综述：头发作为生物样本的多方面作用：精准医学与法医学的最新进展

《EXPERIMENTAL AND MOLECULAR MEDICINE》：The multifaceted role of hair as a biospecimen: recent advances in precision medicine and forensic science

本综述系统阐述了头发作为生物样本在精准医学（precision medicine）和法医学（forensic science）中的前沿应用。文章重点介绍了头发分析在癌症诊断（cancer diagnostics）、神经退行性疾病（neurological disorders）、结核病（TB）与艾滋病（HIV）治疗监测、精神压力评估（stress assessment）以及犯罪调查中的技术进展，特别是质谱（MS）、组学技术（omics）和人工智能（AI）带来的突破。尽管面临标准化等挑战，但头发以其无创、可长期保存等优势，展现出巨大的转化潜力。

　　

头发作为生物样本的多方面作用

尽管结构简单，头发轴已成为生物研究、精准医学和法医学中一种宝贵的生物样本。其多功能性、无创性、易于收集、无感染性以及长期储存的适用性，使其在法医学、生物医学研究、环境研究、化妆品和考古学中不可或缺。与需要复杂生物样本库的血液或组织不同，头发更易于储存。如今，技术的进步优先考虑的是“适合目的”而非“高质量”的样本。

头发是研究化妆品、通过DNA甲基化预测年龄以及识别心血管健康、衰老和癌症生物标志物的宝贵样本。在精准医学中，头发分析支持药物水平监测、治疗依从性和代谢评估，尤其是在癌症护理中。在法医学中，它是最常见的生物样本，有助于确定性别、种族、年龄、嫌疑人识别、事件重建和涉毒犯罪。

精准医学中头发样本的应用

头发分析的历史可以追溯到19世纪。现代头发药物检测始于20世纪70年代末。药物掺入头发的确切机制尚不完全清楚，但实验数据支持一个复杂的多室模型。药物通过（1）头发形成期间的血液循环，（2）形成后的汗液和皮脂，以及（3）头发露出皮肤后的外部环境进入头发。此外，物质可以从周围的体腔室转移。掺入取决于血液中的药物浓度，这反映了摄入剂量。

癌症管理

癌症是全球主要的公共卫生问题。诊断金标准通常需要活检结合组织病理学检查，这些方法具有侵入性且耗时。头发分析作为一种有价值的补充方法脱颖而出。

James通过使用同步辐射的X射线衍射（XRD）研究发现，乳腺癌患者的头发与健康受试者的分子间结构不同。尽管其他研究人员未能重复该结果，但James小组在双盲乳腺癌研究中分析了500多个头发样本，未检测到假阴性。对阴毛的分析也产生了类似的结果。在动物模型中，植入人类乳腺癌腺癌细胞系后的小鼠胡须在XRD图谱中显示出与人类乳腺癌患者相似的环，甚至在肿瘤形成之前就出现，表明头发变化可作为早期癌症标志物。

傅里叶变换红外（FTIR）光谱是分析头发用于医学研究的有价值工具。对乳腺癌患者头皮和阴毛的FTIR衰减全反射分析显示，β-折叠/无序蛋白质结构增加，C-H脂质含量升高。KRT81（一种通常在人发皮质中表达的II型头发角蛋白）已在SKBR3乳腺癌细胞系和乳腺癌转移淋巴结中检测到，但在正常乳腺上皮细胞中未检测到，表明其作为乳腺癌生物标志物的潜力。

Wu等人探索了使用同步辐射红外显微光谱对头发样本进行食管癌患者与健康个体的区分。他们发现头发髓质可以有效区分两组，灵敏度为89.74%，特异性为87.50%。对结直肠癌和肺癌的类似研究揭示了头发蛋白质、脂质和核酸谱的显著变化。此外，肺纤维化的诊断和进展可以通过头发代谢组准确评估。

