妊娠糖尿病的代謝組學研究現狀

王 彬 王 軍 高 潔 陳君君 孟勝喜

妊娠糖尿病(gestational diabetes mellitus, GDM)是指在妊娠期首次發生或發現的糖耐量降低或糖尿病，對母嬰健康均產生近期及遠期的不利影響。目前，還沒有一種治療GDM安全有效的藥物，臨床上一般采用飲食控制、適量運動加藥物治療的方法以改善妊娠結局。但是飲食控制個體差異較大，國內外也沒有統一的飲食治療方案；懷孕特殊時期又阻礙了運動的成效；藥物治療不良反應較大。因此，探索GDM的發病機制，尋找準確、簡捷的臨床診斷指標成為研究的必要。然而，GDM妊娠特殊時期的復雜性特點局限了研究過程，代謝組學作為研究復雜疾病強有力的工具成為復雜性疾病研究的熱點，近年來對GDM的研究有了深入的認識，本文將從GDM發病、危害、臨床診斷及代謝組學等方面研究展開探討。

一、GDM的概述

近年來隨著社會的發展，飲食結構的改變、晚婚晚育比例的提高、孕婦在家庭中的重視程度，使GDM的發生率呈不斷上升趨勢。目前，我國是世界上糖尿病患病人數最多的國家，發生率高達20%[1，2]。GDM患者一般在妊娠結束后即可恢復正常，最新流行病學研究發現仍有25%的GDM患者分娩后糖耐量不能恢復正常，進而轉為2型糖尿病或者糖耐量受損，GDM病情嚴重者可致胎兒流產、早產、畸形、產傷以及呼吸窘迫綜合征等，GDM不僅威脅到孕婦自身的健康也影響生育后代的人口素質，讓社會和家庭背上沉重的負擔[3,4]。

目前，臨床上GDM的診斷標準有兩種。《中國2型糖尿病防治指南(2017版)》采用的診斷標準，即在孕期間任何時間行75g糖耐量試驗(oral glucose tolerance test，OGTT)，若血糖在5.1mmol/L≤空腹血糖<7.0mmol/L、OGTT 1h血糖≥10.0mmol/L、8.5mmol/L≤OGTT 2h血糖<11.1mmol/L中任何1個指標達標，即可診斷為GDM。IADPSG(2012年)、《ADA 糖尿病醫學診療標準》(2018年)及第9版《內科學》采用的是另一種診斷標準，即在孕24～28周行75g OGTT，若空腹血糖≥5.1mmol/L、1h血糖≥10.0mmol/L、2h血糖≥8.5mmol/L，符合至少1項指標，即可診斷為GDM[5]。臨床中大都采用的第2種OGTT診斷手段，處于妊娠的中期，鑒于GDM 對母嬰危害，及早診斷治療、減少并發癥尤為重要。

二、代謝組學概述

代謝組學的概念經歷了動態和靜態兩個過程，英國Jeremy Nicholson教授首先提出此概念，把機體作為一個完整的系統的基礎上動態性地應答機體病理生理或基因修飾等刺激產生代謝物的定量測定；隨后德國Fiehn等又將代謝組學看作一個靜態的過程，對限定條件下的特定生物樣品中所有代謝產物的定性定量分析。隨著代謝組學研究的不斷發展，代謝組學有了更為全面的定義，即對一個生物系統的細胞在給定時間和條件下所有小分子代謝物質的定性定量分析，從而定量描述生物內源性代謝物質的整體及其對內因和外因變化應答規律的科學。

代謝組學是對慢性代謝性疾病研究的有力工具，具有整體性、動態性和非靶向性等特點，可以從分子水平發現由于疾病導致的異常代謝結果，揭示疾病的發病機制和內在聯系，有可能使以經驗為基礎的治病方式向以科學的方法和標準為基礎的現代化治病方式轉變。目前，代謝組學廣泛應用于復雜疾病和藥物作用機制的研究[6]。早在20多年前Nicholson 等將核磁共振技術(NMR)應用于糖尿病的研究，隨著質譜、氣相、液相等分析技術的發展，采用氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)、液相色譜-質譜聯用(LC-MS)以及高效液相色譜-質譜聯用(HPLC-MS)等聯用技術，汲取各項技術的優點，整合高通量、高敏感度、高分辨率等優勢，為疾病的研究提供更加準確、可靠和全面的數據。隨著代謝組學的深入研究，可以對成千上百個代謝物同時分析，挖掘代謝通路的變化，有望解讀GDM的發病機制。

