代谢组学在银屑病中的研究进展

王烁 ，代丹 ，郭娜 ，何春燕 ，乐雨馨 ，杨小芳 ，宋坪

（1.中国中医科学院广安门医院，北京100053；2.中国中医科学院，北京100700）

银屑病是一种常见的慢性、复发性、炎症性皮肤病，其在欧美报道的患病率约1%～3%，1984年我国银屑病的患病率为0.123%，2008年流行病学调查显示患病率为0.47%，提示我国银屑病的患病率有升高趋势[1]。银屑病发病人群较广，病理机制不明，缺乏长期根治的方法，严重影响患者的生活质量。因此，探索银屑病的发病机制及新的治疗靶点等成为银屑病研究领域的热点之一。代谢组学是一门借助于现代生物分析方法和生物信息分析策略系统研究生物样本中代谢产物在不同生物状态下的变化规律，揭示机体生命活动代谢本质的科学[2]。借助于代谢组学技术筛选出的标志物可用于早期诊断疾病、预测疾病、判断药物疗效和评估患者预后等，有特异性高的特点[3]。近年来，医者们运用代谢组学技术在银屑病的研究中取得了一些进展，现综述如下。

1 代谢组学概况

代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后兴起的另一个系统生物学分支[4]，是通过考察生物体系受刺激或扰动后代谢产物图谱及其动态变化，来研究生物体系的代谢网络的一种技术[5]。代谢组学的研究对象是“代谢组”（Metabolome），即某一生物、系统或细胞中所有代谢产物的集合[2]。完整的代谢组学分析的流程主要包括：样品的收集与预处理、代谢组数据的采集与测定、多变量数据分析、标志物的鉴定以及代谢途径分析等步骤[6]。通常采用的测定方法有核磁共振（NMR）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）、超高效液相色谱-质谱联用技术（UPLC-MS）等。应用代谢组学技术能测定到大量的内源性代谢物峰数量，利用主成分分析（PCA）、层次聚类分析（HCA）、偏最小二乘法-判别分析（PLS-DA）等统计学方法建模，通过数据处理软件（如SIMCA），可以得到样品分布图（Scores plot）和对应的变量分布图（Loadings plot）[7]。Scores plot能描述并判断样品之间的相似/差异程度，而从Loadings plot中可以了解到各个/组样品的差异表现在哪些变量/化合物上，这为生物标志物的发现奠定了基础[2]。

依据研究目的和研究方法的不同，代谢组学可分为非靶向代谢组学和靶向代谢组学2种。非靶向代谢组学不分离鉴定某个单一组分，而是对整体内源性小分子进行分析，其主要目的是找到不同样品组之间的差异成分，确认生物标记物[8]。而靶向代谢组学则分离并利用内标物鉴定某个单一组分，对单个或多个内源性小分子进行分析，其目的是基于前期关注的某一个或者某几个特定的代谢通路，对这些相关代谢通路的特定组分进行分析，确认这些成分是否是差异物，从而明确疾病的病理机制或药后的作用靶点。可以说，非靶向代谢组学是一种探索性研究，而靶向代谢组学是一种验证性研究。

2 潜在的银屑病相关生物标志物

2.1 脂代谢异常 大量临床研究显示，银屑病患者往往伴随脂代谢相关指标如三酰甘油（TG）、胆固醇（CHO）、低密度脂蛋白（LDL-C）的升高，其伴发糖尿病、冠心病、代谢综合征等代谢性疾病的概率也较非银屑病患者明显增加。因此，银屑病的病因和发病机制被认为与脂代谢的失衡或功能紊乱密切相关，但二者之间的关系一直不明。代谢组学技术通过检测小分子代谢产物，有助于揭示出与银屑病相关的脂代谢和分子信息。

