基于代謝組學的多囊卵巢綜合征研究進展

楊欣，曹金龍，李曉鳳，陶麗梅，王芳

(蘭州大學第二醫院，蘭州 730030)

多囊卵巢綜合征(PCOS)是一種最常見的異質性內分泌代謝紊亂性疾病，發病率逐年升高，在全球影響著約5%～20%育齡期女性的身心健康。其主要內分泌代謝特征是雄激素增多、胰島素抵抗(Insulin resistance，IR)及代償性高胰島素血癥、肥胖及脂質代謝紊亂和低度慢性炎癥，長期發展可導致糖尿病、免疫系統紊亂、心血管系統疾病和婦科腫瘤的發病率升高[1-2]。PCOS的病因復雜，同時受到遺傳、環境和生活方式的影響，涉及多系統、多部位、多種病變，它們之間相關影響，形成惡性循環，目前發病機制仍未完全明確，給臨床治療提出了巨大的挑戰[3]。代謝組學是繼基因組學與蛋白質組學后而發展起來的，直接與遺傳、環境等因素相關并受其影響，與前二者相比，代謝組學具有一個很明顯的優勢，即清晰的揭示了某種疾病狀態下機體確切發生的代謝改變，明確了疾病狀態下機體的生物標志物，為臨床的診斷及治療提供了新方向[4]。近年來，代謝組學在PCOS及其相關的多種代謝紊亂現象中均有研究。本文就代謝組學在PCOS中的應用現狀及研究進展做一綜述，旨在加深對PCOS的認識與理解。

一、代謝組學概述

疾病的發生與轉歸是實時改變的，尤其對于分泌代謝性疾病，基因水平及蛋白質水平已不能充分揭示發病機制。隨著先進分析技術和生物信息學的不斷發展，代謝組學應運而生，作為一種全新的整體診斷工具在臨床和生物醫學研究中廣泛的應用，通過定性、定量檢測某種病理生理狀態下生物樣本中的小分子物質，準確反映疾病當前狀態的生物代謝特點，有利于了解疾病進展中的病理生理過程，尋找疾病新的診斷及預后生物標志物，為臨床治療提供新思路[5]。目前，代謝組學技術主要包括核磁共振法(Nuclear magnetic resonance，NMR)、液相色譜-質譜法(Liquid chromatography-mass spectrometer，LC-MS)及氣相色譜-質譜法(Gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)，不同的技術方法各有特點。其中NMR最大的優點是可以保留樣本的完整性且具有良好的客觀性，但其靈敏度偏低、分辨率差，以至于常常高豐度的分析物掩蓋低豐度分析物；LC-MC適用于大分子、不易揮發的代謝物，樣本為臨床常見的血液、尿液等，具有較高的靈敏度和分辨率；GC-MS適用于小分子、易揮發的代謝物，靈敏度和分辨率同LC-MC，但因檢測樣本為易揮發物質，因此處理時易使代謝物變性，導致檢測結果準確性減低[6-8]。

二、代謝組學在PCOS不同表型中的應用

1.PCOS高雄激素血癥：高雄激素的生化指標或臨床表現是PCOS的診斷標準之一，同時高雄激素狀態會促進PCOS患者IR、肥胖及慢性炎癥等的發展。此外，PCOS患者孕期母體持續存在的高雄激素狀態可能使子代產生類似的內分泌代謝紊亂，這也是PCOS患病率持續增長的一個重要原因。因此控制PCOS患者高雄激素的發展，有可能逐漸降低PCOS的發病率[9]。最近一項基于GC-MS分析顯示，PCOS伴高雄激素血癥患者與健康育齡期女性相比，其棕櫚油酸、亞油酸、檸檬酸、天冬氨酸等水平增加，而蘇氨酸、肌醇、3-羥基丁酸、異亮氨酸等水平下降，這些代謝物涉及丙氨酸、天冬氨酸等的代謝及纈氨酸、亮氨酸的生物合成和檸檬酸循環[10]；其中亞油酸可影響卵母細胞成熟、抑制卵母細胞的發育潛能，這從另一角度揭示了PCOS伴高雄激素血癥患者排卵障礙可能的機制，也提示通過補充亞油酸有可能改善PCOS高雄激素狀態，促進排卵。PCOS伴高雄激素血癥患者與PCOS伴胰島素抵抗患者相比，其乳酸、苯丙氨酸、棕櫚油酸和膽固醇等升高，而蘇氨酸水平下降[10]，其中乳酸水平增加可通過糖異生途徑在肝臟生成葡萄糖，進而揭示PCOS高雄激素血癥促進IR的可能潛在機制。因此，適當運動、控制乳酸水平可有效降低PCOS患者雄激素水平、改善IR。

