基于代謝組學的子癇前期的研究進展

王曉旭，劉潔穎，宋英娜*

(中國醫學科學院 北京協和醫學院 疑難重癥及罕見病國家重點實驗室 1.北京協和醫院產科中心，國家婦產疾病臨床醫學研究中心；2.北京協和醫院醫學科學研究中心，北京 100730)

子癇前期(preeclampsia，PE)是一種多系統的妊娠期并發癥，表現為妊娠后新發或進展性高血壓及腎、肝、腦、血小板等多系統異常[1]。PE是世界范圍內圍產兒死亡的主要原因之一，約占圍產兒死亡的10%～20%[2]，也是醫源性早產的主要原因之一[3]。盡管對PE已進行了幾十年的研究，但其主要病因仍不清楚。人們普遍認為，母體的PE與子宮螺旋動脈形成不良及妊娠引起的母體全身內皮功能障礙有關[4]。目前，我們對PE病因的認識還不足，缺少PE早期診斷標記物，也沒有有效的預防性治療。現有的PE生物標志物多是來源于胎盤或受損的血管內皮蛋白質等大分子物質[5]，尚需要更多的研究來證實其臨床應用價值。越來越多的學者關注到了PE疾病的代謝途徑，小分子的代謝物作為各種生物事件的終點與疾病的發生具有直接關聯。代謝物既可以作為生物標記物的潛在來源，又可以揭示疾病的代謝過程，輔助探索其發病機制，對于理解判斷PE的發病、診斷、預后具有重要意義。本文就代謝組學在PE中的研究進展進行綜述。

一、代謝組學概述

1.代謝組學概念：代謝組學是繼基因組學、轉錄組學和蛋白質組學之后新近發展起來的一門學科，與前三者共同構成系統生物學。代謝組學的概念最早由Nicholson等[6]提出，其效仿基因組學的研究基礎，利用高通量技術對生物體由病理生理改變所影響的代謝物進行定量測量，分析生物體內某一時刻所有內源性小分子物質的變化，從而判斷生物體整體狀態。代謝組學的研究對象是參與體內新陳代謝的小分子化合物的集合，研究目標通常是小分子代謝物(相對分子量≤1 000)，包括有機酸、醇類、膽堿、氨基酸、尿酸、肌酐等，研究樣本包括血液、尿液、腦脊液、體液、組織樣本等，其中較為常用的是血液和尿液。

代謝組學與基因組學、轉錄組學和蛋白質組學具有相似之處，如都是利用高通量檢測技術手段，都是從研究機體整體角度出發。此外，代謝組學具有自身的優勢：(1)從代謝物層面研究，可以更為直接反映正在發生的生物活動；(2)“瀑布效應”即當基因、蛋白水平的改變微小時，在代謝物層面的改變則會放大，因此，代謝物的改變更易于檢測和定量；(3)小分子代謝物的數量明顯少于基因的數量，因此，檢測小分子代謝物可以降低檢測難度并節約成本[7]。

2.代謝組學的分析方法：目前，代謝組學的分析方法主要是兩種，即核磁共振波譜法(NMR)和質譜法(MS)。NMR是利用原子核對射頻輻射的吸收，對各種有機和無機物的成分、結構進行定性定量的分析方法。NMR的優點是不需要或只需要簡單的樣品準備步驟(蛋白質沉淀和化學衍生化)，具有高度重復性和非破壞性的特點，NMR的缺點在于靈敏度相對較低且需要較大的樣本量[8-9]。MS利用不同物質的質量-電荷比進行定性定量分析，具有樣本量需求低、靈敏度相對較高、價格低等優點[9]。MS通常與其他分離技術聯合使用，先通過不同分離技術對樣本進行多種代謝物的提取分離純化，再進行定量測量，常見的聯用方法包括氣相色譜-質譜(GC-MS)、液相色譜-質譜(LC-MS)、毛細管電泳-質譜(CE-MS)。

二、代謝組學在發現PE分子標志物中的作用

在人體新陳代謝過程中，PE的發生可能導致代謝物的種類、濃度發生改變，使用代謝組學方法對PE患者的生物樣本(血液、尿液、乳汁、羊水、臍帶血液、組織樣本等)進行分析研究，可發現數量可觀的特征性代謝物。從代謝物的角度理解PE發生發展的病理過程，發現潛在的分子標志物，對PE的診斷、評估、治療及預后各方面具有重大意義。

1.脂類分子標志物：多項研究顯示，PE患者中脂類及其代謝物呈顯著改變[10]。Austdal等[11]研究發現，與正常孕婦相比，PE患者血清中的低密度和極低密度脂蛋白含量顯著升高，高密度脂蛋白水平顯著降低。Liu等[12]研究發現，PE患者血漿中花生四烯酸代謝物顯著升高，而細胞色素P450代謝物顯著減少。Sander等[13]研究發現，PE患者血漿中二酰基甘油、甘油磷酸肌醇顯著增多。Jain等[14]研究發現，PE患者胎盤中脂肪酸(主要為花生四烯酸)濃度顯著升高。Dunn等[15]研究發現，PE患者陰道分娩的的胎盤組織中有13種代謝物含量顯著下降，主要包括酰基甘油、磷脂、脂肪酸、異戊二烯類和類固醇有關的代謝物。

