代謝組學(xué)在銀屑病中的研究進展

王爍 ，代丹 ，郭娜 ，何春燕 ，樂雨馨 ，楊小芳 ，宋坪

（1.中國中醫(yī)科學(xué)院廣安門醫(yī)院，北京100053；2.中國中醫(yī)科學(xué)院，北京100700）

銀屑病是一種常見的慢性、復(fù)發(fā)性、炎癥性皮膚病，其在歐美報道的患病率約1%～3%，1984年我國銀屑病的患病率為0.123%，2008年流行病學(xué)調(diào)查顯示患病率為0.47%，提示我國銀屑病的患病率有升高趨勢[1]。銀屑病發(fā)病人群較廣，病理機制不明，缺乏長期根治的方法，嚴重影響患者的生活質(zhì)量。因此，探索銀屑病的發(fā)病機制及新的治療靶點等成為銀屑病研究領(lǐng)域的熱點之一。代謝組學(xué)是一門借助于現(xiàn)代生物分析方法和生物信息分析策略系統(tǒng)研究生物樣本中代謝產(chǎn)物在不同生物狀態(tài)下的變化規(guī)律，揭示機體生命活動代謝本質(zhì)的科學(xué)[2]。借助于代謝組學(xué)技術(shù)篩選出的標志物可用于早期診斷疾病、預(yù)測疾病、判斷藥物療效和評估患者預(yù)后等，有特異性高的特點[3]。近年來，醫(yī)者們運用代謝組學(xué)技術(shù)在銀屑病的研究中取得了一些進展，現(xiàn)綜述如下。

1 代謝組學(xué)概況

代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后興起的另一個系統(tǒng)生物學(xué)分支[4]，是通過考察生物體系受刺激或擾動后代謝產(chǎn)物圖譜及其動態(tài)變化，來研究生物體系的代謝網(wǎng)絡(luò)的一種技術(shù)[5]。代謝組學(xué)的研究對象是“代謝組”（Metabolome），即某一生物、系統(tǒng)或細胞中所有代謝產(chǎn)物的集合[2]。完整的代謝組學(xué)分析的流程主要包括：樣品的收集與預(yù)處理、代謝組數(shù)據(jù)的采集與測定、多變量數(shù)據(jù)分析、標志物的鑒定以及代謝途徑分析等步驟[6]。通常采用的測定方法有核磁共振（NMR）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）、超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（UPLC-MS）等。應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)能測定到大量的內(nèi)源性代謝物峰數(shù)量，利用主成分分析（PCA）、層次聚類分析（HCA）、偏最小二乘法-判別分析（PLS-DA）等統(tǒng)計學(xué)方法建模，通過數(shù)據(jù)處理軟件（如SIMCA），可以得到樣品分布圖（Scores plot）和對應(yīng)的變量分布圖（Loadings plot）[7]。Scores plot能描述并判斷樣品之間的相似/差異程度，而從Loadings plot中可以了解到各個/組樣品的差異表現(xiàn)在哪些變量/化合物上，這為生物標志物的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[2]。

依據(jù)研究目的和研究方法的不同，代謝組學(xué)可分為非靶向代謝組學(xué)和靶向代謝組學(xué)2種。非靶向代謝組學(xué)不分離鑒定某個單一組分，而是對整體內(nèi)源性小分子進行分析，其主要目的是找到不同樣品組之間的差異成分，確認生物標記物[8]。而靶向代謝組學(xué)則分離并利用內(nèi)標物鑒定某個單一組分，對單個或多個內(nèi)源性小分子進行分析，其目的是基于前期關(guān)注的某一個或者某幾個特定的代謝通路，對這些相關(guān)代謝通路的特定組分進行分析，確認這些成分是否是差異物，從而明確疾病的病理機制或藥后的作用靶點。可以說，非靶向代謝組學(xué)是一種探索性研究，而靶向代謝組學(xué)是一種驗證性研究。

2 潛在的銀屑病相關(guān)生物標志物

2.1 脂代謝異常 大量臨床研究顯示，銀屑病患者往往伴隨脂代謝相關(guān)指標如三酰甘油（TG）、膽固醇（CHO）、低密度脂蛋白（LDL-C）的升高，其伴發(fā)糖尿病、冠心病、代謝綜合征等代謝性疾病的概率也較非銀屑病患者明顯增加。因此，銀屑病的病因和發(fā)病機制被認為與脂代謝的失衡或功能紊亂密切相關(guān)，但二者之間的關(guān)系一直不明。代謝組學(xué)技術(shù)通過檢測小分子代謝產(chǎn)物，有助于揭示出與銀屑病相關(guān)的脂代謝和分子信息。

