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Nat Commun | 通过指尖汗液监测机体代谢

迈维代谢

2021.10.21

● 期刊：Nature Communications

● 发表时间：2021.09

● 影响因子：14.919

前言

自19世纪后期以来，指纹已被用于识别个体，但最近发现它们与药物及其代谢物也具有相关性，而摄入体内的药物也可以经过代谢后从汗腺排出。今年9月，奥地利维也纳大学的研究团队发表在Nature Communications杂志上的最新科研成果证实指尖的汗液也能体现个体的代谢状态。该研究涉及禁食间隔后饮用咖啡或摄入咖啡因胶囊，通过收集指尖汗液样本，成功地监测了所有已知的咖啡因代谢物以及内源性代谢反应。

人体代谢生物监测通常基于血液、血浆或尿液的采样。目前的代谢表型检测技术主要集中在生成静态诊断图片，因为常用的生物液体(如血浆、尿液)或组织通常不允许进行时间-过程研究。将动态代谢反应作为生物标志物的策略需要对单个个体采集大量的时间点数据。所以，为了动态代谢模式，需要一种替代体液的非侵入性方法来对同一个体进行频繁采样。

汗液成分是高度动态的，随着病理状态发生显着变化，并且可能揭示饮食习惯、代谢状况或药物和补充剂的使用。已经有报道称通过汗液分析来评估个体代谢特征。使用可穿戴汗液传感器对可以对汗液中的尿酸和酪氨酸、IL- 6 和皮质醇或电解质（如钠、铵离子和乳酸）进行生物标志物的实时监测。此外，已经成功证明，汗液中所含蛋白质的分析不仅可以诊断活动性结核病，还可以用于筛查肺癌，突出了汗液分析在精准医学中的潜力。

因此，该研究假设皮肤表面的汗水可能是代谢生物监测的一个有希望的来源。这项研究一共分析了来自 40 名参与者的 1792 个样本，基于饮用咖啡或摄入咖啡因胶囊的原理验证研究，评估每个参与者的代谢时间序列，并提供这种方法可行性的证据。

NO.1

研究A-指尖汗液是代谢表型的一个丰富来源

首先，研究者们建立了一个简单的工作流程，用于从指尖采集和处理汗液样本。大致流程如下：在每个采样时间点之前，用清水洗手，用一次性纸巾将手擦干。在收集汗液时，将一个直径为1.15 cm的标准化圆形取样片夹在拇指和食指之间1分钟，然后用干净的镊子将其转移到空管中储存。在水溶液条件下从采样单元中提取代谢产物，得到的溶液直接引入液相色谱-质谱(LC-MS)系统进行分析(图1)。

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图1 样本处理流程

在最初的观察研究中，3名参与者在连续 2 天以不同的时间间隔每天 7 次使用双手收集汗液样本（研究A），通过外标鉴定和验证了250 种代谢物。在这些汗液样品中以高可信度鉴定了许多已知以及以前未报导的内源性和外源性代谢物（图2b、c）。已知的代谢物包括氨基酸相关的代谢物（例如酪氨酸、亮氨酸或瓜氨酸）和激素（例如褪黑激素或黄体酮）。新发现的代谢物包括多巴胺、黄体酮和褪黑激素等。有趣的是，在检测结果中观察到了许多咖啡衍生的代谢物，包括咖啡因和相关的二甲基黄嘌呤和甲基黄嘌呤。使用这些代谢物的主成分分析 (PCA) 显示样本根据个体聚类，没有发现特定个体的左手和右手的汗液成分有显著差异(图2d)。

