基于核磁共振的代谢组学在多囊卵巢综合征中的研究现状

殷露，穆杨，杨菁

(武汉大学人民医院，武汉 430060)

多囊卵巢综合征(PCOS)是一种常见的内分泌疾病，具有复杂的代谢异常，育龄妇女的PCOS患病率约为5%～10%[1]。其发病机制复杂，病因至今尚未阐明，主要以月经不规律、多囊卵巢、高雄激素症、胰岛素抵抗和肥胖为主要临床表现。大多数PCOS患者伴有超重或肥胖，并以腹型肥胖为主。PCOS妇女中约有50%～70%存在胰岛素抵抗(IR)及代偿性的高胰岛素血症[2]，IR也是PCOS的主要病理生理过程。PCOS妇女腹型肥胖、IR、雄激素过多三者之间形成恶性循环，加重PCOS的代谢紊乱。因此，PCOS是伴随多种代谢紊乱的复杂综合征，这种综合征可能还会增加2型糖尿病、高血压、血脂紊乱、心血管疾病和恶性肿瘤(如乳腺癌和子宫内膜癌)等疾病的发生风险[3]。然而，PCOS的诊断未有统一标准，目前较多采用修订版的2003年鹿特丹标准[4]。因PCOS的临床表现存在异质性，并缺乏特异性诊断标志物，因此，PCOS的早期预防、诊断以及有效的治疗对于改善PCOS患者的临床预后尤为重要。

近年来，新型诊断技术代谢组学通过考察生物体系受刺激或扰动后其代谢产物的变化，来研究生物体系的代谢途径。在所有生物体内，代谢物及其改变包含着基因表达和蛋白功能改变等丰富的生物学信息[5]。先进的分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算机分析方法是代谢组学研究的基本方法。检测方法包括核磁共振光谱技术(NMR)、高效液相色谱(HPLC)、质谱技术(MS)、气相色谱(GC)和高效毛细管电泳等技术，其中NMR的应用尤为广泛[6]。本文通过总结概括NMR在PCOS的中应用，为PCOS的诊断和治疗提供新的技术支撑和研究思路。

一、NMR概述

NMR技术主要是基于某些原子核的磁性特性，活性核通过磁场的快速变化，使核自旋位于磁场外磁场中，然后记录由于出现弛豫而产生的电磁辐射。当使用某一特定频率的电磁波时，只有具有共振频率的原子核才能吸收它[7]。该技术主要是通过分析样本中每个分子其原子核自旋方向上的旋转方向信号，结合现有的数据库，将标本中每一个单独的信号与光谱中某个特定的化合物一一对应，从而明确其成分[8]。NMR技术因其样品处理流程简单，并且不会破坏样品的结构和性质以及低成本而受到青睐。在使用NMR对物质成分进行量化时，因其核磁共振光谱中的谱峰与样品中各化合物的原子是一一对应的，所测样品在图谱中信号的相对强弱反映样品中各组分的相对含量，对所有化合物没有偏向性，量化时也无需特定的内部标准，因此应用更加广泛[9-10]。

基于NMR的代谢组学已经应用于许多疾病的病理生理研究、疾病诊断、探讨发病机制、药物筛选和安全性评价、治疗效果的检测等，在重大疾病的早期诊断、个性化治疗、中医药现代化等科学领域中都有着极其广泛和重要的应用前景[11-14]。近期许多研究已经使用了不同的代谢组学平台，从PCOS患者的体液和其他组织中收集数据，从而可以非靶向地发现新的代谢相关分子，进一步明确PCOS代谢紊乱的具体机制。

二、PCOS患者不同标本的NMR检测

许多研究基于NMR的代谢组学来分析PCOS患者的血液及尿液标本，结果表明PCOS患者体液中代谢物显示不同的表达失调，包括碳水化合物代谢、脂质代谢、氨基酸代谢、蛋白质代谢等多种代谢途径均参与到PCOS代谢紊乱的发生过程中，并且受PCOS表型影响明显。

(一)血液

1.碳水化合物代谢：RoyChoudhury等[15]研究发现PCOS患者乳酸水平升高，而葡萄糖浓度降低。PCOS患者存在严重的碳水化合物代谢紊乱，表现为糖酵解途径的增强和三羧酸循环(TAC)途径的抑制。尚有其它研究报道，与PCOS非肥胖患者相比，肥胖患者胰岛素敏感性降低，提示肥胖可能会进一步加重PCOS患者的胰岛素抵抗[16]。