Zeng等[9]收集了45例銀屑病患者的血漿樣本，運用UPLC-MS非靶向代謝組學(xué)技術(shù)，鑒定了銀屑病患者幾種脂質(zhì)的差異表達，包括溶血磷脂酸（LPA）、溶血磷脂酰膽堿（LPC），磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰膽堿（PC）和磷脂酸（PA）。在這些代謝物中，銀屑病患者 LPA、LPC、PA 明顯升高，PC、PI下降。其中，LPC的升高被認為與銀屑病的炎性反應(yīng)有關(guān)。LPC可以通過p38/CREB或ATF-1通路誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細胞中促炎性介質(zhì)[10-11]環(huán)氧酶2型（COX-2）的表達，COX-2可以催化花生四烯酸合成血栓素和前列腺素等多種促炎脂類。這提示相關(guān)脂質(zhì)小分子代謝物可能參與了銀屑病的炎性反應(yīng)。

Li等[12]運用非靶向UPLC-MS技術(shù)對銀屑病患者進行血液代謝組學(xué)分析，共篩選和鑒定了44個潛在的生物標志物，其中有29個脂類物質(zhì)，排在前幾位的分別為：白三烯D4、白三烯E3、十二碳五烯酸、亞麻酸、鞘氨醇、Lactosylceramide（d18∶1/12∶0）、LysoPC（20∶5）、LysoPC（16∶0）、LysoPC（18∶0）、LysoPC（18∶1），大部分為長鏈脂肪酸和甘油磷脂。后續(xù)研究運用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)，通過構(gòu)建代謝組學(xué)生物標志物-酶網(wǎng)絡(luò)，分析篩選出長鏈脂肪酸、磷脂、雌二醇和NADH是最重要的銀屑病代謝組學(xué)生物標志物。主要酶有水解酶、硫酯酶和酰基轉(zhuǎn)移酶，6種蛋白（TNF-α、MAPK3、iNOS、eNOS、COX2 和 mTOR）廣泛參與炎性反應(yīng)、免疫反應(yīng)和細胞增殖，可能是銀屑病的藥物靶點。PI3K-Akt信號通路等5條通路與銀屑病發(fā)病機制密切相關(guān)，這為銀屑病病理機制的研究提供了新的線索。

Yunhi等[13]從10例銀屑病患者中獲得病變和非病變表皮樣本，用高效薄層色譜法分離神經(jīng)酰胺（鞘磷脂中的一種），測出患者病變表皮神經(jīng)酰胺合成水平明顯低于非病變表皮神經(jīng)酰胺合成水平，且與銀屑病的臨床嚴重程度呈負相關(guān)。盡管這一結(jié)果需要更大規(guī)模實驗的確證，但其提示了表皮神經(jīng)酰胺合成水平的降低是銀屑病嚴重程度的重要因素，銀屑病的治療可以調(diào)節(jié)神經(jīng)酰胺相關(guān)代謝通路，或者以外用藥的形式提高表皮神經(jīng)酰胺濃度，從而促進銀屑病患者的病變表皮代謝譜更接近于非病變表皮。

2.2 氨基酸代謝異常 銀屑病的發(fā)病與免疫紊亂密切相關(guān)，然而尚不清楚免疫紊亂內(nèi)部代謝的具體特征。Armstrong等[14]運用GC-MS代謝組學(xué)技術(shù)，對銀屑病患者血清進行檢測時發(fā)現(xiàn)，銀屑病患者體內(nèi)谷氨酰胺含量較低。谷氨酰胺是氨基酸中最豐富的游離氨基酸，對蛋白質(zhì)合成和細胞生長至關(guān)重要。許多體外實驗報道，淋巴細胞、巨噬細胞和中性粒細胞等免疫細胞消耗谷氨酰胺的比率很高[15-16]，且谷氨酰胺的消耗能促進細胞因子如TNF-α、干擾素（IFN）-γ、白細胞介素（IL）-1β 和 IL-6的合成[14]。銀屑病患者體內(nèi)較低濃度的谷氨酰胺水平提示，病理條件下免疫細胞的增殖和發(fā)揮作用可能高度依賴谷氨酰胺，這為研究銀屑病免疫紊亂機制提供了有益的信息。此外，一些研究表明，以快速增殖為特征的細胞對谷氨酰胺也有較高攝取率，而銀屑病的特點是角質(zhì)形成細胞的過度增殖，這增加了氨基酸尤其是谷氨酰胺的需求，以適應(yīng)更高的蛋白質(zhì)合成速率。

