和高效率。多維質(zhì)譜技術(shù)在磷脂組學的研究中也取得了新的進展。鳥槍法具有靈敏度高、快速、易于自動化等優(yōu)點，但在分析磷脂的同分異構(gòu)體時有一定的局限性。液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)可以有效改善鳥槍法中低含量磷脂受離子抑制影響和無法準確分析同分異構(gòu)體的缺陷。目前，液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)已經(jīng)成為磷脂分析中應用最廣泛的技術(shù)。

3.1 電噴霧質(zhì)譜鳥槍法

鳥槍法作為磷脂研究的重要新興手段，在創(chuàng)立和發(fā)展初期便已顯示出驚人的潛力，隨著相關(guān)技術(shù)的進一步完善和發(fā)展，必將成為系統(tǒng)生物學的組成部分，在生物醫(yī)學的研究和應用中發(fā)揮重要作用。鳥槍法利用質(zhì)譜技術(shù)對單一或全部磷脂及其相關(guān)分子進行系統(tǒng)分析，研究其改變對生物體所產(chǎn)生的作用并探討可能的作用機制。傳統(tǒng)磷脂分析中的瓶頸問題在以電噴射離子質(zhì)譜為基礎(chǔ)的方法出現(xiàn)后獲得了突破，使磷脂分析進入高通量、高精度和高效能的時代。

磷脂在生物體內(nèi)分布廣泛、種類眾多，并且與人類疾病密切相關(guān)。將磷脂組學分析方法運用于疾病相關(guān)的特異磷脂類標志物的發(fā)現(xiàn)并揭示其在疾病發(fā)生發(fā)展等復雜過程中的作用，可能為疾病的診斷治療提供新的思路和策略。

利用常規(guī)生物樣本磷脂提取方法，在有效源內(nèi)分離基礎(chǔ)上，根據(jù)磷脂類離子或碎片內(nèi)在帶電特性的不同，選擇適當?shù)亩嗑S陣列分析方法，以實現(xiàn)對目的磷脂分子的定性及定量分析。源內(nèi)分離的基本原理是利用電噴霧離子源在高電勢(通常為4 kV)的作用下，使樣本中的生物大分子解離成帶有不同電荷的離子，進一步歷經(jīng)類似電泳的分離過程得到選擇性的解析。由于不同的磷脂分子具有不同的電離特性，所帶電荷較大程度上依賴于其極性頭簇(Polar head groups)的化學特征，因此通過源內(nèi)分離可根據(jù)磷脂分子內(nèi)在攜帶電荷情況的不同將其進行初步分離，進而通過后續(xù)的分析步驟獲得生物樣品中一系列磷脂分子組成的質(zhì)譜圖[19]。

目前利用鳥槍法對多種疾病相關(guān)磷脂變化的研究已經(jīng)獲得初步進展。研究表明，在阿爾茨海默病的不同病程階段都伴有特殊磷脂成分的變化，利用電噴射離子對不同程度阿爾茨海默病患者腦組織中各葉區(qū)的灰質(zhì)和白質(zhì)的磷脂進行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)與同齡正常對照人群相比，臨床確診為早期阿爾茨海默病患者的神經(jīng)系統(tǒng)可呈現(xiàn)多種脂類成分的改變，其中以縮醛磷脂酰乙醇胺(pPE)的減少最為明顯[11]。這一發(fā)現(xiàn)揭示pPE可能在阿爾茨海默病的發(fā)病過程與發(fā)病機理方面發(fā)揮重要的作用，特別是與阿爾茨海默病發(fā)病的早期事件(包括神經(jīng)退行性改變、突觸缺失或功能異常等現(xiàn)象)密切相關(guān)。該研究可能為阿爾茨海默病的發(fā)病從機制水平上提供診斷依據(jù)。

在鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠模型中，鳥槍法借助電噴射離子技術(shù)對心肌組織磷脂進行系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，多種特異性脂類成分的改變與胰島素在脂代謝中的作用及其相關(guān)的酶促反應機制密切關(guān)聯(lián)。糖尿病大鼠的心肌樣本與對照組相比，可檢出PI含量增加了46%、pPE含量增加了44%、PE(18：0/20：4)含量減少了22%[3]。糖尿病大鼠經(jīng)胰島素治療后，心肌磷脂及其亞類在分子構(gòu)成上的變化可以被糾正。Han等[4]研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病小鼠心肌中CL含量在鏈脲佐菌素誘導的6 周內(nèi)被顯著性消耗，在糖尿病早期采用鳥槍法證明經(jīng)鏈脲佐菌素誘導后心肌中大量CL丟失了，剩余的CL發(fā)生重構(gòu)，CL(18：2/22：6～22：6/22：6)的含量增加了16倍，這些結(jié)果為糖尿病的預防和緩解提供了重要的理論基礎(chǔ)。以上研究表明鳥槍法在磷脂代謝分析研究中潛力巨大。

與正常組織能量代謝的巴斯德效應(Pasteur effect)，即有氧氧化抑制無氧酵解的現(xiàn)象有所不同，腫瘤細胞的能量代謝方式表現(xiàn)為無氧代謝異常旺盛的瓦爾堡效應(Warburg effect)。這可能是由于線粒體不可逆損傷所導致的，但是其確切的機制仍不清楚。

Kiebish等[14]將腦腫瘤(包括星形細胞瘤及成室管膜細胞瘤)接種于C57BL/6J(B6)小鼠和VM/Dk(VM)小鼠皮下后，荷瘤小鼠腦細胞線粒體CL的組成及含量均發(fā)生異常，中間產(chǎn)物的分子種類增多，成熟的分子種類減少，揭示CL合成及重構(gòu)存在缺陷，為瓦爾堡假說提供了更加豐富的證據(jù)。因此，鳥槍法在腫瘤發(fā)生發(fā)展機制的研究中將發(fā)揮更為重要的作用，特別是以磷脂代謝物作為診斷和療效生物標志物的嘗試將備受關(guān)注。

3.2 高效液相色譜-電噴霧-質(zhì)譜法

根據(jù)各類磷脂的結(jié)構(gòu)特點可以總結(jié)出：中性磷脂PC、PE、SM在正離子模式下響應好，酸性甘油磷脂如PS、PG、PI、PA、CL在負離子模式下響應好。在二維質(zhì)譜圖上根據(jù)保留時間(Retention time)和質(zhì)荷比(m/z)可以對磷脂結(jié)構(gòu)進行初步解析，磷脂同分異構(gòu)體能在高效液相色譜柱上有效分離。根據(jù)表1可以得到磷脂的極性頭信息而對磷脂進行歸類，根據(jù)表2可以得到磷脂的碳鏈信息，因此利用高效液相色譜-電噴霧-質(zhì)譜法可以較容易分析組織、細胞和血漿中的磷脂輪廓。

表1 各類磷脂在ESI+和ESI-模式下的特征碎片離子與中性丟失碎片信息

表2 各類磷脂在ESI+和ESI-模式下的分子離子與主要碎片離子信息

Uran等[20]采用NPLC-ESI-MS方法分析人血漿中的磷脂輪廓，依次按照PG、PC、PE(pPE與SM)、溶血磷脂酰膽堿(Lyso-PC)、PI、PS的順序出峰，成功鑒定了20個PG，此外還在人血液中新發(fā)現(xiàn)了17個雙飽和磷脂。Malavolta等[21]采用NPLC-ESI-MS方法分析健康受試者與囊胞性纖維癥患者血液單核細胞中的磷脂輪廓，鑒定了140多個磷脂，其中囊胞性纖維癥患者血液單核細胞中的pPE(p16：0/22：6)、pPE(p18：0/22：6)、PE(16：0/20：4)和PC(16：0/18：2)的含量明顯低于健康受試者，而PC(16：0/16：1)的含量卻明顯高于健康受試者，這些磷脂的變化可能與腸吸收障礙或營養(yǎng)失調(diào)有關(guān)。該研究為囊胞性纖維癥的預防和緩解提供了重要的理論基礎(chǔ)。

