综述 | Trends Endocrinol. Metab.：皮肤代谢组（国人佳作）
编译：萌萌宝儿，编辑：Tracy、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
皮肤含有许多低分子量化合物（即代谢物），一些化合物发挥特定生理作用，另一些则是新陈代谢的副产物。目前人们采用对皮肤表面进行采样来检测和量化与疾病相关的皮肤代谢物，已经开发了微型探针用以检测随汗液分泌的高丰度代谢物。为了表征皮肤代谢物的广谱特性，研究人员选取了几种可用方法中的一种收集样本并通过色谱、质谱（MS）或其他技术分析处理过的样本，其中已发现的皮肤代谢物相关的疾病包括囊性纤维化（CF）、银屑病、帕金森病（PD）和肺癌。为了增加皮肤代谢组学的临床意义，科研者们还需要验证皮肤和其他组织/基质中代谢水平之间的相关性。
论文ID
内容
1. 皮肤代谢物的来源
代谢组学是系统生物学中的一个新兴领域，旨在揭示生物系统中的代谢产物，早在20世纪70年代就有此类研究。在代谢组学中血液和尿液经常被采样和分析以获得临床相关信息，但是现在人们对非常规生物基质（例如皮肤排泄物）的代谢组学越来越关注，而这些存在于皮肤上或皮肤内的低分子量化合物来源于皮肤外层的汗液、皮脂和蛋白质降解组织液，这些占人体皮肤的45%。
汗液中的代谢物来自小汗腺和顶泌腺的分泌物（图1A,B），小汗腺分泌物以水性液体形式通过分泌细胞的管腔细胞膜释放，并且不会导致细胞解体，分泌物中含有电解质、元素、无机离子、氨基酸和其他未知物质。顶泌腺的分泌是通过顶泌腺线圈中分泌细胞的挤压而产生的，这种分泌物是种粘性液体，含有脂质、蛋白质、类固醇和离子。
皮脂是由皮脂腺产生和分泌的复杂混合物（图1C），皮脂分泌是一种全分泌，因为它是由腺细胞完全分解进入毛囊皮脂腺单位的毛囊管而形成。人体皮肤上的挥发性有机化合物（VOCs）由小汗腺、顶泌腺和皮脂腺的分泌物以及皮肤微生物群与这些分泌物的相互作用产生的（图1H）。虽然间质液成分（图1D）尚未完全确定，但报道称，由于存在蛋白质和脂质，间质液与血浆/血清的成分相似；但是，间质液成分（如蛋白质、钙、镁、钠和钾）的浓度通常低于血液中的浓度，这是因为它们从血液经毛细血管流向间质液。
皮肤上存在其他化合物（图1E-G），例如，由角质层中不溶性多蛋白纤丝聚集蛋白去磷酸化和降解产生的单纤丝聚集蛋白。随后，单纤丝聚集蛋白进一步进行蛋白水解，分解并释放氨基酸及其衍生物。单纤丝聚集蛋白原是游离氨基酸及其衍生物的主要来源，主要包含角质层的天然保湿因子（NMF），而NMF的主要成分是游离氨基酸，包括丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸、组氨酸、鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸。编码单纤丝聚集蛋白的基因突变会导致皮肤屏障功能障碍，这是皮肤疾病（如寻常性鱼鳞病和特应性皮炎）的遗传风险因素。
图1 皮肤释放代谢物的途径以及保留皮肤外源性来源物质
皮肤上的代谢物来源多种多样，皮肤代谢物是从皮肤腺体分泌的化合物中检测出来的，主要是小汗腺（A）。在皮肤排泄物中也可以检测到顶泌腺（B）分泌的微量汗液和皮脂腺（C）分泌的皮脂。间质液（D）和表皮（E）中可以发现未排泄到皮肤上的代谢物，特别是角质层中的代谢产物。皮肤上也检测到外源性皮肤残留物质的代谢物。皮肤应激源，如紫外线（UVA和UVB）（F），以及气体和颗粒物形式存在的污染，都会影响皮肤外层的化学成分，外用药物和化妆品的残留物也会影响皮肤的化学成分。皮肤是构成皮肤微生物群的各种细菌、真菌和病毒的家园。因此，皮肤代谢物组成可受皮肤排泄物以及外用药物和化妆品与皮肤微生物群（H）的相互作用的影响。
2. 皮肤代谢物的取样和分析方法
