妊娠期高血压疾病的代谢组学研究进展

金铭 刘晓静 张子怡 李楠 叶荣伟

妊娠期高血压疾病(hypertensive disorders of pregnancy，HDP)是以妇女怀孕20周后首次出现高血压、蛋白尿等症状为主要临床表现的一组疾病，包括妊娠期高血压,子痫前期-子痫,妊娠合并慢性高血压,慢性高血压并发子痫前期等几种临床表型，其中妊娠期高血压(gestational hypertension，GH)和子痫前期(preeclampsia，PE)是最常见的亚型，越来越受到研究者的关注[1-2]。GH症状较轻，仅出现高血压不伴有蛋白尿；PE表现为高血压伴尿蛋白升高、母体器官功能受损及胎盘-胎儿受累[3]。国外研究报道全球HDP的发病率高达10%[4]，而在中国HDP的患病率约为7.6%，华北地区则高达10.6%[5]。HDP是流产、早产、小于胎龄儿和孕妇围产期死亡等不良妊娠结局的主要原因之一，也可影响子代近期和远期健康[6]。HDP在我国可造成的孕产妇死亡率约为4.2/10万，占孕产妇死亡总数的9.3%，是导致孕产妇死亡的第二大死因[5]。

目前HDP的病因及发病机制尚未明确，对其诊断依赖于临床表现及实验室指标，缺乏在孕早、中期进行可靠预测及早期诊断的方法，无法实现早期干预的目的[7]。利用代谢组学方法可对生物样本中的代谢产物进行系统检测，并将其与生物过程相关联，进而帮助深入了解疾病的发生机制，寻找出疾病的预测、诊断及预后的生物标志物[8]。有研究表明在HDP临床发作前已存在代谢产物水平的重要改变，并随疾病进展而持续变化[9]，这为代谢组学应用于探索HDP相关生物标志物，进行疾病预测、早期诊断、分型及机制探索提供了可能。因此，本文对HDP的代谢组学研究进展予以综述，讨论利用代谢组学方法对HDP进行预测、早期诊断及机制探索的研究现况，以便更好的了解代谢组学在HDP诊疗中的应用潜能。

一、HDP概述

HDP的病因及发病机制复杂，涉及炎症反应、内皮功能障碍和氧化应激等多种病理改变[7]，其中免疫机制在HDP的发生发展中起到至关重要的作用，主要涉及CD4+T细胞群的失衡，以及其他免疫细胞(包括巨噬细胞、树突状细胞、CD8+T细胞、B细胞和NK细胞)的过度激活或损伤[10]。高水平的胆固醇、尿酸盐和葡萄糖会激活NLRP3炎症小体，诱导产生IL-1β、IL-18和消皮素D等促炎因子，引发局部和全身性炎症反应，进而导致交感神经兴奋、肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活、蛋白尿、溶血、肝损伤、免疫血栓形成和凝血病等，与HDP的病理改变密切相关[11]。PE是HDP中危害较严重的一类亚型，是国内外相关机制研究的热点。目前普遍认为PE发病可归纳为两个阶段：胎盘形成不良阶段和胎盘氧化应激阶段。PE患者在胎盘形成早期滋养细胞侵袭子宫内膜不完全，子宫螺旋小动脉异常重塑，导致胎盘缺血和缺氧，进而释放一系列促炎因子，进入母体血循环后造成血管内皮细胞受损，引起后续心血管症状的发生[7]。研究者通常按照发病时间对PE进行分型，于妊娠 34 周前诊断为早发型(early-onset preeclampsia，EO-PE)，于妊娠34 周后诊断为晚发型(late-onset preeclampsia，LO-PE)。这两种不同发病时间亚型的病因和临床表现不同，EO-PE往往是由上述胎盘形成不良和氧化应激引起的，发生率相对于LO-PE更高，且往往导致更严重的胎儿生长受限。LO-PE则与发病前存在的母体血管疾病和其他合并症关系更密切[12]。此外还发现DNA甲基化[13]、营养因素等都与HDP的发生密切相关，但目前对HDP的病因及发病机制仍未完全明确，需要结合更多的现代技术手段进行探索。

二、代谢组学

代谢组学是系统生物学领域的新兴方法，它利用核磁共振波谱(NMR)、液相色谱质谱联用(LC-MS)、超高效液相色谱与质谱联用(UPLC-MS)、气相色谱质谱联用(GC-MS)等多种现代分析技术，对生物体体液、组织或其他生物样本中广泛的小分子代谢产物进行检测、识别、定量和分类，并借助生物信息学将代谢产物与生物过程关联起来，进而识别和解析多种生理及病理代谢过程的结果。代谢组学研究可用于寻找各种疾病的预测、诊断及预后的生物标志物，还可检测到各种生物途径的变化，帮助深入了解各种病理生理发生过程[8]。具体来讲，代谢组学方法分为非靶向代谢组学和靶向代谢组学。非靶向代谢组学方法多用于定性分析，无偏向性地对内源性代谢产物进行系统全面的检测，筛选潜在的生物标志物，覆盖范围广。缺点是只能获得待测样本中代谢产物的相对含量，且费用较高，目前的主流研究多在美国、英国等发达国家开展。靶向代谢组学方法一般针对某一类特定的目标代谢产物，覆盖范围较局限，需要更高的检测灵敏度，并基于代谢物标准品进行绝对定量，有助于深入探索疾病的具体发生机制[14]。

