代谢组学在子痫前期应用中的研究进展

胡雨轩，龚榕铨，曹恒山，马敏,2,3

子痫前期(preeclampsia，PE)是一种常见的妊娠代谢性疾病，以妊娠20周后出现高血压，伴或不伴蛋白尿的多系统器官功能紊乱综合征为特征，其发病率为3%～8%，每年全世界有50万例胎儿或新生儿和7万例孕产妇因其死亡，是导致孕产妇和围生儿死亡的主要原因之一[1-2]。目前，PE的发病机制尚未明确，胎盘浅着床、氧化应激、系统性炎症反应、血管内皮损伤、营养不良以及遗传因素等都与PE的发生有关，且传统手段尚无法准确地早期预测PE，致使临床干预还停留在症状出现后的被动处理，即适时终止妊娠[3-4]。为实现对PE的早期预测和诊断，需加快对其发病机制和生物标志物的研究。代谢组学是对生物受扰动后的代谢物变化进行系统性定性、定量分析的一门学科，在疾病早期诊断、病理阐释和药物开发等方面有着广泛的运用，对PE发病机制和生物标志物研究有重要意义，是近几年的研究热点之一。本文就代谢组学在PE应用中的研究进展进行综述。

1 代谢组学概述

Nicholson研究小组在1999年首次提出了代谢组学的概念，即关于生物体被扰动后其内源性代谢物质种类、数量及其变化规律的科学。代谢组学是在组群指标分析的基础上，通过高通量检测和数据处理，进行信息建模与系统整合的一门系统生物学，与基因组学、转录组学、蛋白质组学处于相同地位。受限于分析手段，其主要研究对象是相对分子质量1000以下的内源性小分子，可根据研究对象和目的不同分为代谢物靶标分析、代谢轮廓(谱)分析、代谢指纹分析、代谢组学(对样本所有代谢组分进行定性、定量的分析测定，真正意义的代谢组学研究)四个层次。研究步骤包括样品采集和预处理、数据采集和预处理、多变量数据分析、目标物识别以及研究结果的解释与应用等步骤。其中数据采集与分析由于没有可以满足所有需求的单一方法，所以通常需联合运用不同技术多角度采集、分析。

2 代谢组学在子痫前期研究中的应用

目前代谢组学在PE领域的研究尚处于早期阶段。研究所选的生物样本来源于母体的血浆、尿液、阴道分泌物、乳汁、羊水以及新生儿的脐带血、血浆、尿液、唾液、胎盘或其他体液，其中以母体的血浆与尿液、胎儿的胎盘与脐带血最为常见。相关研究成果主要集中在脂肪、蛋白质和碳水化合物三大代谢。研究[5-13]发现，PE患者或新生儿中上调的代谢物主要包括单酰基甘油酯、甘油磷酰胆碱(glycerophosphocholine，GPC)、尿素、肌酸、肌酐、同瓜氨酸、胍丙酸、肉碱、三甲基赖氨酸、丁基甜菜碱盐酸盐、丁酰肉碱、辛烯酰肉碱、5-氨基戊酸甜菜碱、n-甲基-2-吡啶酮-5-羧酸、4-乙酰氨基丁酸、吲哚甲酸、吲哚乳酸、甘氨胆酸、二十二碳五烯酸、磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol，PI)、3-磷酸甘油酸、黄嘌呤、谷氨酸、棕榈烯酸、溶磷脂酰乙醇胺、异麦芽糖、1-硬脂酰-sn-甘油-3-磷酰胆碱(LPC18:0) 、醋酸盐、牛磺酸、赖氨酸、苏氨酸、甘氨酸、维生素A、尿酸。在PE患者或新生儿中下调的代谢物主要有4-吡啶氧酸、胆固醇酯(cholesterylester，CE)、二酰甘油(diacylglycerol，DG)、磷脂酰乙醇胺、甜菜碱、脯氨酸、谷胱甘肽。这些生物标志物在PE发病、预测、诊断中有重要意义，参与多个代谢通路，主要包括脂质代谢(甘油磷酰胆碱、磷脂酰肌醇、溶磷脂酰乙醇胺、胆碱等)、氨基酸代谢(尿素、吲哚甲酸、苏氨酸、脯氨酸等)与核苷酸代谢(黄嘌呤)，部分标志物还与能量代谢有关(异麦芽糖)。

2.1 助力探索子痫前期发病机制 目前PE的发病机制尚不明确，既往研究认为，胎盘浅着床、氧化应激、系统性炎症反应、血管内皮损伤、营养不良以及遗传因素等都与PE的发生有关。近年来，基于代谢组学的对PE发病机制的研究发现，脂质代谢紊乱[5,7,14]、氨基酸代谢紊乱[5-6,15]、钙磷代谢紊乱[16]、氧化应激以及免疫失调[14,17]等因素与PE的发生有关，其中以脂质代谢紊乱与氨基酸代谢紊乱研究成果最为丰厚。

