基于質譜技術的脂肪酸定量分析及其與慢性疾病關系的研究進展

李 娜，李智立

(中國醫學科學院基礎醫學研究所/北京協和醫學院基礎學院,生物物理及結構生物學系，北京 100005)

脂肪酸是含有羧基的鏈烴,其參與生命體的能量代謝，是細胞膜的主要成分。依據脂肪酸碳鏈長度可分為：碳原子數小于6的短鏈脂肪酸、碳原子數介于7～12的中鏈脂肪酸、碳原子數介于13～20的長鏈脂肪酸，以及碳原子數大于20的超長鏈脂肪酸；依據脂肪酸碳鏈飽和度可分為：飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸及多不飽和脂肪酸；根據不飽和脂肪酸第1個不飽和雙鍵距離甲基端位置的遠近可分為ω-3族、ω-6族、ω-9族脂肪酸等；根據不飽和脂肪酸雙鍵的構型可分為順式脂肪酸和反式脂肪酸。脂肪酸在人體內以游離脂肪酸(Free fatty acids，FFAs)和酯化脂肪酸(Esterified fatty acids，EFAs)兩種形式存在。其中FFAs在生命體內占比較少[1]，絕大部分以EFAs形式存在，而EFAs主要以磷脂、糖脂以及脂蛋白等形式存在，其在血液運輸中會與白蛋白結合。

脂肪酸會影響機體的生理功能及健康狀態，越來越多的證據顯示脂肪酸與炎癥[2]、肥胖[3]、糖尿病[3-4]、癌癥[5-7]以及阿爾茨海默氏病[8]等慢性疾病密切相關。

1 脂肪酸的檢測

脂肪酸在高溫下容易發生脫羧、裂解和熱還原反應。應用氣相色譜分離脂肪酸時，需要對脂肪酸進行衍生化，以增加其揮發性，降低極性，其中脂肪酸甲酯化是一種常用的衍生化方法[9-10]。在進行高效液相色譜分析之前，需利用衍生化試劑(如氯化萘[11-12]、鄰苯二甲酸酐[13]、苯酐[14]和2-磺基苯二甲酸酐[15]等)進行柱前衍生化，引入紫外吸收基團后可用紫外檢測器和二極管陣列檢測器等對脂肪酸進行檢測。近紅外光譜法也是一種快速、高通量、低成本的脂肪酸分析方法[16]。采用核磁共振波譜法可通過添加苯甲酸作為內標物，開展脂肪酸的定量分析[17]。 質譜法可對脂肪酸等生物分子進行高通量的定性和定量分析[18-20]。本文主要綜述了采用質譜法定量分析不同病理生理條件下脂肪酸含量及其與疾病關系的研究結果。

2 脂肪酸與慢性疾病

2.1 脂肪酸與糖尿病

糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝性疾病。以氨水處理的N-(1-萘基)乙二胺二鹽酸鹽(NEDC)作為基質輔助激光解吸電離(MALDI)檢測脂肪酸的基質，可降低NEDC基質效應的影響。通過建立定量分析曲線，對339例血清樣本(包括161例健康對照、118例糖尿病患者、60例非糖尿病患者)中的7個血清FFAs(C16∶0、C18∶3、C18∶2、C18∶1、C18∶0、C20∶4和C22∶6)進行絕對定量分析。研究結果表明，上述FFAs在糖尿病患者中明顯升高，且大多數脂肪酸的含量隨著血糖值升高而呈上升趨勢；受試者工作曲線分析結果表明，C18∶3、C18∶2、C18∶1、C20∶4和C22∶6的組合具有較高的診斷能力，可以區分健康對照和糖尿病患者或非糖尿病患者，其診斷精度、靈敏度和特異度分別大于0.97、90%和91%。該組合還可區分糖尿病患者和非糖尿病患者，其診斷精度、靈敏度和特異度分別為0.94、92.4%和83.3%[18]。通過堿水解方法可獲得血清中的EFAs，采用基質輔助激光解吸電離-質譜分析了1 828例血清(包括543例對照、655例糖尿病前期患者、630例2型糖尿病)中的14種EFAs(C16∶0、C18∶0、C16∶1、C18∶1、C18∶2、C18∶3、C20∶1、C20∶2、C20∶3、C20∶4、C20∶5、C22∶4、C22∶5和C22∶6)。研究結果揭示，C18∶1和C20∶3在3組人群中的表達水平具有顯著差異；糖尿病患者血液中的EFAs水平顯著高于健康對照和無高血糖患者[21]。高表達的飽和FFAs和ω-6 多不飽和脂肪酸會引起糖耐量受損和胰島素抵抗[22]。血液中的FFAs增加可將脂肪酸儲存在非脂肪組織，如肝臟、肌肉、心臟和胰島。這種脂質異位沉積將導致代謝相關的細胞發生功能障礙，引起細胞程序性死亡。羥基脂肪酸脂肪酸酯是近年來發現的一類新型脂肪酸，其為羥基脂肪酸與脂肪酸的酯化反應產物，可促進胰島素的分泌和葡萄糖的攝取，且具有抗炎作用[23-24]。