三、HDP代谢组学研究进展

1.研究基本情况：本文共系统回顾了22篇有关HDP代谢组学研究的文献，发表在2008—2021年间。其中11项研究采用非靶向代谢组学方法筛选潜在的生物标志物或进行代谢通路分析，另11项研究则采用靶向方法针对特定代谢产物进行定量分析。20项研究的病例组为PE，或按EO-PE和LO-PE分层。14项研究分析孕早、中期诊断前的代谢产物，8项研究则比较确诊后的代谢产物特征。血清是最常使用的生物样本(n=12)，其次是血浆(n=5)、胎盘组织(n=2)，2项研究使用了尿液及血清。14项研究使用质谱法分析代谢产物，7项使用核磁共振技术，1项研究使用ELISA技术。

2.非靶向代谢组学：目前应用非靶向代谢组学方法已在血清、尿液、胎盘等多种生物样本中发现，HDP病例和健康孕妇的代谢物谱存在广泛差异，并已检测出了包含线粒体功能障碍、脂质代谢紊乱等多种与HDP相关的代谢改变。其中3项研究开展于亚洲国家。Chen等在中国开展的一项病例对照研究中共检测出49种代谢产物在PE病例和对照组孕妇血清中存在差异，主要包括酰基肉碱类、溶血磷脂酰胆碱类和磷脂类等，其中PC(14:0/00)、脯氨酸甜菜碱和L-脯氨酸可作为PE诊断及预后的潜在生物标志物。代谢通路分析结果显示PE发病可能与甘氨酸降解及肌酸生物合成、iNOS信号传导、骨骼肌细胞中的nNOS信号传导、线粒体功能障碍、心血管系统中的一氧化氮信号传导和瓜氨酸-一氧化氮循环等代谢途径相关[15]。另一项在中国开展的研究则对比了严重先兆子痫病例与对照组的胎盘线粒体代谢物谱，发现包含11种氨基酸、13种不饱和脂肪酸以及10种饱和脂肪酸等的40种代谢产物在两组间存在差异。严重先兆子痫病例胎盘线粒体中脂肪酸水平较高，脂肪酸分解代谢减少，提示可能存在包含脂质代谢紊乱在内的多种线粒体代谢功能障碍[16]。与上述研究结果不同的是，Kyozuka等在日本进行的病例对照研究并未发现GH病例与对照组孕早期血清带电代谢物谱的显著差异，仅发现GH病例血清中N-二甲基甘氨酸和S-甲基半胱氨酸偏高，而粘酸显著低于对照组[17]。

此外，在欧美等发达国家开展的研究中也检测到多种代谢产物差异。Sovio等在1193种非靶向检测的代谢产物中，筛选出了100种代谢产物在足月产PE病例与对照组妇女孕20或28周血清中存在显著差异，并提出孕36周血清4-羟基谷氨酸和C-糖基色氨酸可作为足月产PE的独立预测指标[18]。Austdal等在挪威开展了一系列研究探索HDP病例的尿液及血清代谢物谱特征，他们在早期的病例对照研究中发现PE病例和健康孕妇之间共有15种尿代谢产物浓度显著不一致；血清谱显示PE病例低密度和极低密度脂蛋白水平较高，而高密度脂蛋白水平较低[19]。在后续的队列研究中他们进一步发现尿液中马尿酸盐减少、尿肌酐升高和血脂水平升高是孕早期HDP病例组改变最显著的3种代谢产物[20]。Sander等在英国开展的病例对照研究中检测出了35种孕晚期血浆代谢产物在PE病例及对照组间显著不一致，重要的差异代谢产物包括羟基六十二烷酸、二酰基甘油、甘油磷酸肌醇、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸代谢物、胆汁酸和氨基酸代谢物[21]。Kenny等首先在奥克兰开展巢式病例对照研究，检测出了45种代谢产物在PE病例与对照组血浆中存在差异，包括氨基酸、碳水化合物、肉碱、类二十烷酸、脂肪酸、酮或羟基酸、脂质、磷脂、卟啉、磷脂酰丝氨酸和类固醇等；后续在阿德莱德利用不同的样本开展病例对照研究进行验证，其中34种代谢产物与在奥克兰的研究出现一致的结果[22]。Ferranti等在美国非洲裔女性群体中开展病例对照研究，发现PE病例卟啉代谢、类固醇激素生物合成、视黄醇代谢和花生四烯酸代谢4条途径发生显著改变；GH病例有5条代谢途径改变，包括氨基酸代谢、分解代谢及果糖代谢通路[9]。Harville等在美国进行的病例对照研究发现氨酰-tRNA生物合成、L-苏氨酸代谢、肾脏分泌有机电解质、胆固醇转运和代谢等途径与HDP相关[23]。