2.1.1 脂质代谢 研究发现，鞘磷脂(sphingomyelins，SM)、甘油磷脂、GPC、溶血磷脂胆碱等脂质代谢与PE发生相关。这些代谢物主要涉及甘油磷脂代谢、胆碱代谢、胆汁酸代谢等通路，反映了PE患者体内脂质代谢紊乱。脂质代谢紊乱可促进高血压的产生、增强免疫炎症与氧化应激反应等促进PE的发生。Kelly等[14]运用液相色谱-质谱(liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS)技术分析发现，PE患者体内甘油磷脂、花生四烯酸和甘油脂代谢以及脂肪酸生物合成等途径发生显著变化。花生四烯酸可通过调节平滑肌细胞功能和增殖、细胞膜流动性和细胞膜受体等参与血压的调节，其代谢异常有助于PE的发生。Jaaskelainen等[5]运用LC-MS技术分析发现，单酰甘油和GPC在PE患者体内增加。GPC在细胞膜的结构完整性中起着重要的作用，它的增加代表了一种防止细胞损伤的保护机制，提示PE中可能存在氧化应激。曹正等[7]运用超高效液相色谱-飞行时间质谱技术分析发现，PE患者体内甘氨胆酸、二十二碳五烯酸和PI水平明显升高，CE、DG水平明显降低。PE患者体内PI升高提示其胆碱代谢发生改变，而胆碱可抑制免疫炎症与氧化应激反应，提示PE中可能存在患者胆碱降低致使其免疫炎症与氧化应激反应的增强，间接导致PE的发生。

2.1.2 氨基酸代谢 近年来研究发现，乙酰腐胺、4-乙酰氨基丁酸、尿苷酸、吲哚甲酸、吲哚乳酸、尿素与肉碱等氨基酸及其相关代谢物与PE发生密切相关，其中以尿素和肉碱与PE关系最为密切。Jaaskelainen等[6]在2018年运用LC-MS技术分析了PE新生儿脐带血浆后发现，尿素、肌酸、肌酐、同瓜氨酸和胍丙酸水平高于非PE新生儿，提示PE患者体内尿素循环功能改变，可能反映了从母体和/或胎儿室中消除这些代谢物所需的机制紊乱。Jaaskelainen等[5]在2021年分析了PE患者的血浆后发现，PE患者的尿素水平亦有所升高，与Bahado-Singh等[15]的研究成果相一致，进一步验证了PE患者体内存在尿素循环紊乱。此外，Jaaskelainen等[6]还发现PE新生儿脐带血浆中肉碱、肉碱前体和酰基肉碱水平提高，提示肉碱生物合成和线粒体β-氧化过程在PE中发生改变。肉碱可以抑制氧化应激，防止脂质过氧化，线粒体功能失调则可能导致PE中的脂质代谢受损，两者失调都可促进PE的发生。以上研究表明，代谢组学对于探索PE的发病机制有着重要意义，在探索新机制的同时亦可对原有的假说或猜想进行佐证，完善原有的猜想，增添其可信度与说服力。

2.2 协助子痫前期诊断 由于传统的诊断方式易受多种因素的干扰，目前尚无单一的血液学指标或尿常规指标可以作为PE敏感且特异的诊断标志物。近年来代谢组学研究发现，PE患者的内源性代谢物在早期就已经发生了广泛的改变，其中有多种代谢物变化可用于诊断。诸多学者提出利用代谢轮廓判别模型、单一代谢物、多种代谢物联合或代谢物联合其他指标来诊断PE。就目前数据而言，代谢轮廓判别模型可有效区分PE孕妇与其他孕妇，单一代谢物能有效诊断PE，但效果往往不如多种代谢物联合或代谢物联合其他指标。联合诊断的灵敏度与特异性较高可发现、诊断不同类型的PE。目前所研究的代谢物主要参与于脂质代谢与氨基酸代谢途径，样本大都来源于母体血清。

Tan等[16]基于超高效液相色谱-质谱分析了正常妊娠、妊娠期糖尿病患者与PE患者的血清后，建立了代谢轮廓判别模型可有效区分妊娠期糖尿病患者、PE患者与正常妊娠妇女，具有一定的诊断价值。曹正等[7]采用超高效液相色谱-飞行时间质谱技术分析了PE患者与非PE患者的血清后发现，PE患者体内CE[22∶4(7Z，10Z，13Z，16Z)]、DG[18∶0/20∶1(11Z)/0∶0]、二十二碳五烯酸、PI[16∶1(9Z)/16∶0]及甘氨胆酸与非PE患者有显著差异，诊断PE的AUC分别为0.723、0.715、0.678、0.669和0.660，可用于临床诊断。樊娜娜等[9]利用LC-MS技术分析了轻度PE、重度PE与健康妊娠孕妇的血清后发现，血清甜菜碱、LPC18∶0水平与PE病情程度具有一定的相关性，血清甜菜碱、脯氨酸、LPC18∶0联合诊断重度PE患者AUC为0.907，灵敏度为85%，特异度为90%，对重度PE患者具有较高的诊断价值。Austdal等[10]利用高分辨率的魔角旋转核磁共振波谱分析了PE患者的胎盘后，筛选出了醋酸盐、牛磺酸、赖氨酸、苏氨酸、甘氨酸共五种代谢物，五者联合诊断可区分胎盘正常的PE和胎盘功能障碍的PE，提供了传统诊断方法无法识别的信息，使PE诊断更加严密细致。