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图2

b.提取的汗液成分离子色谱示例，分析物根据保留时间被分为三组。

c.根据洗脱顺序确定的汗液成分。（CA绿原酸，MX甲基黄嘌呤，PX对黄嘌呤，TB可可碱，TP茶碱，Progest.孕激素）。

d.三名参与者的左手(方形)和右手(圆形)的手指汗液样本主成分分析(PCA)，描述了在不同的两天(浅色和深色)饮用咖啡前后的情况。

NO.2

指尖汗液样本的稳定性高

各个分子在通过LC-MS系统后，根据保留时间 (RT)、一级质谱 (MS1) 的准确质量和二级质谱 (MS2) 碎片离子模式对分子特征进行表征。内标咖啡因-（三甲基-D9）的RT变异系数 (CV) 在 636 次进样中为 1%（图 3a）。同一样本集的曲线下面积 (AUC) 的 CV 为 11% (n = 636)。表明 LC-MS 系统的性能在每个样品组中都很稳定。

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图3 LC-MS/MS运行过程中，内标的保留时间 (RT) 和曲线下面积 (AUC) 的变异系数（CV%）

NO.3

研究B-饮用咖啡后，指尖汗液中检测到咖啡特有的外源性物质

在确认指尖的汗液含有内源性代谢物以及主要与咖啡消耗相关的外源性物质后，接下来研究人员设计了一项干预研究（研究B），包含 11 名参与者，他们在禁食 12 小时后饮用了标准量的咖啡，不吃含咖啡因的食物。对另外两名不喝咖啡的志愿者作为对照组进行抽样。在喝咖啡之前（0分钟）以及之后的 15、30、45、60、90 和 120 分钟收集汗液样本。

参与者在喝咖啡前（0分钟）的代谢物水平显示的绿原酸、葫芦巴碱和咖啡因的含量可以忽略不计，饮用咖啡后 15 分钟，所有志愿者的咖啡因、绿原酸和葫芦巴碱的 AUC 显着增加（图 4a）。引人注目的是，食用后 15分钟指尖汗液中检测到了咖啡中含有的 121 种代谢物中的 35种（29%）外源物质。

时间依赖性采样揭示了咖啡特异性代谢产物在吸收和清除率方面的动力学特性的差异。例如：咖啡因和绿原酸的 AUC 在 15 分钟后达到峰值，然后快速清除，而二甲基黄嘌呤的 AUC 在较高的基线水平上随时间稳定增加（图 4b）。这些发现表明，可以在指尖汗液中强有力地检测到摄入的外源性物质，并且它们的时间依赖性反映了它们的药代动力学特性。

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图4

a.咖啡因、绿原酸和葫芦巴碱的归一化曲线下面积 (nAUC)，所有参与者15 分钟后均显着增加;

b.以志愿者3为例。咖啡因（紫色）和绿原酸 AUC（橙色）在喝咖啡后迅速增加，然后迅速清除；可可碱、二甲基黄嘌呤和茶碱（绿色）的水平在观察期内增加得比较缓慢。

NO.4

研究C-指尖汗液可以说明个体的代谢特征

众所周知，咖啡因的代谢由多种不同的肝酶参与，而作者在饮用咖啡后的指尖汗液中成功地鉴定出了多种咖啡因代谢产物（图5）。然而，二甲基黄嘌呤和甲基黄嘌呤水平在饮用咖啡前的指尖汗液中就已观察到显著的背景水平，这两种物质可能来自咖啡豆代谢，也有可能来自内源性肝脏代谢。

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图5 咖啡因代谢途径

为了监测肝酶将咖啡因转化为二甲基黄嘌呤的生理变化，研究者们设计了另一项研究（研究C），40名参与者每人摄入一粒咖啡因含量为200毫克的胶囊，并且至少提前48小时不摄入含咖啡因的产品，在27小时内重复采集指尖汗液，每个志愿者最多采集20份样本。摄入咖啡因胶囊后15分钟，所有志愿者的指尖汗液中的咖啡因含量显著增加，与摄入咖啡的结果一致。在所有志愿者中，主要代谢物二甲基黄嘌呤的丰度缓慢增加，并在摄入后360至480分钟达到峰值(图6)。