Bird等[22]采用RPLC-ESI-MS方法在負離子模式下分析并鑒定了線粒體中的28個CL和2個單溶血心磷脂，這些磷脂的變化與線粒體應力和功能障礙密切相關(guān)。Wang等[23]采用正相液相色譜-四極桿線性離子阱技術(shù)成功分析了人血漿中的磷脂輪廓，由于同時聯(lián)合了具有高選擇性的三重四級桿和高靈敏度的離子阱2種質(zhì)譜技術(shù)，所得到的信息比前人報道的更加豐富，一共鑒定了106個磷脂，包括17個PS、31個PE、9個pPE、16個PC、7個Lyso-PC、14個PI和12個SM，其中PE(18：1/20：6)和PS(18：0/22：7) 是首次從人血漿中鑒定得到的磷脂。

Gao等[24]建立了快速、有效、高靈敏度的NPLC-ESI-MS分離檢測痕量磷脂的方法，分析了大鼠腹膜表層的磷脂輪廓，成功分離并鑒定了75個磷脂，包括11個PE、8個pPE、13個PI、10個PS、15個PC、11個SM和7個Lyso-PC，且pPE在其sn-2?；恢蒙细缓嗖伙柡椭舅?。研究表明，腹膜表面存在一層由腹膜間壁細胞分泌的透明質(zhì)酸、磷脂雙分子層及表面蛋白組成的表面活性層。在腹膜透析中，此活性層在腹膜溶質(zhì)和水的轉(zhuǎn)運中起很重要的作用。然而，在長期透析過程中，腹透液的沖刷可能使磷脂脫落或降解，導致這一表面活性層結(jié)構(gòu)被破壞，疏水性降低，對水的重吸收增加，從而引起超濾功能下降。因此，進一步分析腹膜的磷脂組成，能夠為長程腹膜透析過程中腹膜結(jié)構(gòu)和功能的改變機制與腹膜透析的臨床治療提供更多的證據(jù)與支持。

Pang等[5]建立了NPLC-ESI-MS分析人血漿中PC、PE、PG、PI、PS、SM和Lyso-PC等7類磷脂的方法，定量分析正常人與糖尿病腎病不同分期患者血漿樣品中7類磷脂，發(fā)現(xiàn)了7類磷脂在糖尿病腎病患者不同分期階段的變化規(guī)律，為糖尿病腎病患者磷脂代謝研究提供了有效可靠的方法。該課題組在后期研究中同樣采用NPLC-ESI-MS方法分析健康受試者、糖尿病患者和糖尿病腎病患者的血漿，得到了18個磷脂生物標志物，包括3個糖尿病磷脂生物標志物、8個糖尿病腎病磷脂生物標志物以及7個糖尿病和糖尿病腎病共有的磷脂生物標志物，其中PI(18：0/22：6)和SM(d18：0/20：2)是2個新發(fā)現(xiàn)的磷脂生物標志物[6]。該研究結(jié)果表明通過分析血漿磷脂的變化能夠?qū)μ悄虿〖疤悄虿∧I病的病程進行監(jiān)控，為臨床早期診斷及新藥研發(fā)提供依據(jù)。

4 質(zhì)譜技術(shù)在磷脂分析中的應用

磷脂代謝與機體的生理及病理過程密切相關(guān)，通過分析組織、細胞或血漿中的磷脂輪廓尋找生物標志物來闡明相關(guān)疾病的代謝途徑及可能的病理機制，可以為臨床早期診斷提供依據(jù)，對疾病的預防、控制及緩解疾病的發(fā)展進程具有重要意義?；贖PLC-ESI-MS分析平臺尋找磷脂生物標志物的流程如圖2所示。