3.靶向代谢组学：目前已利用队列研究、病例对照研究及巢式病例对照研究等多种流行病学研究设计类型，通过靶向代谢组学方法在血清和胎盘等生物样本中发现肉碱、氨基酸、甘油等多种代谢产物与HDP发病相关(表1)。Kenny等基于既往研究[24]的结果，靶向比较了PE病例与对照组孕中期血浆的45种代谢产物，发现病例组丙氨酸、尿酸、2-羟基-3-甲基丁酸、2-氧戊二酸、谷氨酸、木糖醇及肌酐水平偏高[25]；他们在后续的队列研究中进一步比较了47种根据潜在发病机制确定的代谢产物，发现PE病例血浆中血管生成素、C-反应蛋白、胱抑素C、弹性蛋白酶抑制剂、细胞间黏附分子-1、白细胞介素-1受体拮抗剂、瘦素和金属蛋白酶组织抑制因子-1较正常孕妇水平偏高；脑钠肽、瘦素受体和胎盘生长因子水平偏低[26]。这是目前靶向代谢组学研究中唯一一项采用了队列设计的研究。队列研究因果时序明确，偏倚较少，检验假设能力较强，但花费较高。与之相比，病例对照研究需追溯既往暴露史，偏倚较多，因果联系的论证强度较低，但省时、省力，在目前的靶向代谢组学研究中应用较为广泛。

表1 已有的HDP靶向代谢组学人群研究

续表1

Liu等在中国开展的病例对照研究中靶向比较了PE病例与对照组血浆的花生四烯酸、omega-3多不饱和脂肪酸的类二十烷酸代谢物，发现PE病例花生四烯酸代谢产物、部分EPA及DHA脂肪氧化酶代谢产物水平增加，EPA及DHA细胞色素P450酶代谢产物水平降低；白三烯B4、14,15-二羟基二十碳四烯酸酯、16-羟基二十二碳六烯酸和8,9-环氧二十碳四烯酸与PE发病相关[27]。Austdal等在挪威开展的病例对照研究中共检测了25种代谢产物，发现PE病例与对照组的胎盘组织中谷氨酰胺、谷氨酸盐、牛磺酸、缬氨酸、3-羟基丁酸盐和抗坏血酸盐含量存在显著差异[28]。Bahado-Singh等在英国开展了一系列病例对照研究，比较不同亚型PE的代谢组学特征：他们首先在2012年的研究中检测了30例EO-PE病例与60例对照孕早期血清中的42种代谢产物，其中醋酸盐、丙氨酸、胆碱、甲酸盐、葡萄糖、谷氨酰胺和甘油等20种代谢产物存在显著差异；柠檬酸盐、甘油、羟基异戊酸盐和甲硫醇对EO-PE发病具有较好预测价值[29]。2015年同一团队对上述研究进一步补充了20例EO-PE病例与48例对照，共检测38种血清代谢产物后发现甘油、3-羟基异戊酸酯、2-羟基丁酸酯、丙酮、醋酸盐、琥珀酸和柠檬酸盐可用于建立EO-PE预测模型[30]。针对LO-PE亚型，他们在2013年的研究中共检测了30例病例与59例对照孕早期血清中的40种代谢产物，发现病例组甘油等14种代谢产物水平偏高，三甲胺、乙酰胺和二甲胺水平偏低；甘油、肉碱、甲基组氨酸和丙酮是区分LO-PE与正常妊娠的重要代谢产物[31]。研究者2017年在2013年研究的基础上进一步增加29例LO-PE病例与56例对照后，在38种代谢产物中发现肉碱等15种存在显著差异，LO-PE病例存在支链氨基酸及丙酸代谢途径异常[32]。