痕量元素分析也显示出前景。在肿瘤性乳腺病理患者中，头皮头发分析显示硒（Se）和锌（Zn）浓度显著降低，同时铬（Cr）水平升高。多项研究表明，头发中锌水平降低与前列腺癌有关。Tan和Chen证明，头皮头发痕量元素分析（包括Zn、Cr、Mg、Ca、Al、P、Cd、Fe和Mo）可达到98.2%的准确度。在乳腺癌、头颈癌、甲状腺癌、胃癌和胃肠道间质瘤等癌症中，也观察到头发元素水平的改变。

追踪癌症治疗效果

监测治疗效果对于优化给药、最小化副作用和确保治疗依从性至关重要。头发作为一种非侵入性样本，为了解药物疗效、耐药性、治疗调整和毒性提供了宝贵的见解。其缓慢的生长提供了治疗暴露和药物代谢的时间顺序记录。

使用激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS），研究人员监测了一名接受顺铂/环磷酰胺治疗的卵巢癌患者头发中的铂水平。在治疗第120天收集的头发样本显示了四个铂峰，对应于间隔3周的治疗剂量。头发长度间隔与给药时间相吻合。

对82名肺癌患者头发样本的FTIR分析显示蛋白质和脂质水平显著降低。研究人员监测了一名接受化疗和免疫治疗的男性患者，发现头发FTIR峰值的增加与他的治疗反应和健康恢复相关。类似地，伊马替尼（imatinib）和酪氨酸激酶抑制剂（TKIs）等药物也可以在头发中检测到，头发药物浓度与治疗反应相关。

抗癌药物也对医院工作人员构成职业风险。通过头发样本和ICP-MS可以监测铂类药物的暴露情况。此外，测量头皮头发皮质醇水平可以追踪（周期性）库欣综合征患者的临床病程和治疗反应。

神经退行性疾病的见解

衰老是神经退行性疾病的主要风险因素。阿尔茨海默病（AD）以tau蛋白和淀粉样斑块堆积为标志。生物标志物发现通常依赖于血浆、唾液、尿液、脑脊液和死后脑组织，但这些受到昼夜节律、日常活动甚至睡眠模式的影响。然而，头发正在成为一种稳定的替代生物样本。

Tan等人使用LC-MS/MS分析了大鼠暴露于β-淀粉样蛋白（Aβ_1-42）后头发中的代谢变化。35天后，大鼠表现出认知缺陷，伴有40种代谢物改变。Chang等人在5xFAD小鼠模型的头发样本上应用基于高分辨质谱（HRMS）的代谢组学，识别出45种差异代谢物和三条被破坏的通路：花生四烯酸代谢、鞘脂代谢以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢。

有证据表明AD与脂质代谢异常有关，特别是胆固醇及其酯类。Son等人开发了一种基于GC-MS的头发分析技术，用于分析对照组、轻度认知障碍患者和AD患者中的16种内源性甾醇。他们的研究结果显示，认知障碍与代谢率增加相关，尤其是7β-羟基胆固醇水平升高。Su等人使用基于HRMS的非靶向代谢组学分析了AD患者和匹配对照的头发代谢物，识别出25种有区分度的代谢物。Chang等人进一步分析了AD患者和对照的头发样本，突出了包括N-十二烷酰-N-甲基甘氨酸在内的五种候选生物标志物。

金属如铜（Cu）、锌（Zn）和铁（Fe）对于酶功能、神经传递和衰老至关重要。然而，过度暴露会导致氧化应激，通过表观遗传机制破坏神经退行性基因，导致晚发性神经退行性疾病。Arain等人发现神经系统疾病患者头皮头发样本中的铝（Al）和锰（Mn）水平显著高于对照组。金属在AD和斑块形成中起关键作用。Juceviciuté等人发现帕金森病患者头发变白更早，皮脂分泌失调。在多发性硬化症中，患者与对照的头发样本比较显示铝（Al）、铷（Rb）和铀（U）水平存在显著差异。

结核病治疗监测

结核病（TB）是一种可预防和可治愈的疾病，但仍是全球单一传染源的第二大死因。标准的6个月治疗方案复杂，常常导致治疗中断和耐药性。治疗药物监测（TDM）对于优化药物敏感和耐药结核病的剂量被推荐。