三、GDM的代謝組學研究

隨著GDM發生率的不斷提高和對母嬰醫學的重視，GDM的研究逐漸成為熱點。GDM的臨床研究樣本由基本的血液、尿液不斷擴展到羊水、臍帶血、胎盤和陰道分泌物等，多種生物學標志物不斷被挖掘出來[7，8]。傳統的觀點認為妊娠糖尿病主要與胰島素抵抗有關，除胰島素抵抗外，胰島β 細胞分泌降低均為GDM的發病重要因素。近年來隨著對激素水平、炎性因子、脂肪細胞因子以及蛋白酶的廣泛研究，發現這些因子的參與均促進了GDM 的發生、發展。

1.胰島素水平是GDM發病的重要因素：GDM 是一種受環境和遺傳因素共同作用的綜合性疾病，研究發現多種因素促成了GDM的發生。內因胰島素抵抗和胰島β細胞分泌降低，被認為是GDM發病的重要環節，外因進食過多且缺乏足夠的體力運動促進疾病的進展過程。胰島β細胞在內外因素的作用下代償性的分泌大量的胰島素，高胰島素水平促進葡萄糖的吸收、分解、轉化、脂肪的合成和貯存，長期持續的高胰島素環境使得胰島素抵抗，有研究發現GDM 患者孕期胰島素抵抗指數較正常孕婦明顯升高，機體仍保持糖代謝、脂肪代謝旺盛，出現血糖升高、血脂升高，形成胰島素抵抗-高血脂惡性循環，出現妊娠糖尿病[9]。GDM 與2 型糖尿病間有許多生物化學方面的相似之處，慢性的胰島素抵抗是肥胖等疾病發生的重要環節，肥胖者脂肪組織中巨噬細胞的不斷累積導致內臟脂肪組織的慢性系統性炎癥發生，引發糖尿病的多種并發癥。

2.妊娠期激素水平促成GDM的發生:妊娠期激素水平的影響也促成了GDM的發生。由于妊娠期處于特殊的時期，機體內的雌激素、孕激素促使胰島出現結構和功能上的改變，促進胰島素的分泌。但同時由于胎盤分泌的皮質醇、孕酮、催乳素、生長激素和脂聯素等水平的改變引發了胰島素抵抗和胰島素敏感度降低[10]。此外，胎盤分泌的胰島素酶，加速胰島素的降解，這些因素促使孕婦胰島素抵抗逐漸加重，表現為血糖升高，逐步發展成妊娠糖尿病。

同時，孕激素還能促進瘦素的分泌、抑制瘦素受體和基質金屬蛋白酶的表達。妊娠期間為滿足胎兒發育需求，機體內物質和能量代謝旺盛，孕婦營養成分供過于求，隨胰島素降血糖作用的減弱而造成孕婦血糖升高。懷孕期間多余的能量被機體儲存起來逐漸變成脂肪，體重不斷地增加，因此，GDM患者大多呈肥胖狀態。

3.炎性因子和脂肪細胞因子作用:妊娠糖尿病是一種慢性炎性肥胖疾病，因此，炎性反應中的炎性因子及脂肪細胞因子分泌失調在GDM的發生、發展中起了重要的作用[11]。近年來隨著研究的深入，大量的細胞因子及蛋白分子被驗證為與GDM的發生存在密切相關性，其中瘦素、脂聯素、腫瘤壞死因子α、白細胞介素6 能夠引起胰島素抵抗的激素水平增高，炎性因子、脂肪因子、攝食抑制因子和糖化血紅蛋白、內脂素和抵抗素也表現對胰島素抵抗有指示性作用[12，13]。這些因子類物質不斷被挖掘出來作為GDM的診斷指標。但這些成分受機體影響波動較大，與妊娠糖尿病胰島素抵抗仍有爭議，不能準確的指示糖代謝紊亂程度。

近年來隨著研究的深入，大量研究發現GDM發病與脂肪因子等密切相關，如脂肪酸類、膽汁酸類代謝物等[14，15]。Zhao等[16]將脂質組學分析糖尿病患者與健康志愿者的外周血樣本，尋找到與糖尿病密切相關的脂質類分子：CE(23:2) 、CE(23:3)、CE(23:4)、PE(36:4)、PE(36:5)及PE(36:6)等。巫小燕等[17]采用ELISA法檢測發現GDM孕婦體內的攝食抑制因子較高。許鎮紅[18]所在實驗室根據臨床調查證實了糖化血紅蛋白與果糖胺在GDM的診斷中的作用。這些小分子物質的量的變化為GDM的發病機制、篩查及診斷方法的總結與早期發現GDM提供了有力的依據。

