代謝組學(xué)在新生兒窒息研究中的應(yīng)用

譚秀蘭

?

代謝組學(xué)在新生兒窒息研究中的應(yīng)用

譚秀蘭①

【摘要】新生兒窒息是導(dǎo)致新生兒死亡的主要原因之一，缺氧導(dǎo)致機(jī)體病理生理過(guò)程變化，最終引起代謝產(chǎn)物發(fā)生相應(yīng)的改變。代謝組學(xué)在新陳代謝的動(dòng)態(tài)進(jìn)程中，可以系統(tǒng)研究代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律，揭示機(jī)體生命活動(dòng)代謝本質(zhì)。本文將代謝組學(xué)在新生兒窒息的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。總結(jié)新生兒窒息相關(guān)的生物標(biāo)志物，期望對(duì)新生兒窒息臨床診斷、療效及預(yù)后等方面具有重要的指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】代謝組學(xué)； 生物標(biāo)志物； 新生兒窒息

①?gòu)B門大學(xué)附屬第一醫(yī)院 福建 廈門 361000

First-author’s address：The First Affiliated Hospital of Xiamen University，Xiamen 361000，China

新生兒窒息，又稱圍產(chǎn)窒息（perinatal asphyxia，PA），是新生兒發(fā)病和死亡的主要原因，根據(jù)WHO統(tǒng)計(jì)結(jié)果，每年有400～900萬(wàn)的新生兒出現(xiàn)PA[1]。窒息可造成多器官功能障礙，如中樞神經(jīng)系統(tǒng)、腎臟、心血管系統(tǒng)、肺等，進(jìn)而導(dǎo)致循環(huán)代謝組的變化[2]。

代謝組學(xué)是研究生物體系受到內(nèi)在和外在因素刺激產(chǎn)生內(nèi)源性代謝變化的一門科學(xué)。它主要關(guān)注小分子代謝物（MW＜1000），包括糖、脂質(zhì)、氨基酸、維生素等。代謝組學(xué)檢測(cè)的生物樣品，包括生物體的各種體液和組織[3]。代謝組學(xué)已成為整體研究生命體系功能變化的有力的分析手段，現(xiàn)就其在新生兒窒息方面的研究作一綜述。

1　PA

1.1現(xiàn)狀 PA，是指由于產(chǎn)前、產(chǎn)中或產(chǎn)后的各種病因，使胎兒缺氧而發(fā)生的宮內(nèi)窘迫或娩出過(guò)程發(fā)生的呼吸和循環(huán)障礙，致使胎兒出生后1 min內(nèi)無(wú)自主呼吸或未能建立規(guī)律呼吸。其主要病理表現(xiàn)為低氧血癥、高碳酸血癥以及酸中毒[4]。

PA在新生兒的發(fā)病率和致死率居首位，每年約有290萬(wàn)新生兒由于不同原因死亡，而死于窒息的新生兒有100萬(wàn)[5-6]。PA會(huì)導(dǎo)致多種器官的障礙，包括心血管、腎臟和肺部等，其中腦損傷后果最為嚴(yán)重，每年1000名新生兒中有1～2名會(huì)受到缺血缺氧腦病（hypoxic ischemic encephalopathy，HIE）的影響[7]。

1.2代謝標(biāo)記物 PA導(dǎo)致循環(huán)代謝組很大的改變，鑒別這些改變的代謝物，或生物標(biāo)記，可以提供關(guān)于損傷嚴(yán)重程度的敏感和特異的信息。一些潛在的標(biāo)記物，如神經(jīng)特異性稀醇酶和S100已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)并且正在進(jìn)行進(jìn)一步研究[8-9]。暴露于嚴(yán)重缺氧/長(zhǎng)期缺氧后，窒息新生兒游離和總?cè)舛緣A水平較低，而長(zhǎng)鏈酰基肉堿較高[10]。作為無(wú)氧呼吸的副產(chǎn)物，乳酸被視為新生兒缺氧的早期標(biāo)志物[11]。缺氧時(shí)左旋肉堿缺乏導(dǎo)致細(xì)胞損傷的風(fēng)險(xiǎn)增加，而補(bǔ)充左旋肉堿可降低神經(jīng)功能損傷[12-13]。左旋肉堿已經(jīng)在兒科臨床廣泛使用，可能是一個(gè)圍產(chǎn)期窒息有吸引力的治療用藥[14]。