在不同的皮肤代谢组学研究中，存在不同的皮肤标本收集和鉴定方法（图2），人们对开发这种方法感兴趣是因为皮肤是人体最大、最易接触的器官。目前人们已经开发了针对特定应用的皮肤采样方法，例如通过侵入性方法获得皮肤的表皮、真皮或表面脂肪等各层组织。活检（图2Ai，ii）和抽吸（图2v）是临床中常用的取样技术，皮肤活检是一种侵入性技术，是根据特定的皮肤活检方式从表皮或表皮下(包括真皮和浅表脂肪)获取标本；抽吸技术相对于皮肤活检侵入性较小，可用于收集表皮和间质液；其他技术，如微透析(图2Aiii)和开放式微灌注(图2Aiv)，也可通过植入薄管状膜(用于微透析)和具有宏观开口的无膜探针(用于开放流动微灌注)对皮肤中的间质液进行采样。皮肤活检、抽吸、微透析和开放式微灌注都会对患者造成伤害，因为它们费时、引起疼痛，并产生潜在的并发症风险。
在过去几年中，人们已经设计了用于皮肤代谢物分析的微创到无创的体内和原位取样技术图（图2Av-xii）。为解决侵入性皮肤取样的障碍，不同的皮肤取样技术已经发展起来，新型取样技术与传统的皮肤组织取样技术不同，它是从皮肤排泄物（汗液、皮脂和皮肤散发的挥发性化合物）和角质层中无创收集。标准的汗液取样方法包括用毛果芸香碱和离子导入诱导出汗，然后进行大导管取样(图2Avi)，在某些情况下，出汗是受到体育锻炼和环境温度控制的刺激。但这些诱发出汗的方法会影响采样汗液的成分，汗液和皮脂（包括从皮肤散发的挥发性化合物）通过使用溶剂（或缓冲液）来洗涤皮肤表面（图2Aviii）并通过各种吸附剂材料（例如聚二甲基硅氧烷、水凝胶、滤纸、棉垫或聚合物膜）在贴片型设计中（图2Aix，xi，xii）直接接触皮肤或嵌入固体支架而不直接接触皮肤（图2Ax），例如，最近推出的水凝胶微贴片（图2Axii）能够快速收集微小样品用于质谱分析皮肤排泄物的量。简单地说，水凝胶（琼脂糖）微贴片是在聚四氟乙烯板的空腔中形成的，在样品收集和转移到化学实验室后，探针被放置在质谱仪开口处的样品接口中，水凝胶微贴片中存在的皮肤代谢物通过流动的电离溶剂重新提取，提取液瞬间转移到质谱仪的离子源，并记录离子信号，记录的质谱经过归一化计算处理。
目前一些可以对皮肤代谢物进行采集的微创技术也有报道，例如，水凝胶微针贴片作为收集皮肤间质液的微创技术(图2Aix)；胶带剥离技术(图2Avii)是另一种对角质层进行采样的微创技术，具体操作是将胶带贴在皮肤表面并多次剥离。在进行代谢物分析之前，通常需要进行样品制备，如样品清理、提取和分析物预浓缩，样品提取是为了将生物样品转化为更易于分析仪器检测的状态。
图2 皮肤取样(A)和代谢物分析(B)的分析方法（代表性方法的简化描述）
皮肤采样方案因皮肤代谢组学的具体应用而异。（A）采样方案可分为:侵入式（i-iv），由医学专家在临床上进行组织样品、间质液、表皮和皮下皮肤层收集；微创式（v-ix），可采集皮肤间质液、角质层和皮肤排泄物；非侵入式（x-xii），可以收集皮肤排泄物或释放的挥发物。（B）皮肤代谢组学分析通常包括分析平台，如色谱技术（i，ii）、质谱（iii）和核磁共振波谱（iv）。
目前代谢组学的主要检测平台是核磁共振（NMR）波谱和质谱（MS）技术，尤其是色谱分离前的质谱技术(图2B)。核磁共振需要最少的样品制备，因此是代谢指纹图谱的首选方法，但是核磁共振的灵敏度低于基于质谱的平台，因此联用的质谱技术[即气相色谱-质谱(GC-MS)和液相色谱-质谱(LC-MS)]用于全面和敏感的代谢物鉴定和定量。鉴于代谢物的多样性，一个分析平台无法涵盖整个皮肤代谢组，偶尔人们会同时使用多个分析平台（例如，GC-MS和LC-MS、NMR和LC-MS）。
皮肤代谢组学作为一种高效的转化研究工具，此类工作流程必须涉及采样、样品制备、检测、代谢组学数据分析、生物学解释和验证分析方法。为代谢研究开发的分析方法在用于代谢物鉴定和定量之前需要验证，在方法验证中，解决了代谢组学工作流程每个步骤中的挑战和局限性。