使用血浆或血清药物水平监测结核病治疗依从性是金标准，但每日采样不切实际。头发样本等侵入性较小的样本因易于收集和储存而越来越受欢迎。虽然尿液、唾液和干血斑（DBS）提供特定时间点的药物浓度，但它们无法捕捉整个治疗期间的累积暴露。然而，头发样本可以更准确地反映长期药物暴露，即使是对于异烟肼（isoniazid）和利奈唑胺（linezolid）等半衰期短的药物。

Mave等人分析了12岁以下结核病儿童头发中的异烟肼浓度，使用LC-MS/MS评估依从性和暴露-反应关系。可检测的水平有助于评估治疗依从性和暴露-反应（药代动力学/药效学）关系。后来，这些作者发现，较高的异烟肼和乙酰异烟肼水平与更好的治疗结果和降低的结核病治疗失败率相关。Metcalfe等人开发了一种LC-MS/MS检测方法，用于测量头发中多种抗结核药物的浓度，旨在预测广泛耐药结核病（XDR-TB）的结果。

艾滋病治疗监测

超过2000万艾滋病病毒（HIV）感染者正在接受抗逆转录病毒治疗（ART）。ART能有效将病毒载量降低到检测不到的水平，预防传播并改善生活质量。提高服药依从性对于减少HIV传播和改善健康结果至关重要。

在HIV护理中，头发分析已成为评估长期ART依从性的可靠方法。替诺福韦（tenofovir）、恩曲他滨（emtricitabine）、依非韦伦（efavirenz）和洛匹那韦（lopinavir）等药物的浓度与病毒学抑制和临床结果显示出强相关性。与自我报告或药片计数相比，头发水平提供了更客观、累积的依从性数据。Spinelli等人提出了新方法，包括药理学测量、电子监测器和可摄入药丸。Bernard及其同事发现，头发中的茚地那韦（indinavir）水平与HIV抑制程度密切相关。Liu等人研究了健康、未感染HIV的成年人中剂量与头发替诺福韦浓度之间的关系，发现给药频率与头发替诺福韦水平之间存在强相关性。

病毒学失败通常表明ART依从性差。头发中抗逆转录病毒药物（ARV）浓度低表明依从性差，而高水平则需要进行病毒耐药性测试。早期测量头发ARV水平可以识别有治疗失败风险的患者。Gandhi等人证明，在大型临床试验中，头发ARV浓度 strongly 预测病毒学结果。Apornpong等人发现，头发中的蛋白酶抑制剂浓度与病毒学结果的相关性比自我报告的依从性更强，突出了头发作为识别有二线治疗失败风险者的工具。Baxi等人在一组接受奈韦拉平（nevirapine）治疗的HIV感染女性中发现，奈韦拉平头发水平 strongly 预测病毒学抑制。

评估心理健康和压力水平

慢性压力显著影响健康和心理健康。皮质醇是一种关键的应激激素，由下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴调节。虽然短期压力有助于平衡，但长期激活会破坏神经发生、突触可塑性和结构完整性，增加神经精神风险。

传统上，皮质醇在唾液、血液或尿液中测量，但头发皮质醇浓度（HCC）提供了长期评估，有助于研究库欣病、抑郁症和慢性疼痛等慢性疾病。研究表明HCC不受头发处理的影响，但倾向于随年龄和男性而增加。诸如COVID-19等大流行加剧了压力，破坏了HPA功能，增加了心理健康问题。

HCC分析已成为慢性压力的有价值生物标志物，将其与抑郁症、创伤后应激障碍（PTSD）和自杀风险联系起来。将HCC分析整合到临床实践中可能会增强心理健康诊断和治疗。研究表明，孕妇HCC升高与压力、焦虑、抑郁增加有关，并可能对母婴纽带和婴儿发育产生负面影响。Caparros-Gonzalez等人发现妊娠早期和晚期之间的HCC存在显著差异，表明其对产后抑郁症有预测作用。一项对29项研究的荟萃分析发现，母亲心理困扰与HCC在孕期的关联比产后更强。

HCC水平已被用于评估学生、教师、工作环境、战争暴露和创伤后应激（PTSD）等压力。在现实环境中，头发皮质醇和皮质酮（HPA轴累积活动的标志物）已被用于评估医护人员在COVID-19大流行期间的倦怠和恢复能力。