2.PCOS胰島素抵抗：IR作為PCOS代謝紊亂中最重要的改變，約占PCOS患者的50%～70%，同時IR促進高雄激素血癥的發生，加重PCOS患者高雄激素狀態，影響卵巢功能，并促進PCOS患者子宮內膜病變，增加PCOS患者遠期并發子宮內膜病變的風險[11-12]。基于LC-MS顯示，PCOS伴高胰島素血癥患者其游離脂肪酸及磷脂膽堿水平高于PCOS胰島素水平正常患者，然而其溶血磷脂酰膽堿水平卻顯著下降。研究表明，溶血磷脂酰膽堿有抑制炎癥反應、改善氧化應激等作用，其表達水平在PCOS伴高胰島素患者當中下降，提示該部分PCOS患者機體炎癥反應及氧化應激狀態更顯著[13]。而機體溶血磷脂酰膽堿主要由磷脂酶A2作用合成，這從另一方面提示改善PCOS患者體內磷脂酶A2活性升高可改善PCOS患者的IR、高胰島素水平及炎癥反應、氧化應激狀態。另有研究者基于代謝組學分析了PCOS胰島素抵抗、PCOS非胰島素抵抗與正常人群代謝后發現：高甘油三酯及脂肪酸作為PCOS胰島素抵抗生物標志物，而癸酰基肉堿可作為PCOS非胰島素抵抗的生物標志物[14]，這項研究首次采用代謝組學方法精準區別PCOS胰島素抵抗與PCOS非胰島素抵抗的代謝差異。此外，在硫酸脫氫表雄酮誘導的PCOS大鼠中，其骨骼肌IR的發生主要與線粒體損傷相關，而非脂質積聚[15]，提示PCOS患者的IR產生原因在于機體能量代謝紊亂，脂代謝紊亂可能僅為PCOS患者的另一表現，而與IR發生關系甚微。

3.PCOS肥胖及脂代謝紊亂：眾所周知，脂肪組織不單是儲能器官，而且具有極其重要的內分泌功能，參與PCOS患者IR及高胰島素血癥、低度慢性炎癥的發病和遠期心血管系統病變的進展，也因此控制體重成了治療PCOS的一線措施[16]。PCOS患者脂代謝組學顯示：相對于對照組，PCOS患者甘油三酯、膽甾烷-3β，5α，6β-三醇、5α-膽甾烷、月桂二烯酰肉堿均顯著升高，而甘油二酯、磷酸膽堿水平卻有下降趨勢[17]，其中月桂二烯酰肉堿水平的升高有對抗磷酸膽堿水平下降的作用，提示PCOS患者的脂代謝異常可能與脂質過氧化物作用相關。此外，脂質過氧化物沉積是鐵死亡(Ferroptosis)一個重要特點，鐵死亡參與生物體多種代謝改變、炎癥反應及腫瘤發生[18]，而PCOS患者體內往往伴隨著多種代謝改變、低度慢性炎癥，并且PCOS患者遠期罹患腫瘤如子宮內膜癌風險是顯著增加的，推測鐵死亡可能與PCOS發病機制相關，但目前國內外尚無研究，值得后續探索。

三、代謝組學在PCOS不同代謝物中的應用

1.血清：采用 GC-MS分析PCOS患者血清，結果顯示PCOS的特征改變是氨基酸、碳水化合物、類固醇激素、脂質和嘌呤代謝紊亂，其中總膽固醇、尿酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和蘇氨酸改變最為顯著。此外已有研究證實，健康育齡期女性體內高尿酸水平會導致無排卵機率增加、心血管疾病風險增高[19]。據此推測，尿酸水平的升高可能與PCOS的排卵功能障礙有關，這從另一角度闡明了PCOS排卵障礙的機制。此外，在心肌細胞中，高尿酸可導致心肌細胞胰島素抵抗、糖代謝受抑制[20]，這可能是PCOS患者并發遠期心血管疾病的原因。因此，控制PCOS患者尿酸水平，可能會降低PCOS遠期并發心血管疾病風險。基于LC-MC對PCOS患者血清分析顯示[21]：PCOS患者代謝異常主要集中在脂質代謝、肉堿代謝、雄激素代謝及膽汁酸代謝，在該研究中，PCOS患者血清膽汁酸水平下降是不同于以往的新發現，這可能是PCOS患者脂代謝異常的病因；此外，膽汁酸的代謝異常可能是PCOS患者的糖代謝紊亂及遠期并發糖尿病風險增高的另一潛在病因。

2.尿液：采用GC-MS分析PCOS患者尿液顯示，PCOS尿液代謝物主要集中在短鏈脂肪酸、游離脂肪酸、氨基酸和其他等4類，其中除琥珀酸水平下降外，其余代謝物均上升[22]，琥珀酸水平的改變與卵泡液中相一致；此外有研究表明，琥珀酸作為三羧酸循環的重要中間物，與琥珀酸受體相結合，可改善糖尿病患者的骨代謝紊亂[23]。因此，我們推測，PCOS患者在低水平琥珀酸情況下，遠期并發骨質疏松、骨折等風險增高。采用LC-MC分析顯示，PCOS尿液中顯著改變的代謝物為芳香雜環化合物、氨基酸和肽、脂類及其他等4類，其中大部分芳香雜環化合物含量是下降的(尤其是尿膽素)，而氨基酸和肽類表達則升高(尤其是苯丙氨酸)；此外，該研究還發現了2種新的PCOS尿液生物標志物：葡萄糖醛酸睪酮和11α-羥孕酮[24]。與血睪酮不同的是，尿睪酮已為最終代謝產物，不會再發生其他的代謝改變，因此尿睪酮可用來評價雄性激素發生確切變化。