Kang等[17]采用GC-MS代謝組學(xué)技術(shù)對29例尋常型銀屑病患者的血清樣本進行分析，發(fā)現(xiàn)與健康人相比，銀屑病患者的氨基酸水平較高，包括天冬氨酸、天冬酰胺、異亮氨酸、苯丙氨酸、鳥氨酸和纈氨酸等。這提示銀屑病患者氨基酸代謝活性明顯增強。其中，纈氨酸、異亮氨酸為支鏈氨基酸（BCAA），已被報道與多種疾病和癌癥有關(guān)，BCAA可以通過作用于mTOR信號通路，促進細胞生長和增殖。因此，研究者認為，相關(guān)氨基酸代謝紊亂可能是由于銀屑病對角質(zhì)細胞增生的需求增加所致。這有助于闡明銀屑病的發(fā)病機制，為早期診斷和干預(yù)治療提供借鑒。

鄧浩[18]運用UPLC-MS代謝組學(xué)技術(shù)對尋常型銀屑病患者的尿液進行檢測，最終鑒定出21種可能的潛在生物標志物，包括色氨酰-脯氨酸（Tryptophyl-Proline）、異亮氨酰苯基-丙氨酸（Isoleucyl-Phenylalanine）、羧基-谷氨酸（Gamma-Carboxyglutamic acid）、甲氧基-纈氨酸（Methionyl-Valine）、絲氨酸（L-Serine）、1，2-Diydroxy-3-keto-5-methylthiopentene等氨基酸，均高于健康對照組。由于肝臟是人體蛋白代謝的主要場所，氨基酸攝取、合成、分泌等功能與肝臟關(guān)系密切。這提示銀屑病患者可能存在肝細胞損害，肝內(nèi)分解代謝降低從而導(dǎo)致相關(guān)氨基酸含量升高。這在另一項研究中也得到了佐證：王曉華等[19]運用高效液相色譜法對28例銀屑病患者進行代謝組學(xué)研究，結(jié)果顯示銀屑病患者血漿芳香族氨基酸（AAA）、BCAA高于正常人。一般說來，特征性的肝病性血漿氨基酸譜表現(xiàn)為AAA與BCAA的改變。其中，AAA主要在肝內(nèi)被分解，因此血漿中AAA升高，顯然是銀屑病患者肝內(nèi)分解代謝降低的結(jié)果。因此，以上2項研究提示醫(yī)者們銀屑病患者氨基酸代謝障礙可能是由于其本身肝臟機能不全引起，而通過檢測相關(guān)氨基酸水平，對于早期發(fā)現(xiàn)銀屑病的肝臟病理改變，有一定臨床意義。

2.3 糖代謝異常 在對銀屑病病理的認識方面，雖然醫(yī)者們熟知銀屑病表現(xiàn)為角質(zhì)形成細胞過度增殖、炎性細胞浸潤，但對其內(nèi)部代謝的具體特征仍有諸多疑問。劉英等[20]應(yīng)用核磁共振（1HNMR）技術(shù)對尋常型銀屑病患者血漿進行檢測，發(fā)現(xiàn)葡萄糖、乳酸、丙酮酸含量明顯升高。葡萄糖是生物體內(nèi)的主要能源物質(zhì)，高水平的葡萄糖在分解過程中為銀屑病角質(zhì)細胞過度增殖提供能量。丙酮酸是機體糖代謝的重要中間產(chǎn)物，葡萄糖分解成丙酮酸，在缺氧或無氧條件下，丙酮酸分解為乳酸，稱為糖酵解；在有氧條件下，丙酮酸分解成乙酰CoA，進入三羧酸循環(huán)。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，相比三羧酸循環(huán)，糖酵解途徑能夠更快提供腺苷三磷酸（ATP）[21]。該研究發(fā)現(xiàn)銀屑病患者乳酸含量明顯升高，提示糖酵解可能是銀屑病角質(zhì)細胞增生能量供應(yīng)的主要方式，角質(zhì)形成細胞處于能量匱乏狀態(tài)。另一種推測是，乳酸升高為炎性細胞大量浸潤所致，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在炎性反應(yīng)時，即使在有氧條件下機體也優(yōu)先進行丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸的代謝，即有氧糖酵解現(xiàn)象。這提示醫(yī)者們，糖酵解途徑可能是開發(fā)新型治療銀屑病藥物的潛在靶點。

3 小結(jié)

銀屑病發(fā)生發(fā)展是個復(fù)雜的過程，通過代謝組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)銀屑病患者脂代謝、氨基酸代謝、糖代謝存在異常，也正是這些重要代謝途徑的非正常激活才保證銀屑病的免疫紊亂、表皮細胞增殖潛能。當(dāng)然，尚需進一步的研究來闡釋所觀察到的三大代謝紊亂的意義。從這些代謝物角度出發(fā)，深入研究其調(diào)控機制對未來治療銀屑病有重要意義。隨著系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展，運用多組學(xué)融合手段對疾病進行更加全面的研究也逐漸成為趨勢。今后，將代謝組學(xué)、蛋白組學(xué)、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和生物信息學(xué)結(jié)合，有利于為銀屑病的研究提供可信度更高的數(shù)據(jù)[22]。