巢式病例对照研究是在队列的基础上进行的病例对照研究设计，较队列研究更经济，同时因果推断能力较传统病例对照研究强。基于一项在荷兰开展的大型孕早期筛查队列，Kuc等通过巢式病例对照研究靶向比较EO-PE病例、LO-PE病例及对照组妇女孕早期血清类二十烷酸/氧化脂质及生物胺类代谢产物差异，EO-PE病例牛磺酸、天冬酰胺，以及LO-PE病例甘氨酰甘氨酸水平明显低于对照组[33]。Koster等基于同一队列开展的巢式病例对照研究则靶向比较了孕早期血清中的24种酰基肉碱，他们发现异丁酰肉碱等12种在EO-PE病例与对照组间存在差异，辛烯酰肉碱等11种在LO-PE病例与对照组间存在差异，其中9种酰基肉碱类代谢产物是两种不同发病时间PE共有的差异代谢物[34]。Odibo等在美国开展巢式病例对照研究，靶向比较了孕早期血清中的40种酰肌肉碱及32种氨基酸，指出PE病例组羟基己酰基肉碱、丙氨酸、苯丙氨酸及谷氨酸水平较对照组偏高[35]。

四、讨论

HDP是常见且对母婴生命健康危害严重的妊娠期并发症之一，早发现并进行有效干预能够减轻对母婴的健康危害，但目前尚缺乏对其进行预测及早期诊断的有效手段，且病因尚未阐明。代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学后迅速发展起来的新兴学科，在阐述病因方面具有显著的优势。该组学最贴近于表型，是基因组、转录组、蛋白质组和表型组之间的桥梁，它的检测较基因组及蛋白质组更简单，不具有物种特异性，无需针对专门的物种建立大规模数据库[36]。代谢物是基因表达的下游产物，基因和蛋白质层面的微小变化可在代谢物水平得以放大，因此代谢组学方法在疾病研究方面越来越受到关注。研究者可通过对血液、尿液等易于获取的生物样本进行代谢组学分析，找出潜在的生物标志物建立疾病的预测及早期诊断模型，有望实现HDP的预防、早期诊断及早期干预治疗，同时实现对疾病病因及发病机制的深入探索，具有较高的临床应用价值，能够较大程度地降低疾病危害，减轻疾病负担。

妇女在妊娠期经历复杂的生理变化，可能会导致血栓形成、免疫抑制、血容量过多及血脂异常等状态。有研究表明代谢组在整个妊娠期间都会发生变化，并在健康妊娠妇女的血清、血浆、尿液和羊水中确定了多种与非妊娠妇女存在显著差异的代谢产物，包括肉碱、肌酐、丙酮酸、葡萄糖、氨基酸、胆碱及乳酸等上述“HDP标志物”[19,37]。另一方面，HDP相关代谢产物与许多其他疾病的相关代谢产物存在重叠。在与妊娠无关的高血压疾病中检测到肉碱、3-羟基异戊酸、马尿酸盐和甘氨酸等代谢产物的差异[38]。肥胖是HDP的危险因素，同时马尿酸盐、甘油三酯、磷脂、脂肪酸等也被视为肥胖相关代谢产物[39]。HDP与哮喘研究中检测出的代谢产物间也有许多相似之处，例如醋酸盐、腺苷、丙氨酸、马尿酸盐、琥珀酸盐、苏氨酸和反式乌头酸盐[40]。上述重合的代谢产物可能与机体氧化应激、炎症反应、免疫失调及脂质代谢障碍等途径相关，提示不同疾病间可能存在共同的病理机制。因此，在应用代谢组学方法识别HDP生物标志物及探索疾病机制时，有必要确定观察到的代谢组变化是否为HDP所特有。

HDP代谢组学相关研究间的发现较为一致。脂质和肉碱是最常被报告的代谢产物，在HDP病例的各种生物样本中均检测到脂质代谢紊乱的代谢组学特征。并且正常妊娠妇女相比非妊娠妇女发生改变的代谢产物不包含脂质，提示其可能是HDP预测的敏感生物指标。EO-PE病例和LO-PE病例的代谢组间存在显著差异，且EO-PE对胎儿、新生儿及母体的不良影响较LO-PE更大，提示不同亚型PE的病生理机制不完全相同，这增加了HDP疾病的临床复杂性，为代谢组学研究的临床应用带来挑战[41]。各项代谢组学研究结果表明，HDP的发病与部分基因组学、蛋白质组学的研究结果一致[42-43]，因此通过将代谢组学与其他组学相结合有助于系统深入地阐述HDP的发生和发展。

五、结论与展望

代谢组学是深入研究HDP的有效工具。利用代谢组学方法已检测出多种HDP生物标志物，有助于建立疾病的预测及早期诊断模型，改善疾病的一级和二级预防现状，同时帮助理解疾病发生的复杂机制。但迄今为止尚未实现HDP代谢组学研究的临床应用，未来还需要明确HDP的亚型鉴别，选择理想的生物样本，控制潜在的混杂因素，实现检测技术的进步等。因此，研究者未来应该在具有不同表型的人群中进行更大规模的研究，囊括多种生物样本，涵盖广泛而详细的代谢组测定，并结合多组学技术，更全面、深刻地理解疾病的发生发展机制，建立有效且稳定的疾病预测模型，进而控制疾病风险，降低疾病危害，减轻疾病负担。