1.3檢測(cè)方法 美國(guó)兒科學(xué)會(huì)和美國(guó)婦產(chǎn)科醫(yī)師學(xué)會(huì)關(guān)于PA診斷標(biāo)準(zhǔn)：新生兒動(dòng)脈臍帶血pH＜7；胎兒出生5 min后Apgar評(píng)分在0～3分；胎兒出生表現(xiàn)出神經(jīng)系統(tǒng)和多器官疾病[15]。

Apgar評(píng)分仍是目前PA最常用的評(píng)估手段，但Apgar評(píng)分存在不準(zhǔn)確和主觀評(píng)分偏高的情況，且不能判斷復(fù)蘇后患兒是否存在臟器損傷、臟器損傷情況、性質(zhì)和嚴(yán)重程度等[16]。

因此，開(kāi)發(fā)一種新方法去探尋新生兒窒息發(fā)生發(fā)展各個(gè)階段機(jī)體內(nèi)環(huán)境的變化、闡明其復(fù)雜機(jī)制，對(duì)早期預(yù)防、診斷和預(yù)后判斷都有重要意義[17]。

2　代謝組學(xué)

2.1特征 代謝組學(xué)是在基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后興起的一門學(xué)科，屬于系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，其概念來(lái)源于代謝組，是指針對(duì)某一生物或細(xì)胞在一定生理時(shí)期內(nèi)所有低分子量代謝產(chǎn)物同時(shí)進(jìn)行的定性和定量分析的一門學(xué)科[18]。

代謝組學(xué)通常有兩種研究方法，一是代謝物指紋分析，主要采用液相色譜聯(lián)合質(zhì)譜的方法，比較不同血樣間代謝產(chǎn)物；另一種是代謝輪廓分析，先假定一個(gè)特定的代謝途徑，針對(duì)該途徑進(jìn)行深入研究。

代謝物代表了基因表達(dá)和細(xì)胞活性的終點(diǎn)，代謝組學(xué)對(duì)于理解生物體及其變化發(fā)揮了重要的作用，如基因的影響、環(huán)境、生活方式以及細(xì)胞和組織器官的藥物干預(yù)等[19]。

2.2在新生兒中的應(yīng)用 目前，代謝組學(xué)在新生兒科的運(yùn)用還處于初始階段，針對(duì)新生兒整體代謝狀況的研究很少。Fanos等[20]報(bào)道了新生兒代謝組學(xué)一些應(yīng)用，包括：胎兒宮內(nèi)生長(zhǎng)受限、圍生期窒息、腦損傷、亞低溫、母乳的評(píng)價(jià)、出生后的成熟、支氣管炎、膿毒癥、動(dòng)脈導(dǎo)管未閉、呼吸窘迫綜合征、代謝性疾病、抗生素治療等。

新生兒尿液代謝組學(xué)，簡(jiǎn)單/非侵入性的收集技術(shù)使尿液作為一個(gè)特別合適的生物樣本來(lái)研究新生兒醫(yī)學(xué)的代謝組學(xué)[21]。