圖2 基于HPLC-ESI-MS分析平臺尋找磷脂生物標志物的流程

隨著鳥槍法的不斷發(fā)展，低豐度磷脂分子的定量測定也是可以實現(xiàn)的。更多磷脂輪廓的建立會加強磷脂在細胞膜和代謝功能障礙中特殊作用的解釋，有利于發(fā)現(xiàn)具有更好選擇性和非毒性的藥物靶點。迄今為止，將鳥槍法應用于臨床疾病的診斷已初露端倪，如腸道易激綜合癥(IBS)病人與健康受試者相比Lyso-PC含量明顯升高[25]，這些Lyso-PC參與了腹痛敏感性和腸道滲透壓的調(diào)節(jié)，揭示其與腹痛和腸道屏障功能異常相關(guān)。這一研究成果可能為腸道易激綜合癥的早期診斷提供新的思路和策略。

Wang等[7]應用NPLC-ESI-MS分析正常人與Ⅱ型糖尿病患者的血漿磷脂輪廓，并結(jié)合多元統(tǒng)計分析得到了4個生物標志物PE(16：0/22：6)、PE(18：0/20：4)、Lyso-PC(16：0)和Lyso-PC(18：0)，為類似疾病藥物靶標的發(fā)現(xiàn)提供了參考依據(jù)。Jia等[26]將NPLC-ESI-MS與主成分分析(PCA)結(jié)合，成功應用于正常受試者與慢性血管球性腎炎患者的血漿磷脂輪廓分析，得到了19個生物標志物，包括10個PI和9個PS。該研究結(jié)果表明通過監(jiān)測磷脂生物標志物的變化可以監(jiān)控原發(fā)性慢性腎小球腎炎的發(fā)病過程，為臨床早期診斷提供依據(jù)。

研究生物體在正常狀態(tài)和疾病狀態(tài)下磷脂代謝的整體差異、識別疾病磷脂生物標志物為闡明相應磷脂代謝調(diào)控的生理或病理機制，揭示關(guān)鍵性調(diào)控位點及其對應的關(guān)鍵基因/蛋白質(zhì)/酶，發(fā)掘新的藥物靶點，為相關(guān)疾病的預防、診治及新藥研發(fā)等提供了重要基礎(chǔ)。此外，通過監(jiān)測組織或細胞膜磷脂組成的變化，將有助于通過藥物治療引發(fā)的異常磷脂代謝來更好地評價藥物的潛在毒性。磷脂組學還能作為評價藥物療效的輔助手段，通過監(jiān)測藥物作用后機體內(nèi)磷脂代謝變化情況，及時反映機體生理生化狀態(tài)的改變，有助于評價藥物的療效及確定可能的副作用。通過計算機模式合理設(shè)計尋找靶向受體[27]，使得磷脂在新藥開發(fā)中越來越受到重視。

5 結(jié)語

隨著磷脂組學研究的發(fā)展，磷脂在生物體內(nèi)的功能將得到進一步的揭示。應用質(zhì)譜技術(shù)分析生物體內(nèi)磷脂輪廓的變化、尋找潛在的生物標志物將會在以下方面得到廣泛的應用：(1)早期診斷，通過尋找可靠的生物標志物與預后間的相關(guān)性，為選擇合理的治療方案提供依據(jù)；(2)病程監(jiān)控，監(jiān)測磷脂類生物標志物種類或數(shù)量的變化，以反映疾病的發(fā)展進程；(3)新藥開發(fā)，在揭示發(fā)病機制的基礎(chǔ)上為藥物的設(shè)計提供潛在的靶點。研究生物體在正常狀態(tài)和疾病狀態(tài)下磷脂代謝的整體差異，識別疾病磷脂生物標志物，結(jié)合相關(guān)酶的研究，就有可能深入地研究代謝途徑或致病機制，最終尋找到有效的診斷和治療手段?？梢灶A見，隨著磷脂組學研究的不斷進步，人們對磷脂的結(jié)構(gòu)及作用機制的認識將逐步加深，從磷脂代謝水平診斷疾病和監(jiān)測病程的準確率將進一步提高，可望通過調(diào)控機體內(nèi)磷脂代謝網(wǎng)絡(luò)達到治療疾病的目的。

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