Zeng等[9]收集了45例银屑病患者的血浆样本，运用UPLC-MS非靶向代谢组学技术，鉴定了银屑病患者几种脂质的差异表达，包括溶血磷脂酸（LPA）、溶血磷脂酰胆碱（LPC），磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰胆碱（PC）和磷脂酸（PA）。在这些代谢物中，银屑病患者 LPA、LPC、PA 明显升高，PC、PI下降。其中，LPC的升高被认为与银屑病的炎性反应有关。LPC可以通过p38/CREB或ATF-1通路诱导血管内皮细胞中促炎性介质[10-11]环氧酶2型（COX-2）的表达，COX-2可以催化花生四烯酸合成血栓素和前列腺素等多种促炎脂类。这提示相关脂质小分子代谢物可能参与了银屑病的炎性反应。

Li等[12]运用非靶向UPLC-MS技术对银屑病患者进行血液代谢组学分析，共筛选和鉴定了44个潜在的生物标志物，其中有29个脂类物质，排在前几位的分别为：白三烯D4、白三烯E3、十二碳五烯酸、亚麻酸、鞘氨醇、Lactosylceramide（d18∶1/12∶0）、LysoPC（20∶5）、LysoPC（16∶0）、LysoPC（18∶0）、LysoPC（18∶1），大部分为长链脂肪酸和甘油磷脂。后续研究运用网络药理学，通过构建代谢组学生物标志物-酶网络，分析筛选出长链脂肪酸、磷脂、雌二醇和NADH是最重要的银屑病代谢组学生物标志物。主要酶有水解酶、硫酯酶和酰基转移酶，6种蛋白（TNF-α、MAPK3、iNOS、eNOS、COX2 和 mTOR）广泛参与炎性反应、免疫反应和细胞增殖，可能是银屑病的药物靶点。PI3K-Akt信号通路等5条通路与银屑病发病机制密切相关，这为银屑病病理机制的研究提供了新的线索。

Yunhi等[13]从10例银屑病患者中获得病变和非病变表皮样本，用高效薄层色谱法分离神经酰胺（鞘磷脂中的一种），测出患者病变表皮神经酰胺合成水平明显低于非病变表皮神经酰胺合成水平，且与银屑病的临床严重程度呈负相关。尽管这一结果需要更大规模实验的确证，但其提示了表皮神经酰胺合成水平的降低是银屑病严重程度的重要因素，银屑病的治疗可以调节神经酰胺相关代谢通路，或者以外用药的形式提高表皮神经酰胺浓度，从而促进银屑病患者的病变表皮代谢谱更接近于非病变表皮。

2.2 氨基酸代谢异常 银屑病的发病与免疫紊乱密切相关，然而尚不清楚免疫紊乱内部代谢的具体特征。Armstrong等[14]运用GC-MS代谢组学技术，对银屑病患者血清进行检测时发现，银屑病患者体内谷氨酰胺含量较低。谷氨酰胺是氨基酸中最丰富的游离氨基酸，对蛋白质合成和细胞生长至关重要。许多体外实验报道，淋巴细胞、巨噬细胞和中性粒细胞等免疫细胞消耗谷氨酰胺的比率很高[15-16]，且谷氨酰胺的消耗能促进细胞因子如TNF-α、干扰素（IFN）-γ、白细胞介素（IL）-1β 和 IL-6的合成[14]。银屑病患者体内较低浓度的谷氨酰胺水平提示，病理条件下免疫细胞的增殖和发挥作用可能高度依赖谷氨酰胺，这为研究银屑病免疫紊乱机制提供了有益的信息。此外，一些研究表明，以快速增殖为特征的细胞对谷氨酰胺也有较高摄取率，而银屑病的特点是角质形成细胞的过度增殖，这增加了氨基酸尤其是谷氨酰胺的需求，以适应更高的蛋白质合成速率。

Kang等[17]采用GC-MS代谢组学技术对29例寻常型银屑病患者的血清样本进行分析，发现与健康人相比，银屑病患者的氨基酸水平较高，包括天冬氨酸、天冬酰胺、异亮氨酸、苯丙氨酸、鸟氨酸和缬氨酸等。这提示银屑病患者氨基酸代谢活性明显增强。其中，缬氨酸、异亮氨酸为支链氨基酸（BCAA），已被报道与多种疾病和癌症有关，BCAA可以通过作用于mTOR信号通路，促进细胞生长和增殖。因此，研究者认为，相关氨基酸代谢紊乱可能是由于银屑病对角质细胞增生的需求增加所致。这有助于阐明银屑病的发病机制，为早期诊断和干预治疗提供借鉴。