以上实验表明，运用代谢组学分析患者的代谢物变化来诊断PE是可行的，且具有高灵敏度和高特异性，但由于这些研究大都还是小范围的前瞻性研究，尚不能运用于临床诊断，还需进一步扩大实验人群进行验证。同时目前提出的模型准确性仍有待提升，增加纳入模型的代谢物与其他相关指标数量，有助于提高模型的准确性。

2.3 预测子痫前期发生发展 目前临床上主要依赖于临床风险因素预测PE风险，准确率不高且多半不适用于首次怀孕的妇女[18]。近年来，有许多生物标志物被提出可运用于PE预测，这些生物标志物与胎盘灌注/血管阻力、内分泌功能障碍、肾脏功能障碍、内皮功能障碍和氧化应激等PE致病特征相关，但大都对PE的预测敏感性较差，阳性预测值较低。其中可溶性fms样酪氨酸激酶-1(soluble fms-like tyrosine kinase-1，sFlt-1)与胎盘生长因子(placental growth factor，PlGF)的比值的预测能力最强，能较为准确的预测晚期PE，但对于妊娠中期的临床应用仍存在疑问。近年来代谢组学研究发现，多种代谢物变化单用或联合可用于预测或辅助预测PE的发生，具有较高的灵敏度与特异性，且可针对各型PE制定预测模型，模型所选用的代谢物主要涉及于脂质代谢与氨基酸代谢。

Sovio等[19]运用LC-MS技术分析了PE患者的血清后发现，4-羟谷氨酸和c-糖基色氨酸可在第36孕周时独立预测PE，同时4-羟谷氨酸在第12、20、28孕周对早产PE也具有预测作用。其在第12孕周的预测能力超过了蛋白生物标志物妊娠相关蛋白A与PlGF，对早产PE有较高的预测价值。在36孕周与sFlt-1/PlGF比值联合预测还可进一步提升sFlt-1/PlGF比值的预测能力，使其AUC增加0.028。Lee等[8]利用气相色谱飞行时间质谱和液相色谱轨道离子阱质谱分析了PE患者与正常妇女的血浆后，以SM(C28∶1，C30∶1)，溶血磷脂酰胆碱(C19∶0),溶血磷脂酰乙醇胺(C20∶0)以及丙烷-1,3-二醇建立预测模型，该模型的预测能力超过了PlGF以及sFlt-1/PlGF比值，能准确预测PE的发生。Bahado-Singh等[15]运用代谢组学技术分析足月PE患者的血清后，以SM(C18∶1)、尿素、己糖和柠檬酸代谢物构建了足月PE预测模型，该模型敏感性为81.6%，特异性为71.0%，可有效预测最常见也最难预测的足月PE，展现了代谢组学预测PE的特异性与泛用性。该模型加入蛋白组组学提供的蛋白生物标记物睾丸表达序列15后模型敏感性提升至100%，特异性提升至98.4%，提示多组学联用有助于提升模型预测性能力。这些研究表明，运用代谢组学技术预测PE是可行且灵敏的，且可运用不同模型实现对不同类型PE的早期筛查，具有重要的临床意义。但这也只是基于代谢组学的PE预测方法，由于代谢组学技术的繁琐性以及PE的临床复杂性，尚没有一个模型或标志物被运用于临床，还需要进一步扩大实验人群进行验证，简化对代谢物的分析过程或开发相应的试剂盒。

3 小结与展望

代谢组学作为一种针对机体低分子代谢物研究的有效手段，在探索PE的发病机制、诊断PE和预测PE上已初见成果并且还有着广阔的研究前景，脂质代谢与氨基酸代谢途径是目前研究的热点。但代谢组学技术目前仍不完善，饮食习惯、生活方式、药物或肠道菌群的外源性化合物[12]、研究对象的体重、年龄、种族、孕周、胎次、肥胖、吸烟、疾病种类和严重程度、营养状况、不同的分析平台、统计分析算法差异、结果的生物学解释的偏差都可能影响最后得出的结论[20]。相关研究还停留在小范围的前瞻性研究，样本数量并不充足，研究成果可能存在偏差。同时部分研究成果还停留在表述联系，难以解释成果背后的生物学因素。并且受限于代谢组学技术的繁琐性以及PE的临床复杂性，目前尚无一项成果被批准运用于临床。

总之，目前PE的代谢组学研究还停留在早期阶段且仍有着广阔的研究空间，未来应进一步扩大实验样本。运用多种分析平台、增加检测代谢物种类与代谢途径数量或是以代谢组学为基础联合多种组学技术有助于进一步研究PE的代谢物变化，阐释PE的发病机制。以代谢组学为基础联合多种组学来制作新的PE预测和诊断模型或将成为PE的研究重点。