基于代谢组学的子痫前期的研究进展

王晓旭，刘洁颖，宋英娜*

(中国医学科学院 北京协和医学院 疑难重症及罕见病国家重点实验室 1.北京协和医院产科中心，国家妇产疾病临床医学研究中心；2.北京协和医院医学科学研究中心，北京 100730)

子痫前期(preeclampsia，PE)是一种多系统的妊娠期并发症，表现为妊娠后新发或进展性高血压及肾、肝、脑、血小板等多系统异常[1]。PE是世界范围内围产儿死亡的主要原因之一，约占围产儿死亡的10%～20%[2]，也是医源性早产的主要原因之一[3]。尽管对PE已进行了几十年的研究，但其主要病因仍不清楚。人们普遍认为，母体的PE与子宫螺旋动脉形成不良及妊娠引起的母体全身内皮功能障碍有关[4]。目前，我们对PE病因的认识还不足，缺少PE早期诊断标记物，也没有有效的预防性治疗。现有的PE生物标志物多是来源于胎盘或受损的血管内皮蛋白质等大分子物质[5]，尚需要更多的研究来证实其临床应用价值。越来越多的学者关注到了PE疾病的代谢途径，小分子的代谢物作为各种生物事件的终点与疾病的发生具有直接关联。代谢物既可以作为生物标记物的潜在来源，又可以揭示疾病的代谢过程，辅助探索其发病机制，对于理解判断PE的发病、诊断、预后具有重要意义。本文就代谢组学在PE中的研究进展进行综述。

一、代谢组学概述

1.代谢组学概念：代谢组学是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后新近发展起来的一门学科，与前三者共同构成系统生物学。代谢组学的概念最早由Nicholson等[6]提出，其效仿基因组学的研究基础，利用高通量技术对生物体由病理生理改变所影响的代谢物进行定量测量，分析生物体内某一时刻所有内源性小分子物质的变化，从而判断生物体整体状态。代谢组学的研究对象是参与体内新陈代谢的小分子化合物的集合，研究目标通常是小分子代谢物(相对分子量≤1 000)，包括有机酸、醇类、胆碱、氨基酸、尿酸、肌酐等，研究样本包括血液、尿液、脑脊液、体液、组织样本等，其中较为常用的是血液和尿液。

代谢组学与基因组学、转录组学和蛋白质组学具有相似之处，如都是利用高通量检测技术手段，都是从研究机体整体角度出发。此外，代谢组学具有自身的优势：(1)从代谢物层面研究，可以更为直接反映正在发生的生物活动；(2)“瀑布效应”即当基因、蛋白水平的改变微小时，在代谢物层面的改变则会放大，因此，代谢物的改变更易于检测和定量；(3)小分子代谢物的数量明显少于基因的数量，因此，检测小分子代谢物可以降低检测难度并节约成本[7]。

2.代谢组学的分析方法：目前，代谢组学的分析方法主要是两种，即核磁共振波谱法(NMR)和质谱法(MS)。NMR是利用原子核对射频辐射的吸收，对各种有机和无机物的成分、结构进行定性定量的分析方法。NMR的优点是不需要或只需要简单的样品准备步骤(蛋白质沉淀和化学衍生化)，具有高度重复性和非破坏性的特点，NMR的缺点在于灵敏度相对较低且需要较大的样本量[8-9]。MS利用不同物质的质量-电荷比进行定性定量分析，具有样本量需求低、灵敏度相对较高、价格低等优点[9]。MS通常与其他分离技术联合使用，先通过不同分离技术对样本进行多种代谢物的提取分离纯化，再进行定量测量，常见的联用方法包括气相色谱-质谱(GC-MS)、液相色谱-质谱(LC-MS)、毛细管电泳-质谱(CE-MS)。

二、代谢组学在发现PE分子标志物中的作用

在人体新陈代谢过程中，PE的发生可能导致代谢物的种类、浓度发生改变，使用代谢组学方法对PE患者的生物样本(血液、尿液、乳汁、羊水、脐带血液、组织样本等)进行分析研究，可发现数量可观的特征性代谢物。从代谢物的角度理解PE发生发展的病理过程，发现潜在的分子标志物，对PE的诊断、评估、治疗及预后各方面具有重大意义。

1.脂类分子标志物：多项研究显示，PE患者中脂类及其代谢物呈显著改变[10]。Austdal等[11]研究发现，与正常孕妇相比，PE患者血清中的低密度和极低密度脂蛋白含量显著升高，高密度脂蛋白水平显著降低。Liu等[12]研究发现，PE患者血浆中花生四烯酸代谢物显著升高，而细胞色素P450代谢物显著减少。Sander等[13]研究发现，PE患者血浆中二酰基甘油、甘油磷酸肌醇显著增多。Jain等[14]研究发现，PE患者胎盘中脂肪酸(主要为花生四烯酸)浓度显著升高。Dunn等[15]研究发现，PE患者阴道分娩的的胎盘组织中有13种代谢物含量显著下降，主要包括酰基甘油、磷脂、脂肪酸、异戊二烯类和类固醇有关的代谢物。