2.2 脂肪酸與癌癥

采用NanoESI-FTICR MS技術對2 861例血清中的 6種FFAs(C16∶1、C18∶3、C18∶2、C18∶1、C20∶4和C22∶6)與不同慢性疾病的關系進行了研究。通過建立定量分析標準曲線，對實驗方法進行精密度、穩定性和加標回收率等考察后，實現了對上述6種FFAs的絕對定量分析。與健康對照比較，發現FFAs在胰腺癌、肺癌、結直腸癌、胃癌、乳腺癌和甲狀腺癌患者血液中的含量均呈下調趨勢，而在非癌的慢性疾病患者血液中則呈現不同的變化趨勢[6]；受試者工作曲線分析結果表明，C18∶2/C18∶1和 C18∶3/C18∶1的組合能夠識別早期胰腺癌，其診斷精度、靈敏度和特異度分別為0.912、86.7%和88.6%[20]；C16∶1、C18∶3、C18∶2、C18∶1、C20∶4和C22∶6的組合能夠將早期肺癌與非癌人群區分開，其診斷精度、靈敏度和特異度分別為0.933、84.2%和89.1%[25]；C16∶1、C18∶3、C18∶2、C20∶4和C22∶6的組合能夠識別早期胃癌[26]、結直腸癌[5]和乳腺癌[27]，其診斷精度、靈敏度和特異度分別優于0.82、80%和72%，且這些研究結果明顯優于臨床上使用的癌胚抗原和CA19-9等傳統腫瘤標志物的診斷精度、靈敏度和特異度。采用碳納米材料-氧化石墨烯作為MALDI MS分析的基質，對血清中的12種EFAs(C16∶0、C16∶1、C18∶0、C18∶1、C18∶2、C18∶3、C20∶2、C20∶3、C20∶4、C20∶5、C22∶5和C22∶6)進行絕對定量分析。研究結果表明，不同性別之間的脂肪酸含量無統計學差異，但不同病理生理狀態下、不同年齡段之間的脂肪酸含量卻存在統計學差異。與健康對照人群相比，肺癌患者的C16∶0、C18∶0、C18∶1和C18∶3含量均明顯升高，肺部良性疾病患者的C20∶2、C20∶4、C20∶5、C22∶5和C22∶6含量均明顯下降。與臨床常用的腫瘤標志物(癌胚抗原和細胞角蛋白19片段)相比，發現C18∶2、C20∶3、C20∶4、C20∶5、C22∶5和C22∶6的組合，C18∶0、C20∶4、C20∶5和C22∶6的組合以及C16∶1、C18∶0、C18∶1、C20∶3和C22∶6的組合可區分肺部良性疾病患者和肺癌患者[19]。肺癌患者血清中FFAs及其氧化代謝物的水平顯著升高，其中花生四烯酸、亞油酸和15-羥基二十碳四烯酸組合具有較好的區分腺癌與非癌的能力[7]。短鏈脂肪酸是腸道細菌發酵的關鍵代謝產物，飲食中的多聚糖在結腸內可被微生物代謝成低聚糖，然后發酵成乙酸、丙酸和丁酸等短鏈飽和脂肪酸，這些短鏈脂肪酸對人的能量代謝具有重要影響，與膳食纖維的抗炎作用和降低結腸癌患病風險密切相關[28-29]。

2.3 脂肪酸與心血管疾病

心血管疾病是一類涉及心臟或血管的疾病統稱。前期研究采用LC-MS/MS技術在動脈粥樣硬化斑塊中檢出C14∶0、C16∶0、C18∶0、C18∶1、C18∶2、α-C18∶3、γ-C18∶3、C20∶4、 C20∶5和C22∶6等10種脂肪酸[30]。采用LC-MS對食用ω-3多不飽和脂肪酸降低心血管疾病發病風險的受試者血清中C20∶5和C22∶6進行測定，發現這些脂肪酸的血液濃度與動脈粥樣硬化相關[31]。采用GC-MS對漢族正常人和冠心病患者血液中脂肪酸進行測定，發現C14∶0、C16∶0、C18∶0、trans-C18∶1、C22∶6、C20∶5和C20∶4脂肪酸與冠心病顯著相關[32]。 對歐洲人群的研究發現，高表達的單不飽和FFAs與心血管風險有關[33]，而高表達的ω-6多不飽和脂肪酸能降低心血管疾病發生的風險[34]。對非糖尿病人群，血液中的ω-3和ω-6 多不飽和脂肪酸表達水平增加會降低未來患心血管疾病的風險[35]。C20∶5/C20∶4比值較高的人，其患心血管疾病的風險相對較低[36-37]。這些研究結果表明血液中FFAs的表達水平與心血管事件的發生密切相關。

3 總結與展望

脂肪酸作為人體內重要的代謝產物和能量來源，其種類及含量的變化對不同類型慢性疾病的發生、發展起著重要作用。脂肪酸與慢性疾病關系的研究，既要關注脂肪酸的種類及其含量變化，又要關注其更深層次的結構和構型變化[38]。將不同分離技術與質譜技術相結合，開展定性和定量的脂肪酸更精細的結構分類研究，從而建立脂肪酸“量變”和結構變化(“質變”)與慢性疾病發生、發展之間的關系，將是質譜學研究的重要方向之一。