2.脂质代谢：Sun等[17]利用非靶向NMR的代谢组学方法发现了PCOS患者低密度脂蛋白(LDL)水平的升高及高密度脂蛋白(HDL)、磷脂酰胆碱水平的降低。以上脂质代谢的改变可能增加PCOS患者的心血管疾病(CVD)患病风险[18]。此外，Couto等[19]研究发现PCOS患者载脂蛋白A1(ApoA1)及白蛋白的含量显著降低，同时存在脂质代谢紊乱。也有学者发现，PCOS患者的血清睾酮水平与脂质代谢之间存在一定的相关性。当腰围(WC)>98 cm时，睾酮水平与PCOS患者中极低密度脂蛋白(VLDL)和血清脂质水平呈显著正相关。调整WC后，较高的睾酮水平与胰岛素水平和IR无明显的相关性。PCOS患者腹型肥胖、睾酮升高和血脂异常三者之间存在着明显的相互作用，并且腹型肥胖、IR、雄激素过多形成恶性循环，进一步加重PCOS的血脂异常和其他代谢异常，这些都可能对PCOS患者长期健康产生负面影响。

3.氨基酸代谢：Atiomo等[20]研究发现与对照组相比，PCOS患者氨基酸(精氨酸、赖氨酸、脯氨酸、谷氨酸和组氨酸)水平显著降低。并有文献报道低水平氨基酸与2型糖尿病相关[21]，侧面提示了PCOS患者发生糖尿病的风险要高于正常人群。Sun等[17]发现具有肥胖、代谢综合征或雄激素升高的PCOS患者亚组比没有这些因素的相应亚组显示更大的代谢偏差，进而提示以上因素会进一步加重PCOS的氨基酸代谢紊乱。在评估肥胖和胰岛素抵抗对PCOS代谢异常的潜在干扰时，Zhao等[22]发现伴有肥胖和胰岛素抵抗的PCOS患者与非肥胖且胰岛素敏感性正常的PCOS患者相比，丝氨酸与苏氨酸水平显著降低；与之相反，在PCOS组中非肥胖且胰岛素敏感性正常患者与正常对照组相比，丝氨酸与苏氨酸水平明显升高，表明PCOS及其两个常见特征对丝氨酸和苏氨酸代谢的存在反向调节作用。PCOS患者支链氨基酸(BACC)与芳香族氨基酸(AAA)浓度增加，并且在无排卵性PCOS患者中观察到较高水平的丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、鸟氨酸和酪氨酸，而在正常排卵的PCOS患者的血浆丝氨酸和苏氨酸水平降低。这些氨基酸代谢途径异常可能是导致PCOS排卵功能障碍的重要原因，并且与PCOS的发展直接相关。改变上述排卵障碍患者的氨基酸代谢异常，可能对有生育要求的PCOS患者有一定的治疗价值。

4.其它：血液中其它代谢产物如N-乙酰糖蛋白水平的升高可能与PCOS患者低度慢性炎症相关。Bauls等[23]发现代谢综合征加剧了PCOS患者体内的炎症反应。并且机体长期慢性炎症状态可以激活氧化应激与内质网应激，增强白细胞-内皮相互作用，从而增加CVD的发生风险。PCOS患者慢性炎症反应发病机制复杂，可能与机体代谢紊乱及细胞氧化应激密切相关，然而具体分子机制尚需要更多的研究去探索。

(二)其他体液及组织

采用血液标本来分析PCOS代谢的研究较多，但为了更好了解PCOS的发病机制与病因，还需要从不同的组织标本及其它体液中综合分析PCOS的代谢改变。

1.卵泡液：卵泡液为卵母细胞的生长提供了特殊的局部微环境，其代谢物对卵母细胞发育至关重要。并且卵泡液可以提供关于卵泡生长的局部生化信息。曾有研究报道卵泡液代谢产物水平改变与胚胎的发育能力和卵母细胞的质量密切相关[24]。然而，基于NMR的代谢组学在PCOS患者卵泡液方面研究甚少。Zhang等[1]研究发现PCOS患者卵泡液中丙酮酸、乳酸、丙氨酸及谷氨酰胺均显著降低，而乙酰乙酸和3-羟基丁酸水平增高。表明因PCOS患者丙酮酸代谢和糖酵解受损，使脂肪酸氧化及氨基酸分解替代能量通路增强。并且发现乙酰乙酸和3-羟基丁酸与PCOS患者的2PN受精率也呈正相关，谷氨酰胺与胚胎高质量率呈正相关。这可能表明，在能源不足的情况下，能量替代对于胚胎发育至关重要。而甘油与脂质水平明显增加、HDL降低，可能与PCOS患者脂肪酶表达受损和胰岛素抵抗引起的脂肪分解改变相关。在所有的卵泡液样本中，优胚率与几种氨基酸(包括肌酸、亮氨酸、异亮氨酸和酪氨酸)呈显著负相关性。