臍帶血代謝組學(xué)，包括低出生體重、極低出生體重兒、胎兒生長(zhǎng)受限、小于胎齡妊娠、新生兒窒息、缺氧缺血性腦病等方面的研究[22-23]。

3　代謝組學(xué)與PA

動(dòng)物PA模型已成功用于研究窒息對(duì)代謝物水平的影響[24]。Beckstroma等[25]應(yīng)用質(zhì)譜法研究非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物PA模型，結(jié)果顯示窒息前后50種代謝產(chǎn)物發(fā)生變化，15種在窒息后水平顯著上升。其中，乳酸和肌酐為窒息的標(biāo)志物，并發(fā)現(xiàn)新的代謝產(chǎn)物——琥珀酸、蘋果酸和花生四烯酸。Skappak 等[26]采用代謝組學(xué)測(cè)定新生仔豬缺氧模型，明確了乳酸、丙酮酸、乙酰甘氨酸、丙氨酸等代謝產(chǎn)物的表達(dá)情況。Atzori等[27]通過(guò)代謝組學(xué)方法描述低氧-復(fù)氧后新生小豬的代謝狀況，收集并測(cè)定不同吸入氧濃度復(fù)蘇新生豬的尿樣，結(jié)果顯示，存活動(dòng)物與死亡動(dòng)物在低氧誘導(dǎo)之前的尿樣代謝圖譜存在差異，模型小豬尿樣代謝組學(xué)基礎(chǔ)值與復(fù)蘇后相比，其代謝變化存在差異。Solberg等[28]對(duì)新生小豬進(jìn)行不同時(shí)間的窒息缺氧處理后使用氧氣復(fù)蘇，結(jié)果發(fā)現(xiàn)丙氨酸、甘氨酸和支鏈氨基酸的比例與缺氧持續(xù)時(shí)間呈正相關(guān)，100％氧氣延遲了細(xì)胞的代謝恢復(fù)，而21％氧氣復(fù)蘇可以表現(xiàn)出更早的線粒體功能的恢復(fù)。Fanos等[29]的研究結(jié)果也提示21％氧氣復(fù)蘇效果較好。

Longini等[30]應(yīng)用代謝組學(xué)1H-NMR方法分析了6例PA新生兒的尿樣，發(fā)現(xiàn)部分代謝產(chǎn)物水平增加，包括乳酸、蘇氨酸和葡萄糖等，而醋酸、甲酸和尿素等代謝產(chǎn)物水平減少。Walsh等[31]用代謝組學(xué)LC-MS/MS方法分析了31例HIE新生兒和40例PA新生兒臍帶血代謝產(chǎn)物的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)HIE組和缺氧組不僅能量供給途徑受到破壞，而且氮和脂質(zhì)代謝也受到影響。Reinke等[32]用1H-NMR代謝組學(xué)方法對(duì)HIE新生兒的臍帶血進(jìn)行了分析，得到4種與HIE程度相關(guān)的代謝產(chǎn)物：3-羥基丁酸酯、甘油、O-磷酸膽堿和琥珀酸。Liu等[33-34]運(yùn)用基于1H-NMR技術(shù)研究亞低溫治療HIE鼠模型，發(fā)現(xiàn)亞低溫治療可明顯減少缺氧后的組織學(xué)損傷，而其對(duì)神經(jīng)的保護(hù)作用則是通過(guò)抑制細(xì)胞乙酰輔酶A介導(dǎo)的乙酰化作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4　小結(jié)

PA是新生兒死亡和腦損傷的主要原因，窒息的臨床反應(yīng)是多樣的，用目前的診斷方法很難預(yù)測(cè)和判斷，需要可靠的生物標(biāo)志物幫助預(yù)判窒息的時(shí)間和嚴(yán)重程度以及對(duì)治療的反應(yīng)。

代謝組學(xué)可以監(jiān)測(cè)新生兒出生后代謝物水平的情況，但代謝物變化個(gè)體差異較大，易受到多種因素的影響，如環(huán)境、胎齡等。因此單獨(dú)應(yīng)用代謝組學(xué)無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，需要結(jié)合蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)等多學(xué)科數(shù)據(jù)。另外，代謝組學(xué)的研究方法如1H-NMR僅能檢測(cè)到微摩爾水平，而LC/MS和CG/ MS可以檢測(cè)到皮摩爾水平[18]，因此需要結(jié)合多種方法才能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)個(gè)體代謝物的表達(dá)情況，以提供更多關(guān)于在圍產(chǎn)期窒息及新生兒的發(fā)育過(guò)程及其代謝的背景信息。

參考文獻(xiàn)

[1] Goli S，Arokiasamy P.Maternal and child mortality indicators across 187 countries of the world：converging or diverging[J].Glob Public Health，2014，9（3）：342-360.

[2] Shah P，Riphagen S，Beyene J，et al.Multiorgan dysfunction in infants with post-asphyxial hypoxic-ischaemic encephalopathy[J]. Arch Dis Child Fetal Neonatal Ed，2004，89（2）：F152-F155.