PE患者中除脂类及其代谢物外，部分胆碱、肉碱类的代谢物的含量也发生了改变，这些代谢物主要参与脂质的转运过程。Tan等[16]研究发现，PE患者血清中溶血磷脂酰胆碱、棕榈酸含量显著升高，1，25-二羟基维生素D3-26，23-内酯含量显著降低，他们主要参与脂类、氨基酸和磷酸钙的代谢。Chen等[17]分析孕晚期PE患者及正常孕妇的代谢物差异发现，PE患者血清中溶血磷脂酰胆碱、脯氨酸甜菜碱显著降低，6种甘油磷酰胆碱显著升高。He等[18]针对PE孕妇脂质代谢物的研究也有相似发现。因此，胆碱类代谢物可以作为PE诊断的潜在标志物。

2.氨基酸类分子标志物：PE患者中多种氨基酸(如丙氨酸、谷氨酸、牛磺酸等)呈显著差异，并且多种参与氨基酸相关代谢过程的代谢物也有改变。Austdal等[11]对PE患者尿液进行代谢组学分析发现，包括甘氨酸、丙氨酸、组氨酸在内的多种氨基酸代谢物含量显著降低。Kenny等[19]研究发现，PE患者血浆中多种代谢物存在显著差异，包括氨基酸(丙氨酸、谷氨酸等)、参与氨基酸代谢的代谢物(2-羟基-3-甲基丁酸、2-乙基-3-羟丙基酸、肌酸酐等)及其他代谢物(酮戊二酸、木糖醇、尿酸等)，以上代谢物可能参与氨基酸、嘌呤、葡萄糖醛酸的代谢。牛磺酸是一种重要的氨基酸，既往研究表明，牛磺酸具有降压和血管保护作用[20]，牛磺酸代谢的改变对胎盘的物质交换和营养供给有重要作用。Austdal等[21]研究发现，与正常妊娠妇女相比，PE患者妊娠胎盘组织中牛磺酸、乙醇胺、谷氨酸水平均显著降低，提示胎盘组织中的牛磺酸代谢、磷脂代谢、胆汁酸代谢发生改变。Mukherjee等[22]比较早发型PE患者和晚发型PE患者血清代谢组学特征发现，其中如谷氨酸、胆碱、丙氨酸、乳酸等多种代谢物存在显著差异，谷氨酸和丙氨酸共同参与牛磺酸的代谢过程。

3.嘌呤类分子标志物：Senyavina等[23]研究发现，PE患者血清中嘌呤代谢的中间产物次黄嘌呤水平显著下降，而黄嘌呤、尿酸水平显著上升。PE患者部分参与嘌呤代谢的代谢物浓度也发生了改变。Austdal等[11]研究发现，PE患者尿液中甘氨酸含量显著减低。Kenny等[19]研究发现，PE患者的尿酸含量显著增高，嘌呤的分解水平增高。PE患者可能存在增强的嘌呤核苷酸分解代谢途径，使尿酸从细胞中释放并在血液中积累。胎盘是妊娠期嘌呤的重要来源之一，有研究发现，PE的发病与胎盘的灌注不足有关，在胎盘缺氧条件下，嘌呤核苷酸降解增加[24]，因此，胎盘的缺血和滋养层脱落可能导致了继发的尿酸生产增多[25]，从而使部分PE患者出现高尿酸血症。