2.尿液：Whigham等[25]利用呼吸碳稳定同位素及总尿氮(N)排泄，发现PCOS妇女脂肪氧化减少、氨基酸代谢增加的趋势，并且其血清的NMR结果表明患者存在糖酵解增加以及氨基酸调节的代谢损伤。Wang等[26]采用超高效液相色谱-质谱联用技术，检测PCOS患者和对照组患者尿液代谢组学特征，发现PCOS患者中存在59种不同浓度代谢物，进一步分析后认为睾酮葡糖苷和11α-羟孕酮以及几个候选的尿液标志物(吡草酮、甲硫氨酰基-苯丙氨酸、2-甘油)可能是PCOS患者的尿液标志物。因PCOS患者的尿液标本NMR代谢组学研究较少，尚需要我们进行更多的研究，从而发现更有效的依据来探索PCOS的发病机制以及可能的标志性代谢物。

3.组织器官：组织器官代谢组学的研究从其局部的代谢异常，来解释疾病发生的机制。但基于组织样本在提取过程中常采用有创伤性技术，且往往难以获得，致使样本量偏小，故研究尚少。已有文献利用蛋白质组学方法检测PCOS卵巢组织中的蛋白表达差异[27]，来探索疾病的发生发展过程。Selen等[28]利用产前糖皮质激素(GC)诱导的PCOS小鼠模型，检测小鼠血浆和肾脏中的代谢变化。结果表明在肾脏代谢分析中，TAC代谢途径产物(柠檬酸盐、富马酸盐、琥珀酸盐)和戊糖磷酸(PP)途径产物(次黄嘌呤核苷和尿嘧啶)显著改变。血浆和肾脏中代谢底物与氨基酸代谢的改变，增加了细胞质PP水平，从而增加线粒体活性，影响PCOS的发生与发展，并且可以作为早期预测的PCOS患者发生氧化应激代谢紊乱的生物标志物。PCOS代谢相关的器官如胰腺、卵巢等均会影响疾病的发生发展，其代谢物可能改变体内代谢途径，提供了一种新的方法来研究PCOS的发病机制。

三、NMR在PCOS治疗中的应用

基于NMR的代谢组学不仅可以应用于PCOS的发病机制及代谢标志物的探索，还可以用于评估药物治疗后的效果。

Vinaixa等[29]检测了接受低剂量氟他胺、二甲双胍和吡格列酮联合治疗的PCOS患者在1个月疗程后的血清中代谢物水平，发现药物治疗降低了血清中氧化的LDL颗粒的水平，并升高HDL胆固醇水平、降低雄激素水平和颈动脉内膜中层厚度。药物治疗后重塑脂肪分布，从而减轻了低度炎症，促进良好的脂肪细胞因子谱的形成，潜在地改善动脉粥样硬化状况。尚有研究报道，在PCOS小鼠模型中给予3-碘代氨甲蝶呤治疗，增加代谢过程关键代谢物(葡萄糖、氨基酸、肉碱和柠檬酸盐)水平，从而增强对氧化应激损伤的保护[30]。药物治疗PCOS后代谢组学分析，从病理生理学角度开辟了新的途径设计药物用于PCOS的靶向治疗，进而提高患者的生活质量。

综上所述，我们总结了近年来利用NMR技术检测PCOS代谢紊乱的研究，从不同体液或组织、不同代谢途径综合介绍了PCOS患者的代谢异常。结果提示，PCOS患者存在碳水化合物、氨基酸、脂质等多种途径的代谢异常，并且在不同的体液和组织中均有所体现，进一步证明PCOS的代谢异常并非卵巢局部，而是一种全身性的代谢紊乱。而这种全身性的代谢紊乱会增加PCOS患者多种疾病的远期发病风险。因此，进一步深入揭示PCOS代谢紊乱的具体机制，以期得出明确的结论对于改善PCOS的临床预后意义重大。同时，PCOS患者代谢紊乱受其表型影响明显。近年来，尽管PCOS患者的代谢紊乱已得到广泛重视与关注，基于PCOS临床表现多种多样，PCOS的代谢组学研究也是错综复杂，尚未发现公认的生物学标志物用于PCOS的早期预防、诊断和评估治疗效果。而NMR作为一种简单有效的检测方式，仍然值得在此领域展开更加广泛的应用。

尽管如此，前人的研究仍然给予我们许多提示，总结如下：首先，PCOS的临床表现复杂，因此纳入研究的对象应是相同表型的PCOS患者和与之严格匹配的正常女性，并且可以收集不同类型标本对PCOS的代谢异常进行综合分析；其次，基于人体标本的干扰因素较多，可能无法得出一致的结论，许多现象也由于纳入人群个体特征的差异而被掩盖，或许可以考虑以动物模型作为切入点进行研究，此后再通过人体标本进行验证；最后，小样本实验说服力差，若要得到有较强说服力的结论，尚需要大规模、多中心的前瞻性随机对照实验进行验证。

【参 考 文 献】

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