头发在法医调查中的作用

由于其保留药物的能力，头发样本在法医学中对于性侵犯案件、毒品犯罪和儿童绑架案很有价值。它还有助于物种鉴定、凶杀案、入室盗窃、肇事逃逸事故、种族确定和个人识别。

分子分析用于人类识别

间接证据，如指纹、DNA、头发和纤维，将嫌疑人与犯罪现场联系起来。脱落的无根头发使用显微镜和线粒体DNA测序进行分析。显微镜的假阳性率高，而线粒体DNA提供统计身份，但受母系遗传限制。尽管DNA是金标准，但在涉及同卵双胞胎的情况下会失败。RNA分析通过揭示疾病机制、死因以及作为诊断工具来辅助法医病理学。它有助于估计创伤年龄、死后间隔并通过细胞特异性mRNA表达识别体液，补充DNA分析。

质谱（MS）和生物信息学的最新进展使研究人员能够利用头发蛋白质组数据集中的含单氨基酸多态性肽来推断基因组中的非同义单核苷酸多态性等位基因。这种分析有助于评估某些等位基因的可能性并评估生物地理背景。Parker等人使用基于MS的鸟枪法蛋白质组学分析了66名欧裔美国人对象的头发轴蛋白质，从22个基因的32个位点推断了596个SNP等位基因，并通过Sanger测序验证了结果，表明头发蛋白质可以作为身份标记。Chu等人研究了来自头部、手臂和阴毛区域的单英寸头发样本，发现角蛋白标记不因部位而异。Adav等人在他们的概念验证研究中，使用蛋白质组学分析了不同种族（华人、印度人、马来人、菲律宾人）男性和女性的头发，发现了头发角蛋白和角蛋白关联蛋白的不同谱图，突出了蛋白质组学在法医学中区分个体种族、性别和年龄的潜力。

犯罪调查中的证据

药物辅助犯罪（DFCs）使用药物使受害者丧失能力以进行抢劫或性侵犯等犯罪。头发分析在DFC和药物辅助性侵犯（DFSA）调查中至关重要，因为它可以储存药物代谢物达数月之久，提供了长期记录。其无创收集和稳定性使头发成为法医案件中宝贵的工具，尤其是在难以及时收集证据的情况下。

DFSA案件主要影响女性。在性侵犯调查中，精液、唾液、血液、阴道液和头发等生物材料是关键证据。头发分析有两个关键优势：它能长期保留药物和代谢物，并且即使在单次剂量后也能检测到多种药物。催眠药如三唑仑、依替唑仑、氟硝西泮、硝西泮和唑吡坦在单次口服剂量后的处置情况已使用LC-MS/MS进行评估。

免疫测定曾用于药物筛选。最近，研究人员采用灵敏的质谱法定量头发中的药物。常见的DFSA药物包括乙醇、苯二氮卓类、巴比妥类、阿片类和γ-羟基丁酸（GHB），所有这些都可以在头发中检测到，即使是低剂量。分段头发分析提供了药物使用模式的见解，区分单次暴露和长期使用。微分段（0.4毫米段）等技术允许精确检测，例如确定确切的摄入日期。Wen等人的研究证明了这些方法在DFSA案件中的有效性，在暴露后很长时间仍能检测到药物。Almofti等人开发了一种环保的提取方法来定量23种DFSA药物，包括东莨菪碱，其在暴露后5周仍可在头发中检测到。

精神活性物质滥用

精神活性物质改变大脑功能，影响知觉、情绪、意识、认知和行为。近年来，新精神活性物质（NPS）激增，构成重大健康风险。到2022年，欧洲监测到超过930种NPS，包括合成大麻素、卡西酮类、阿片类和苯二氮卓类。NPS通常规避毒品法。它们从体液中迅速消除，使毒理学确认复杂化。然而，与尿液相比，头发分析为NPS提供了更长的检测窗口。使用LC-MS的研究揭示了NPS在高危人群中的流行程度。Musshoff等人开发了一种同时测定头发中11种阿片类和4种代谢物的方法。Giorgetti等人识别了132种合成大麻素、22种合成阿片类以及28种合成卡西酮类和兴奋剂物质。Barone等人开发了一种LC-MS方法，用于检测和定量头发中的127种NPS。类似地，Zhai等人使用UPLC-MS/MS鉴定了头发样本中的75种苯乙胺及其衍生物。