邓浩[18]运用UPLC-MS代谢组学技术对寻常型银屑病患者的尿液进行检测，最终鉴定出21种可能的潜在生物标志物，包括色氨酰-脯氨酸（Tryptophyl-Proline）、异亮氨酰苯基-丙氨酸（Isoleucyl-Phenylalanine）、羧基-谷氨酸（Gamma-Carboxyglutamic acid）、甲氧基-缬氨酸（Methionyl-Valine）、丝氨酸（L-Serine）、1，2-Diydroxy-3-keto-5-methylthiopentene等氨基酸，均高于健康对照组。由于肝脏是人体蛋白代谢的主要场所，氨基酸摄取、合成、分泌等功能与肝脏关系密切。这提示银屑病患者可能存在肝细胞损害，肝内分解代谢降低从而导致相关氨基酸含量升高。这在另一项研究中也得到了佐证：王晓华等[19]运用高效液相色谱法对28例银屑病患者进行代谢组学研究，结果显示银屑病患者血浆芳香族氨基酸（AAA）、BCAA高于正常人。一般说来，特征性的肝病性血浆氨基酸谱表现为AAA与BCAA的改变。其中，AAA主要在肝内被分解，因此血浆中AAA升高，显然是银屑病患者肝内分解代谢降低的结果。因此，以上2项研究提示医者们银屑病患者氨基酸代谢障碍可能是由于其本身肝脏机能不全引起，而通过检测相关氨基酸水平，对于早期发现银屑病的肝脏病理改变，有一定临床意义。

2.3 糖代谢异常 在对银屑病病理的认识方面，虽然医者们熟知银屑病表现为角质形成细胞过度增殖、炎性细胞浸润，但对其内部代谢的具体特征仍有诸多疑问。刘英等[20]应用核磁共振（1HNMR）技术对寻常型银屑病患者血浆进行检测，发现葡萄糖、乳酸、丙酮酸含量明显升高。葡萄糖是生物体内的主要能源物质，高水平的葡萄糖在分解过程中为银屑病角质细胞过度增殖提供能量。丙酮酸是机体糖代谢的重要中间产物，葡萄糖分解成丙酮酸，在缺氧或无氧条件下，丙酮酸分解为乳酸，称为糖酵解；在有氧条件下，丙酮酸分解成乙酰CoA，进入三羧酸循环。有学者研究发现，相比三羧酸循环，糖酵解途径能够更快提供腺苷三磷酸（ATP）[21]。该研究发现银屑病患者乳酸含量明显升高，提示糖酵解可能是银屑病角质细胞增生能量供应的主要方式，角质形成细胞处于能量匮乏状态。另一种推测是，乳酸升高为炎性细胞大量浸润所致，相关研究发现，在炎性反应时，即使在有氧条件下机体也优先进行丙酮酸转化为乳酸的代谢，即有氧糖酵解现象。这提示医者们，糖酵解途径可能是开发新型治疗银屑病药物的潜在靶点。

3 小结

银屑病发生发展是个复杂的过程，通过代谢组学研究，发现银屑病患者脂代谢、氨基酸代谢、糖代谢存在异常，也正是这些重要代谢途径的非正常激活才保证银屑病的免疫紊乱、表皮细胞增殖潜能。当然，尚需进一步的研究来阐释所观察到的三大代谢紊乱的意义。从这些代谢物角度出发，深入研究其调控机制对未来治疗银屑病有重要意义。随着系统生物学的发展，运用多组学融合手段对疾病进行更加全面的研究也逐渐成为趋势。今后，将代谢组学、蛋白组学、基因组学、转录组学和生物信息学结合，有利于为银屑病的研究提供可信度更高的数据[22]。