花生四烯酸(arachidonic acid，AA)是機體發生炎性反應時產生的一種多不飽和必需脂肪酸，花生四烯酸代謝通路的改變指證機體炎性反應。當機體發生GDM病變時，機體的細胞受到刺激，磷脂酶A2發生水解釋放至細胞質中，經過環氧化酶(COXs)途徑、脂氧酶(LOXs)途徑和細胞色素P450(CYP)途徑等三大代謝途徑，產生近百種具有不同生物活性的小分子代謝產物。這些代謝產物的產生不同程度地影響機體細胞生長和分化、生殖和發育、體溫及血壓的維持等重要生理過程。Zhao等[16]已研究證實了GDM患者機體內的花生四烯酸代謝通路發生改變。

4.關鍵性蛋白酶與GDM：隨著代謝組學技術的不斷發展，有研究通過代謝組學方法鑒定出GDM患者與正常妊娠孕婦有17 種差異代謝物，涉及到甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝、精氨酸和脯氨酸代謝、組氨酸代謝、色氨酸代謝、糖酵解和糖質新生等代謝通路[19]。本課題組前期也鑒定出GDM患者與正常妊娠孕婦有18 種差異代謝物，證實了GDM機體的糖代謝、氨基酸代謝和脂質代謝均出現不同程度的加劇[9]。

GDM是在妊娠特殊狀態下出現物質和能量代謝紊亂現象，三大物質代謝的紊亂根源于糖代謝紊亂，最先反應在糖酵解的失調上，丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK) 是細胞糖酵解通路中最后一個限速酶，在糖代謝中起著重要作用。PK的表達觸發了有氧酵解，即一種將葡萄糖轉化為能量的代謝過程，這一過程又稱為瓦博格效應(Warburg effect)，許多類型的實體瘤均依賴于這一過程維持生存和生長。近年來PK在肝癌、胰腺癌、卵巢癌等癌癥治療方面研究較多，通過調控PK的表達可以起到治療腫瘤的作用，歸根結底為PK的過表達激活了瓦博格效應、促進了能量轉化的進程[20,21]。有研究采用高脂高糖飼料誘導的妊娠糖尿病小鼠模型的尿液進行GC-MS分析，研究發現其機體丙酮酸的含量與健康小鼠存在較大差異[9]。丙酮酸在胰高血糖素信號通路和胰島素耐受性通路中均起到關鍵性作用，丙酮酸量的變化受到PK的誘導，PK的表達狀態可能會對GDM的發生、發展起到指示性的作用。GDM是一種以糖代謝失常為主的內分泌代謝性疾病，通常表現為整體的能量代謝紊亂，PK的表達狀態對GDM疾病調控引起關注。

磷酸腺苷蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)是機體能量代謝調節中的關鍵分子，是AMPK信號通路中蛋白是否表達的開關，對調控機體糖脂代謝起重要作用，被稱為“細胞內能量檢測器”[22]。近年來磷酸腺苷蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)信號通路成為研究糖尿病糖代謝和脂質代謝的研究熱點[23，24]。AMPK磷酸化激活后，降低肝細胞中丙二酸單酰輔酶A的含量，抑制細胞脂肪酸的合成，并通過激活肉堿棕櫚酰轉移酶-1(CPT-1)從而增強線粒體對脂肪酸的利用和氧化，減少葡萄糖、膽固醇和甘油三酯的產生，葡萄糖攝取增加，脂肪酸氧化作用增強，進而有效抑制脂肪生成和糖異生作用，調節糖脂代謝[25]。此外，激活AMPK 可以增強胰島素敏感度和線粒體的功能。隨著AMPK的研究深入，其上下游靶蛋白也成為研究熱點，瘦素(leptin)、胃饑餓素(ghrelin)、脂聯素(adiponectin)和抵抗素(resistin)等均發現為AMPK代謝通路上的關鍵指標物質。有研究發現GDM機體AMPK表達水平顯著性降低。也有研究發現GDM機體內AMPK信號通路中的caveolin-1通過調節脂肪酸轉運，影響脂質代謝，對GDM胚胎及其胎兒都產生極大的影響。

四、展 望

目前為止，還沒有公認的可以作為GDM早期預測的標志物，由于GDM發病機制的復雜性，單一獨立的指標很難做到高敏感和高特異性地早期篩查出GDM人群。GDM的危害是基于高血糖對母嬰帶來的不良影響而定，只要合理控制妊娠期的血糖水平就可以有效地降低GDM及其并發癥的危害，為孕胎兒創造一個安全、穩定的宮內血糖、血脂環境，對優生優育具有重要意義。代謝組學技術的不斷發展和應用，獲取與GDM相關的潛在生物學標志物，對GDM的發病機制、藥物治療、診斷方法及早期診治提供了有力的依據和參考。