滥用药物

滥用药物是指因其精神活性而被误用的物质，可能导致成瘾和健康问题。虽然酒精是合法的，但其误用可能导致严重后果。在临床和法医环境中检测药物代谢物提供了可靠的使用证据。头发测试学会（SoHT）推荐使用代谢物分析和代谢物与母药比值等方法进行准确检测。头发中的酒精生物标志物，如乙基葡萄糖醛酸苷（EtG）和脂肪酸乙酯，可以表明慢性过量消费。SoHT建议，头皮头发近端0-3厘米段中EtG的临界值为30 pg/mg，表明慢性酒精滥用。脂肪酸乙酯（乙基肉豆蔻酸酯、棕榈酸酯、油酸酯和硬脂酸酯）应一起定量，其总和在相同头发段中的临界值为0.5 ng/mg，表明慢性过量饮酒。

在交通相关犯罪中，头发分析有助于检测酒精滥用，并通过分段分析评估药物使用史和治疗依从性。尽管未在全球范围内规范，但头发测试在某些州是允许的，并在欧洲用于刑事调查和监测慢性药物使用。使用GC-MS和LC-MS等技术进行头发分析，因其灵敏度和特异性而越来越多地用于药物检测。

头发分析在识别滥用药物方面很流行，例如3,4-亚甲二氧基甲基苯丙胺（MDMA）、可卡因和阿片类，并且在法律、刑事和工作场所环境中尤其相关。查获的MDMA药片通常含有各种成分，表明可能存在多药滥用。Kronstrand等人开发了一种快速的LC-MS/MS筛选方法，用于检测头发中的14种滥用药物。Gambelunghe等人分析了可卡因成瘾者的头发样本，根据可卡因、苯甲酰爱冈宁和相关化合物将可卡因使用分为轻度、中度和重度。Pan等人回顾了9,083个案例，发现苯丙胺是最常滥用的药物，其次是阿片类、氯胺酮和可卡因。Zhuo等人分析了头发中的12种滥用药物，揭示了苯丙胺是最常滥用的（142例），其次是阿片类、氯胺酮和可卡因。Chas等人发现可卡因是69名志愿者中最常用的药物，其次是MDMA。Mannocchi等人使用UHPLC-MS/MS检测头发和指甲中的87种NPS和32种经典非法药物。Musshoff等人分析了未经处理的白种人头发中的100多种药物，提供了一个有价值的参考数据库。分段头发分析在工作场所药物测试、驾照恢复、药物滥用史、药物相关死亡调查、药物辅助犯罪和治疗依从性方面也很有价值。

环境暴露监测

头发分析提供了接触外源性化合物（如药物、酒精、农药和有毒金属）的历史记录，即使在它们从血液、尿液或口腔液中消失之后。接触多种化学物质与健康风险有关，如AD、哮喘和癌症。虽然血液和尿液常用于暴露组学，但其化学成分受日常活动和昼夜节律的影响。相比之下，头发会随时间累积化学化合物，使其成为长期暴露监测的理想选择。研究已识别出头发中化学物质的代谢物，基于HRMS的筛选已在头发中检测到167种化学化合物，证明了其在环境暴露研究中的潜力。

使用头发生物样本的伦理考量

在临床和研究环境中使用头发生物样本提出了独特的伦理挑战，特别是在涉及儿童、孕妇、被监禁者或认知受损者等弱势群体时。分析法医或临床背景下的阴毛会引发与隐私、同意和尊严相关的特定伦理问题。由于采样部位的私密性，明确、知情同意至关重要。头发分析可以揭示敏感的纵向数据，例如物质使用或环境毒素暴露，这可能产生意想不到的法律、社会或心理后果。在这种情况下，必须仔细管理偶然发现的披露，以避免伤害、污名或歧视。必须严格执行隐私保护，数据使用应限于明确定义的目的。遗传和代谢数据在临床背景之外被重新利用的可能性增加了隐私风险。文化敏感性也至关重要，因为头发在某些社区可能具有象征意义。分析有效性必须通过严格的方案、污染控制以及考虑生物变异性和潜在外部污染的解释来维持。