[3] Alonso A，Marsal S，Julià A.Analytical methods in untargeted metabolomics：state of the art in 2015[J].Front Bioeng Biotechnol，2015，3（1）：23.

[4] Brucknerová I，Ujházy E.Asphyxia in newborn—risk，prevention and identification of a hypoxic event[J].Neuro Endocrinol Lett，2014，35（Suppl 2）：201-210.

[5] Lawn J E，Blencowe H，Oza S，et al.Every newborn：progress，priorities，and potential beyond survival[J].Lancet，2014，384 （9938）：189-205.

[6] Yoshida S，Rudan I，Lawn J E.Newborn health research priorities beyond 2015[J].Lancet，2014，384（9938）：e27-e29.

[7] Nasiell J，Papadogiannakis N，L?f E，et al.Hypoxic ischemic encephalopathy in newborns linked to placental and umbilical cord abnormalities[J].J Matern Fetal Neonatal Med，2015，29（5）：721-726.

[8] Kecskes Z，Dunster K R，Colditz P B.NSE and S100 after hypoxia in the newborn pig [J].Pediatr Res，2005，58（5）：953-957.

[9] Thorngren-Jerneck K，Alling C，Herbst A，et al.S100 protein in serum as a prognostic marker for cerebral injury in term newborn infants with hypoxic ischemic encephalopathy[J].Pediatr Res，2004，55（3）：406-412.

[10] Robertson C L，Scafidi S，McKenna M C，et al.Mitochondrial mechanisms of cell death and neuroprotection in pediatric ischemic and traumatic brain injury[J].Exp Neurol，2009，218 （2）：371-380.

[11] Haiju Z，Suyuan H，Xiufang F，et al.The combined detection of umbilical cord nucleated red blood cells and lactate：early prediction of neonatal hypoxic ischemic encephalopathy[J]. J Perinat Med，2008，36（3）：240-247.

[12] Meyburg J，Schulze A，Kohlmueller D，et al.Postnatal changes in neonatal acylcarnitine profile[J].Pediatr Res，2001，49（1）：125-129.

[13] Chace D H，Pons R，Chiriboga C A，et al.Neonatal blood carnitine concentrations：normative data by electrospray tandem mass spectrometry[J].Pediatr Res，2003，53（5）：823-829.

[14] Fernandez I C，Del Carmen Camberos M，Passicot G A，et al. Children at risk of diabetes type 1.Treatment with acetyl-L-carnitine plus nicotinamide-case reports[J].J Pediatr Endocrinol Metab，2013，26（3-4）：347-355.

[15] American College of Obstetricians and Gynecologists’ Task Force on Neonatal Encephalopathy and cerebral palsy，American Academy of Pediatrics.Neonatal encephalopathy and cerebral palsy：defining the pathogenesis and pathophysiology.Chapter 8：criteria required to define an acute intrapartum hypoxic event as sufficient to cause cerebral palsy[D].Washington，DC：America College of Obstetricians and Gynecologists，2003.

[16]陳自勵(lì).新生兒窒息診斷研究進(jìn)展和新診斷標(biāo)準(zhǔn)的建議[J].中國(guó)小兒急救醫(yī)學(xué)，2008，15（1）：1-4.

[17] Rüdiger M，Braun N，Aranda J，et al.Neonatal assessment in the delivery room-Trial to Evaluate a Specific Type of Apgar （TEST-Apgar）[J].BMC Pediatr，2015，15（1）：18.

[18] Kuenbaum N L，BritzMcKibbin P.New advances in separation science for metabolomics：resolving chemical diversity in a post genomic era[J].Chem Rev，2013，113（4）：2437-2468.

[19] Ellis D I，Dunn W B，Griffin J L，et al.Metabolic fingerprinting as a diagnostic tool[J].Pharmacogenomics，2007，8（9）：1243-1266.

[20] Fanos V，Antonucci R，Barberini L，et al.Clinical application of metabolomics in neonatology[J].J Matern Fetal Neonatal Med，2012，25（Suppl 1）：104-109.