皮肤代谢组学中需要解决的问题包括人际关系的变异性、低分析物浓度、随着时间推移确定绝对浓度的困难，以及收集的少量生物样本。代谢物水平的生物可变性是皮肤采样中的一个主要问题，皮肤是一种“动态”机制，所以代谢物水平随时间而变化，观察到的变异性甚至可以由皮肤表面化学物质的不均匀分布引起；此外，人类皮肤暴露在不同的应激源下，无论个人是否健康或患有疾病皮肤微生物群和皮肤对应激源的反应因人而异。
变异性的另一个来源是分析过程本身，包括取样和检测。在使用水凝胶微贴片进行皮肤取样时，人们考虑了几种标准化数据的方法，以补偿记录的分析物信号的变化，其中包括在收集介质（水凝胶）上添加内标物（即同位素标记化合物），并将提取的离子流除以部分总离子流。但是标准化的方法通常取决于样本大小、选定的取样方法、检测方法和具体的分析目标，在一些针对汗液的方法中，补偿采集样本量的变化尤其具有挑战性。
总体而言，皮肤采样和检测方法直接影响代谢组学数据的质量和后随后的生物学解释。无论应用用于皮肤代谢物分析、生物标志物鉴定，还是用于靶向代谢物分析，只有通过有效的采样和检测技术才能获得有意义的数据集，这些数据集将提供足够的分子信息使其与临床相关。相比之下，由于专业软件工具和数据处理自动化，数据分析有可能被简化为一种标准化的方法。
3. 皮肤代谢物与血液代谢物的关系
皮肤代谢物的无创采样和分析是疾病诊断和健康监测的可行工具。除了专注于识别皮肤代谢物生物标志物的研究外，开发微创和非侵入性设备作为监测健康的替代方法也是研究的重点。研究者们正在开发的用于检测替代生物流体（如汗液和间质液）成分的生物传感器，目的是创建现场检测设备，以补充和/或替代标准检测，非侵入性汗液传感器已经有报道，如可穿戴传感器和表皮传感器（用于皮肤的直接化学传感），可穿戴传感器包括贴在皮肤上的贴片状传感器和附件型传感器，如手表和眼镜，而表皮传感器包括基于纹身的临时电化学传感器，而微创微针阵列传感器已被开发用于检测皮肤间质液中的代谢物。生物传感器制造的典型步骤是将电极组装在基板上，结合分析物的选择性识别元件以及利用物理化学传感器将任何检测到的变化转换为可读信号。
在这种传感器的研制过程中，对汗液或间质液中检测到的目标分析物进行评估，以确定血液中相同分析物的相关性，例如，通过无创或微创传感器检测的汗液葡萄糖和皮肤间质液葡萄糖与血糖测量值进行比较，这种相关性在开发监测糖尿病患者状况的替代护理点检测特别有用，对于糖尿病患者，葡萄糖是一个已确定的生物标志物，此外，评估和验证汗液或间质液与血液之间的相关性受取样方案中内部和人际可变性的影响，例如，可以从角质层、皮肤间质液和汗液中提取葡萄糖，据报道，汗液葡萄糖和血糖之间存在相关性，快速的出汗反应反映了体内的葡萄糖水平，并且还有文献报道了在稳态条件下间质液和血液中葡萄糖之间的相关性。在微针传感中，皮肤采样深度影响检测效率，由于皮肤各层（即表皮、真皮和皮下层）的葡萄糖时空动态（如这些不同层的成分和厚度）导致体内变异是影响皮肤间质液中葡萄糖的检测，然而，大多数具有临床意义的代谢物在皮肤和血液代谢物水平之间的关系尚未得到证实。鉴于人类代谢组的大多数发现都是通过基于血液的检测，血液被认为是监测生理反馈的标准生物流体，因此，需要进一步验证皮肤和血液代谢物的相关性，以实现无创和微创皮肤代谢物分析在临床中的实际应用。
4. 皮肤代谢组学的临床应用
代谢物生物标记物是通过分析特定的代谢组来发现的，然后通过目标分析进行绝对定量验证。大多数生物标志物的发现与血液、组织和尿液代谢组有关，而具有临床意义的代谢物生物标志物主要是血液生物标志物（即来自血清或血浆），但皮肤代谢物生物标记物在大多数临床诊断中并不常用。皮肤基质的化学成分包含了大量有关新陈代谢过程的信息，皮肤代谢物的变化可以指示疾病或其他生理状态；此外，皮肤代谢物显示出相当大的空间异质性，但是标准化的方法和大量人群的临床验证研究的缺乏限制了皮肤代谢物生物标志物在诊断应用中的潜力，不过皮肤代谢物仍然有潜力作为疾病的潜在生物标志物。最近在生物样品中代谢物综合分析方面的突破刺激了对皮肤生物标志物发现的研究，皮肤代谢信号可提供反映不同疾病状态的预测性、预后性、诊断性和替代性标记，预测获得的风险或揭示特定疾病的发病、进展、消退、复发和预后，以及促进药物发现/开发（表1）。