除了伦理指南，SoHT强调标准化方案以确保头发分析的准确性和可靠性。关键建议包括收集近端头皮头发、保持发丝方向、在室温下干燥储存样本，以及记录头发特征和处理情况。分段分析能够进行回顾性暴露评估，而不鼓励使用体毛，因为其生长不一致。经验证的净化程序对于减少污染和保持分析物完整性至关重要。定量应依赖具有质谱特异性的色谱技术，免疫测定仅限于初步筛查并需要确认。质量保证必须包括内标和外部能力测试。解释应考虑生物变异性、美容史、环境暴露以及具体的法医或临床背景。

根据SoHT，乙醇不能直接在头发中测量；而是使用其代谢物EtG和乙基棕榈酸酯（EtPa）作为饮酒的生物标志物。EtG最好使用水溶液方法从头发粉末中提取，而EtPa需要先用非极性溶剂预洗。定量应使用经验证的LC-MS/MS方法进行。禁酒由EtG≤5 pg/mg和EtPa≤120-150 pg/mg表示；高于这些浓度表明反复饮酒。慢性过量消费定义为EtG≥30 pg/mg和EtPa≥350-450 pg/mg。类似地，SoHT为头发中滥用药物测试提供了指南。

挑战与局限性

在过去的十年中，头发分析在诊断学、治疗学和法医毒理学中变得有价值。虽然尿液和血液对于急性暴露是可靠的，但头发能捕捉长期物质暴露，提供更长时间的见解。然而，头发分析提出了一些方法学和解释上的挑战，限制了其在临床和法医环境中的一致性和可靠性。

头发轴容易受到外部污染，来自环境污染物、药物、烟雾和个人护理产品，这些物质可以吸附或渗入头发轴，混淆内源性和外源性物质的区分。净化程序，如顺序溶剂洗涤，是必要的但未标准化，可能无法完全去除污染物或剥离内源性化合物。头发生长速率、色素沉着和化妆品处理方面的个体间差异进一步使分析和解释复杂化。采样不一致——包括解剖收集部位、头发长度、方向和储存——增加了跨研究和实验室结果的变异性。此外，紫外线暴露会降解黑色素，影响分析物结合和扩散。在法医案件中，缺乏毛根排除了核DNA分析，需要依赖区分能力较差的线粒体DNA或基于蛋白质的方法，这些方法也缺乏标准化。

尽管作为非侵入性和纵向基质具有价值，但头发分析有几个固有的局限性，限制了其临床和诊断适用性。由于1-2周的掺入滞后，它对于检测近期或零星暴露效果较差。头发缺乏时间精度，使其更适合回顾性暴露分析而非实时监测。头发中的生物标志物浓度通常低于其他生物基质，需要使用高灵敏度且通常昂贵的分析技术，如LC-MS/MS，这些技术可能并非在所有环境中都可及。此外，头发生物样本产生的DNA或RNA量低且可变，限制了它们在基因组学和转录组学中的效用。在神经退行性疾病和其他系统性疾病中，头发可能主要反映外周变化，降低其诊断特异性。缺乏广泛接受的解释阈值、临床验证和监管标准进一步限制了其融入常规医疗或公共卫生实践。

知识差距和未来展望

尽管头发生物样本在精准医学和法医学中的应用日益增长，但几个关键的知识差距仍然存在。在生物学上，药物、毒素和生物标志物掺入头发的机制仍未完全了解，特别是在不同的头发类型、种族以及怀孕或疾病等生理条件下。区分真实的内暴露和外部污染仍然是一个关键挑战。此外，头发生长速率和代谢物沉积的变异性使时间分辨率复杂化，并限制了准确重建暴露时间线。

在分析上，该领域缺乏用于收集、处理和解释的标准化方案，导致跨实验室