三、代谢组学在预测PE中的作用

在临床实践中，妊娠早、中期对PE发病的风险评估和有效预测，可以为必要的干预措施(如阿司匹林的预防性应用)取得治疗空间，因此，多项研究致力于发掘妊娠期的血液代谢组学特征，以期构建有效的预测模型。多项前瞻性研究发现，妊娠早期的代谢物对PE的发生有良好的预测性。Kuc等[26]研究发现，牛磺酸和天门冬酰胺可以预测早发型PE，甘氨酸可以预测晚发型PE。Odibo等[27]筛选出羟基己酰基肉碱、苯丙氨酸、谷氨酸和丙氨酸4种血清代谢物构建预测模型，该预测模型的敏感性为50%、特异性为80%、准确度为82.3%。Koster等[28]结合孕早期血清代谢组学结果与胎盘生长因子(PLGF)建立预测模型，该模型对预测早发型PE的敏感性为69%、特异性为90%、准确度为78.4%；对预测晚发型PE的敏感性为32%、特异性为90%、准确度为70%。研究发现，相比于单一地应用代谢物建模，代谢物与母体生物学及临床特征相结合建模，可表现出更良好的预测性。Bahado-Singh等[29-30]研究发现，对于晚发型PE患者，仅纳入血浆代谢特征(甘油、肉碱、甲基组氨酸和丙酮等)建立PE的预测模型的准确性为79%，当血浆代谢特征与孕妇生物学信息(如体重等)结合后建立PE的预测模型，其准确性可提至96%；对早发型PE患者，仅纳入代谢特征(胆碱、甘油、琥珀酸)建立的预测模型的准确性为90.4%，当代谢特征与子宫血流超声相关数据结合后建立的预测模型的准确性为98%。研究发现，妊娠中期PE患者中的某些代谢物可以预测PE。Kenny等[31]利用妊娠中期的血浆代谢特征构建预测模型的敏感性为77%、特异性为90%、准确度为94%。Lee等[32]利用妊娠中期血浆差异代谢物对PE的预测效能为0.868，诊断能力与可溶性Fms样酪氨酸激酶受体1(soluble Fms-like tyrosine kinase-1，sFlt-1)和PLGF比值相当。

代谢组学对PE的预测性不仅局限于妊娠早中期，即使到了妊娠晚期，相关代谢物仍能对发病时间在妊娠37周后PE的发生起到一定的预测作用。Sovio等[33]一项队列研究发现，在妊娠36周时，血清代谢物(4-羟基谷氨酸、c-糖基色氨酸)联合sFlt-1/PLGF对于预测在足月妊娠后发病的PE的准确性可达到84.8%。Bahado-Singh等[34]将血清学的早孕期代谢物(鞘磷脂C18：1和尿素)和晚孕期代谢物(己糖和柠檬酸)联合建立预测模型，其准确性为81.7%、敏感性81.6%、特异性71.0%。

另一方面，PE对母儿健康的影响是持续至分娩后的，代谢组学对于评估PE新生儿有一定作用。Jääskeläinen等[35]研究发现，PE新生儿脐带血浆中4-吡哆酸的水平显著降低，尿素、肌酸、肉碱等脐带血中的代谢物含量显著增高，说明PE对新生儿的代谢也产生了一定影响。Bardanzellu等[36]研究发现，PE患者产后3 d母乳中代谢物与正常孕妇比较无显著差异，但在6个月后，正常妊娠产妇母乳中乳糖、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、磷胆碱和甘油磷胆碱的浓度显著增加，而PE妊娠产妇母乳中仅糖磷胆碱显著升高，乳糖和一些氨基酸浓度无显著变化，这表明PE孕妇的新生儿在母乳喂养过程中存在营养物质摄入不足的问题，存在潜在的生长发育风险。代谢组学在新生儿及母乳中的相关研究进展，对于研究PE对胎儿、新生儿产生的影响以及新生儿的出生后管理提供了新的角度与方向。

四、代谢组学在PE发病机制中的作用

既往代谢组学研究多集中在小分子物质的改变上，涉及代谢物和内在机制的联系的研究仍比较有限。Zhou等[37]研究发现，线粒体功能异常在PE发病中有重要影响，PE的女性胎盘存在包括线粒体融合、自噬、合成的蛋白水平下调，从而影响线粒体代谢酶的内在活性，造成胎盘线粒体的氧化供能障碍，表现为以ω-3和ω-6等脂肪酸为主的代谢物异常。Yang等[38]研究发现，PE患者妊娠后胎盘的中链脂肪酸的减少，脂肪酸代谢水平增强，同时PE胎盘中AMPK-ACC信号通路出现过度激活，并负调控滋养层侵袭性，导致PE胎盘的缺血缺氧改变，异常脂肪酸代谢是对该变化的在供能方面的适应性改变。一直以来，氧化应激被认为是参与PE发病机制的重要因素。Kawasaki等[39]研究发现，PE胎盘中下降的谷胱甘肽代谢加重了PE胎盘的氧化应激水平，硫酸镁能够通过抑制氧化应激反应改善谷胱甘肽代谢，这可能也是硫酸镁治疗PE的重要分子机制。

既往对PE发病机制的研究多集中在DNA或RNA层面，但上述研究提示代谢组学可以与细胞功能、信号传导及氧化应激形成关联，从而反映PE发病的综合分子机制。代谢物有助于深层次地理解PE发病过程，为我们研究PE发病的微观机制提供新的角度。

综上所述，代谢组学作为一门新兴学科，在PE有价值的诊断及预测、分子标记物的筛选、PE发病机制研究等方面具有广阔的研究前景和良好的应用前景。但同时，代谢组学在PE中尚缺乏相对深入的研究，通过代谢组学手段筛选出的代谢物数量庞大，范围广泛，缺乏交叉性，仍然需要进一步的研究及验证。