[21] Dessì A，Atzori L，Noto A，et al.Metabolomics in newborns with intrauterine growth retardation（IUGR）：urine reveals markers of metabolic syndrome[J].J Maternal Fetal Neonatal Med，2011，24（Suppl 2）：35-39.

[22] Ivorra C，García-Vicent C，Chaves F J，et al.Metabolomic profiling in blood from umbilical cords of low birth weightnewborns[J].J Trans Med，2012，10（1）：142.

[23] Walsh B H，Broadhurst D I，Mandal R，et al.The metabolomic profile of umbilical cord blood in neonatal hypoxic ischaemic encephalopathy[J].PLoS One，2012，7（12）：e50 520.

[24] Cheung P Y，Gill R S，Bigam D L.A swine model of neonatal asphyxia[J].J Vis Exp，2011，1（56）：e3166.

[25] Beckstroma A C，Humston E M，Snyder L R，et al.Application of comprehensive two-dimensional gas chromatography with time-of-flight mass spectrometry method to identify potential biomarkers of perinatal asphyxia in a non-human primate model[J].J Chromatogr A，2011，1218（14）：1899-1906.

[26] Skappak C，Regush S，Cheung P Y，et al.Identify hypoxia in a newborn piglet model using NMR metabolomic profiling[J].PLoS One，2013，8（5）：e65 035.

[27] Atzori L，Xanthos T，Barberini L，et al.A metabolomic approach in an experimental model of hypoxia-reoxygenation in newborn piglets：urine predicts outcome[J].J Matern Fetal Neonatal Med，2010，23（Suppl 3）：134-137.

[28] Solberg R，Enot D，Deigner H P，et al.Metabolomic analyses of plasma reveals new insights into asphyxia and resuscitation in pigs[J].PLoS One，2010，5（3）：1-12.

[29] Fanos V，Noto A，Xanthos T，et al.Metabolomics network characterization of resuscitation after normocapnic hypoxia in a newborn piglet model supports the hypothesis that room air is better[J].Biomed Res Int，2014，1（2014）：731 620.

[30] Longini M，Giglio S，Perrone S，et al.Proton nuclear magnetic resonance spectroscopy of urine samples in preterm asphyctic newborn：a metabolomics approach[J].Clin Chim Acta，2015，444（1）：250-256.

[31] Walsh B H，Broadhurst D I，Mandal R，et al.The metabolomic profile of umbilical cord blood in neonatal hypoxic ischaemic encephalopathy[J].PLoS One，2012，7（12）：e50 520.

[32] Reinke S N，Walsh B H，Boylan G B，et al.1H NMR derived metabolomic profile of neonatal asphyxia in umbilical cord serum：implications for hypoxic ischemic encephalopathy[J].J Proteome Res，2013，12（9）：4230-4239.

[33] Liu J，Sheldon R A，Segal M R，et al.1H nuclear magnetic resonance brain metabolomics in neonatal mice after hypoxiaischemiadistinguished normothermic recovery from mild hypothermia recoveries[J].Pediatr Res，2013，74（2）：170-179.

[34] Takenouchi T，Sugiura Y，Morikawa T，et al.Therapeutic hypothermia achieves neuroprotection via a decrease in acetylcholine with a concurrent increase in carnitine in the neonatal hypoxia-ischemia[J].J Cereb Blood Flow Metab，2015，35（5）：794-805.

Application of Metabolomics in Neonatal Asphyxia Research

/TAN Xiu-lan.//Medical Innovation of China，2016，13（02）：142-145

【Abstract】Neonatal asphyxia is one of main causes of neonatal death，lack of oxygen influences the process of pathophysiology，leading to the corresponding changes in the metabolic product.In the dynamic process of metabolism，metabolomics systematically studies the rule of metabolites and reveals the nature of life activity metabolism.In this paper，the application of metabolomics in neonatal asphyxia are reviewed.Biological markers associated with neonatal asphyxia are concluded.Our aim is to offer instructions for diagnosis，curative effect and prognosis in neonatal asphyxia.

【Key words】Metabolomics； Biomarkers； Neonatal asphyxia

收稿日期：（2015-07-15） （本文編輯：歐麗）

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2016.02.040

通信作者：譚秀蘭