3.卵泡液：有研究者對PCOS患者與正常人群卵泡液進行了代謝組學分析，結果顯示，PCOS患者卵泡液中顯著升高的有脂肪酸、3-羥基壬基肉堿、20-碳五烯酸及甾體激素、去氧皮質酮、苯丙氨酸和亮氨酸，而生物活性脂類、溶血磷脂酰膽堿、植物堿及溶血蛋白則顯著降低[25]，其中苯丙氨酸和亮氨酸這兩種功能氨基酸在控制胰腺分泌及激活雷帕霉素靶蛋白受體上有重要作用。此外，有研究發現，維生素B6代謝相關代謝物在PCOS卵泡液中顯著改變[26]。維生素B6的代謝在糖原和氨基代謝的途徑中起作用，并參與神經遞質的合成，這同時揭示了PCOS糖代謝紊亂的另一潛在途徑。另有研究者基于NMR發現[27]，在眾多不孕患者當中，有PCOS疾病的患者卵泡液與正常對照組卵泡液有顯著差異，主要表現為乙酸、β-羥基丁酸、亮氨酸、蘇氨酸和乳酸水平下降，葡萄糖、肌酸和甘油的水平上升，而這些改變大多與卵泡液內能量代謝相關，提示異常的能量代謝可能干擾卵泡功能、影響卵母細胞成熟、降低PCOS患者妊娠率、增加不孕率。

四、代謝組學在PCOS療效評價方面的應用

有研究者將抗雄激素藥物氟他胺及治療糖尿病藥物吡格列酮、二甲雙胍聯合應用于PCOS，并對治療前后PCOS患者進行代謝組學分析，結果顯示：PCOS患者血清中氧化的LDL及其下游代謝氧化產物，例如壬二酸和戊二酸均顯著下降；除此以外，治療后PCOS患者頸動脈內膜中層厚度也在減少[28]，提示該治療方法可顯著改善PCOS患者氧化應激狀態，降低PCOS患者遠期并發心血管疾病的風險。肌醇作為治療PCOS一種新型藥物，可以顯著改善PCOS患者多種代謝異常。代謝組學顯示，肌醇治療后，PCOS患者當中3-甲基-1-羥基丁基-二磷酸硫胺、纈氨酸、苯丙氨酸顯著增高，而異癸酮酸、亞油酸、乳酸、棕櫚酸及血糖由高水平逐漸下降[29-30]，這些代謝物顯著改變揭示了肌醇對PCOS患者IR及脂代謝紊亂改善的代謝機制。Lu等[13]基于LC-MS分析我國傳統中藥補腎化痰方對PCOS患者應用效果時顯示：在補腎化痰方治療后，PCOS患者除脂代謝明顯改善之外，其血清甘油磷酸乙醇胺、肌酸水平顯著下降，降低的肌酸水平可減少胰島素分泌，改善PCOS患者IR；此外，在高胰島素血癥患者中，另有賴氨酸、硫酸苯酚、苯丙氨酸水平下降及鳥氨酸、脯氨酸、甜菜堿、乙酰膽堿水平上升，其中甜菜堿水平的升高可降低高同型半胱氨酸血癥，尿素循環中鳥氨酸水平的升高可降低精氨酸/鳥氨酸比值，共同參與心血管保護、改善抗氧化狀態；最后，補腎化痰方還有降低PCOS患者炎癥反應的作用，進而揭示了中醫藥治療PCOS的潛在機制，從另一角度也說明中藥補腎化痰方可以降低PCOS遠期并發癥發生率。

五、總結與展望

迄今為止，代謝組學技術蓬勃發展，應用廣泛，為醫學領域的發展做出了突出貢獻。但是，代謝組學技術也存在一定的不足與挑戰。首先，許多組織標本在離體后代謝成分很快發生改變，也因此針對不同的標本，有不同的提取和處理方法：如血清標本，應含EDTA抗凝管中，混勻后離心，并迅速轉移，-80℃凍存；尿液標本，應取晨起中段尿，多管分裝，迅速-80℃凍存。其次，代謝組學分析技術的不同，各種分析技術各有優劣，其結果及其側重點可能不同。再次，代謝組學得到的數據復雜多樣，這就要求我們在數據處理上嚴謹細致。最后，就目前基于代謝組學對PCOS的研究而言，整體樣本量偏少。因而后續的研究應在擴大樣本量的基礎上，嚴格設計實驗方案、尋找最佳的實驗樣本和代謝組學技術，以期達到對PCOS的早期準確診斷，采取有效的治療方案，預防PCOS遠期并發癥發生。