烧烫伤是全球重要的公共健康问题,皮肤由于液体烫伤,接触性烫伤,火焰,紫外/红外照射,辐射,电化学等因素引起多层或全部皮肤细胞的破坏而造成烧烫伤。烧伤和直接创伤将诱使系统免疫反应综合症,在严重烧伤患者中,血浆外渗进入组织引起全身性炎症反应和血管通透性增加造成组织水肿。烧烫伤发生过程中修饰机体代谢主要表现为能量消耗增加,分解代谢增强,特征标记蛋白丢失,肌肉蛋白质重新分配,导致机体组织的重组和重构。重度烧伤创面愈合后往往会导致疤痕组织形成和挛缩横跨关节,限制运动,严重影响患者的生活质量。考虑皮肤烧烫伤的分子机理尚不完全明晰,因此建立皮肤细胞损伤的代谢特征谱将有助于理解皮肤损伤的分子特征,鉴定新的靶点和靶点群,用于防治烧烫伤药物功能组分的发现与表征,以及组织修复与再生方法的设计开发,更好治疗烧烫伤,提高患者的生存质量。基于此,本研究基于人永生化角质细胞(HaCaT),利用三种典型的化学试剂(双氧水-H2O2,苯酚-PH,脂多糖-LPS),实验模拟诱导皮肤损伤的病理学过程,整合应用NMR和GC/MS的代谢组学分析方法表征皮肤损伤的细胞代谢特征谱,从系统代谢角度表征不同化学因素诱导皮肤细胞损伤的代谢特征谱,结合扫描电镜可视化表征,确定最适皮肤损伤细胞模型,用于皮肤损伤代谢机理研究和确有疗效中药功能组分的快速筛选和功能研究,同时发现与鉴定皮肤损伤发生发展的特征型代谢标记物,以动态监控临床烧烫伤治疗过程和治疗效果评估。首先,本研究基于多尺度浓度优化建立基于H2O2,PH和LPS诱导的细胞损伤模型,优化细胞代谢物的提取、富集、衍生化和氘代试剂的浓度,并对分析仪器表征参数进行全局优化,建立一套普适于细胞代谢组研究的基于NMR和GC/MS的代谢组分析方法。整合生物数据分析软件与在线数据库检索分析,对获得的高通量代谢组数据进行模式识别分析,鉴定皮肤损伤发生过程中对区组有显著贡献作用的特征差异性代谢物。并对鉴定出的代谢物进行代谢通路归属构建,基于代谢通路生物功能的修饰变化理解皮肤损伤发生过程中的分子特征和机理。其次,本研究利用所优化建立的细胞代谢组学分析方法,建立与表征上述三种化学因素诱导的细胞损伤模型的代谢特征谱。通过多种模式识别方法整合应用于获得的代谢特征谱原始数据分析,本研究从不同因素诱导损伤细胞的提取物中共发现和鉴定27个与皮肤损伤显著关联的特征差异性代谢产物。这些代谢物主要包括氨基酸:丙氨酸,天冬酰胺,精氨酸,谷氨酰胺,缬氨酸,组氨酸,脯氨酸,亮氨酸,异亮氨酸,正亮氨酸,鸟氨酸,天冬氨酸和谷氨酸;与能量循环相关的苹果酸,柠檬酸,葡萄糖,阿洛糖,丙酮酸,甘油,硬脂酸,脂类,乳酸,呋喃糖;以及其它:肌酸,胆碱,腺苷,肌酸酐,谷胱甘肽。其中NMR细胞代谢特征谱分析发现与鉴定的特征差异代谢物包括组氨酸,脯氨酸,乳酸,谷胱甘肽,赖氨酸,鸟氨酸,天冬酰胺,肌酸,柠檬酸,脂类,天冬氨酸,丙氨酸,胆碱,苹果酸,精氨酸,天冬酰胺,腺苷,缬氨酸和谷氨酰胺代谢物。基于GC/MS的细胞代谢特征谱分析发现和鉴定的主要是天冬氨酸,甘油,亮氨酸,乳酸,谷氨酸,阿洛糖,果糖,赖氨酸,葡萄糖,丝氨酸,脯氨酸,谷氨酰胺,丙氨酸,麦芽糖,正亮氨酸,丙酮酸,硬脂酸,甘油,异亮氨酸,缬氨酸代谢物。其中脯氨酸,乳酸,谷氨酰胺,缬氨酸,丙氨酸,天冬氨酸和赖氨酸是两个代谢组分析方法重叠发现与表征的代谢产物。进一步对这些显著性差异性的代谢物进行分类,富集和代谢通路归属分析,结果显示这些特征差异代谢物主要归属于糖酵解、脂代谢、磷酸戊糖途径,三羧酸循环,和尿素循环。生物功能关联分析结果证实这些修饰代谢产物功能的改变,以及代谢通路表达活性的变化有效诠释了皮肤损伤发生的分子特征和代谢机理,其与临床烧烫伤的病理过程呈现高度一致性。综上所述,本研究成功建立基于NMR和GC/MS的全局性细胞代谢组分析方法,有效应用于皮肤损伤的细胞代谢特征谱研究,从系统代谢角度认识不同化学因素诱导皮肤细胞损伤的生物化学变化过程,进而从实验模型角度加深理解皮肤损伤的代谢特征和机理。同时发现与鉴定皮肤损伤发生发展过程中的特征性代谢标记物,以监控烧烫伤的临床治疗过程和治疗效果评估。并且从特征性代谢产物及其代谢通路的调控与活性修饰角度帮助我们理解皮肤烧烫伤的分子机制,诊断、临床治疗设计和小分子药物开发。