表1 皮肤相关基质中代谢疾病标志物的实例
4.1 皮肤代谢产物作为皮肤病的生物标志物
一些报告通过将银屑病皮损与无症状银屑病和健康对照者进行比较，指出银屑病皮损内代谢物的差异，并建议这些代谢物作为银屑病的生物标志物，例如，使用水凝胶贴片取样和在线MS检测进行的研究显示，胆碱、谷氨酸、苯丙氨酸、乳酸、尿氨酸和瓜氨酸是银屑病相关的代谢物；此外，一些代谢物与疾病严重程度、临床改善和治疗反应相关；在另一项研究中，特应性皮炎患者的汗液中葡萄糖浓度高于健康受试者。皮肤代谢组学方法被用于确定几种皮肤疾病的特征性生物标记物谱，包括黑色素瘤、基底细胞癌和特应性皮炎。
4.2 皮肤代谢物作为全身疾病的生物标志物
除了皮肤疾病外，越来越多的研究揭示皮肤代谢物作为多种全身疾病生物标志物来源的潜在用途，例如，汗液分析通常用于诊断慢性疲劳（CF），CF是一种严重的常染色体隐性多系统疾病，这种疾病是由编码CF跨膜传导调节因子（CFTR）的基因突变引起的，这种突变导致汗腺中CFTR蛋白功能失调，导致上皮分泌细胞中钠和氯的转运发生改变，并形成粘液，堵塞肺部的气道，大多数患者患有多系统疾病，包括肺，肝和胃肠道以及身体的其他器官。CF患者的汗液中电解质浓度很高，具体来说，由于CFTR功能障碍，汗液氯化物水平受到干扰，因此，汗液氯化物是用于诊断CF的生物标记物。
在严重尿毒症患者中，小汗腺分泌高水平的尿素作为汗液的一种成分，这可能是终末期肾病的生物标志物。最近，Trivedi等人使用热解吸GC-MS和嗅觉分析来鉴定帕金森病的一个独特代谢特征，作者表示帕金森病患者独特的气味表明皮肤微生物区系和皮肤生理发生了改变。对帕金森病患者皮脂的综合分析显示，皮脂与他们的气味有明显的相关性，几种挥发性有机化合物（紫苏醛、马尿酸、二十烷和十八醛）被报道为帕金森病无创筛查的潜在生物标志物；此外，Smesny等人研究了抗精神病药物治疗初期精神分裂症患者和健康对照组的皮肤脂质代谢，并证明鞘脂是该疾病的潜在生物标志物。
从皮肤散发出来的挥发性有机化合物的变化也反映在传染病上，因为引起疾病的病原体可能会改变宿主的气味。De Moraes等人的研究也是如此，他们对疟疾高发人群进行了皮肤挥发物取样，揭示了有症状和无症状感染的5个疟疾预测因子（4-羟基-4-甲基戊烷-2-酮、壬醛、甲苯和两种未知化合物）。
4.3 药物治疗效果监测
各种药理代谢物，包括3,4-亚甲二氧基甲基苯丙胺、类阿片和四氢大麻酚，已在排泄到皮肤表面的汗液中检测到，此外，Marchei等人和Tsunoda等人分别评估了注意力缺陷/多动障碍和PD患者的治疗药物和代谢物（如阿托莫西汀和左旋多巴）的排泄情况，以监测药物的使用、浓度和代谢。
4.4 皮肤病和化妆品的药物开发
几种治疗药物、消费品或化妆品局部应用于皮肤，研究表明皮肤（通过各种代谢酶）有能力代谢这些药物，导致这些药物的转化、降解或活化，影响其渗透、吸收或消除。使用前面描述的技术可以在皮肤上检测到此类产品的痕迹，更好地了解皮肤代谢有助于实现安全性评估，并有助于开发治疗皮肤病的新药或化妆品。
5.展望
无创皮肤取样为皮肤代谢组分析提供了一种简单的方法，可以在没有患者不适的情况下进行动态和重复的监测。无创皮肤取样的操作很简单，只需短期训练就可以掌握，因此，无创皮肤取样可用于更多的人，可以获得更具准确性和公正性的结果来用于皮肤代谢组学研究中的生物学解释和验证。为了解决限制皮肤代谢物分析应用的挑战，还需要进行进一步的探索，特别是需要进一步的研究来了解血液和尿液中代谢物、生理状态和皮肤代谢组之间的关系，如果这一目标得以实现，将为皮肤代谢数据在疾病诊断和健康监测中的应用奠定坚实的基础。