PE患者中除脂類及其代謝物外，部分膽堿、肉堿類的代謝物的含量也發生了改變，這些代謝物主要參與脂質的轉運過程。Tan等[16]研究發現，PE患者血清中溶血磷脂酰膽堿、棕櫚酸含量顯著升高，1，25-二羥基維生素D3-26，23-內酯含量顯著降低，他們主要參與脂類、氨基酸和磷酸鈣的代謝。Chen等[17]分析孕晚期PE患者及正常孕婦的代謝物差異發現，PE患者血清中溶血磷脂酰膽堿、脯氨酸甜菜堿顯著降低，6種甘油磷酰膽堿顯著升高。He等[18]針對PE孕婦脂質代謝物的研究也有相似發現。因此，膽堿類代謝物可以作為PE診斷的潛在標志物。

2.氨基酸類分子標志物：PE患者中多種氨基酸(如丙氨酸、谷氨酸、牛磺酸等)呈顯著差異，并且多種參與氨基酸相關代謝過程的代謝物也有改變。Austdal等[11]對PE患者尿液進行代謝組學分析發現，包括甘氨酸、丙氨酸、組氨酸在內的多種氨基酸代謝物含量顯著降低。Kenny等[19]研究發現，PE患者血漿中多種代謝物存在顯著差異，包括氨基酸(丙氨酸、谷氨酸等)、參與氨基酸代謝的代謝物(2-羥基-3-甲基丁酸、2-乙基-3-羥丙基酸、肌酸酐等)及其他代謝物(酮戊二酸、木糖醇、尿酸等)，以上代謝物可能參與氨基酸、嘌呤、葡萄糖醛酸的代謝。牛磺酸是一種重要的氨基酸，既往研究表明，牛磺酸具有降壓和血管保護作用[20]，牛磺酸代謝的改變對胎盤的物質交換和營養供給有重要作用。Austdal等[21]研究發現，與正常妊娠婦女相比，PE患者妊娠胎盤組織中牛磺酸、乙醇胺、谷氨酸水平均顯著降低，提示胎盤組織中的牛磺酸代謝、磷脂代謝、膽汁酸代謝發生改變。Mukherjee等[22]比較早發型PE患者和晚發型PE患者血清代謝組學特征發現，其中如谷氨酸、膽堿、丙氨酸、乳酸等多種代謝物存在顯著差異，谷氨酸和丙氨酸共同參與牛磺酸的代謝過程。

3.嘌呤類分子標志物：Senyavina等[23]研究發現，PE患者血清中嘌呤代謝的中間產物次黃嘌呤水平顯著下降，而黃嘌呤、尿酸水平顯著上升。PE患者部分參與嘌呤代謝的代謝物濃度也發生了改變。Austdal等[11]研究發現，PE患者尿液中甘氨酸含量顯著減低。Kenny等[19]研究發現，PE患者的尿酸含量顯著增高，嘌呤的分解水平增高。PE患者可能存在增強的嘌呤核苷酸分解代謝途徑，使尿酸從細胞中釋放并在血液中積累。胎盤是妊娠期嘌呤的重要來源之一，有研究發現，PE的發病與胎盤的灌注不足有關，在胎盤缺氧條件下，嘌呤核苷酸降解增加[24]，因此，胎盤的缺血和滋養層脫落可能導致了繼發的尿酸生產增多[25]，從而使部分PE患者出現高尿酸血癥。

三、代謝組學在預測PE中的作用

在臨床實踐中，妊娠早、中期對PE發病的風險評估和有效預測，可以為必要的干預措施(如阿司匹林的預防性應用)取得治療空間，因此，多項研究致力于發掘妊娠期的血液代謝組學特征，以期構建有效的預測模型。多項前瞻性研究發現，妊娠早期的代謝物對PE的發生有良好的預測性。Kuc等[26]研究發現，牛磺酸和天門冬酰胺可以預測早發型PE，甘氨酸可以預測晚發型PE。Odibo等[27]篩選出羥基己酰基肉堿、苯丙氨酸、谷氨酸和丙氨酸4種血清代謝物構建預測模型，該預測模型的敏感性為50%、特異性為80%、準確度為82.3%。Koster等[28]結合孕早期血清代謝組學結果與胎盤生長因子(PLGF)建立預測模型，該模型對預測早發型PE的敏感性為69%、特異性為90%、準確度為78.4%；對預測晚發型PE的敏感性為32%、特異性為90%、準確度為70%。研究發現，相比于單一地應用代謝物建模，代謝物與母體生物學及臨床特征相結合建模，可表現出更良好的預測性。Bahado-Singh等[29-30]研究發現，對于晚發型PE患者，僅納入血漿代謝特征(甘油、肉堿、甲基組氨酸和丙酮等)建立PE的預測模型的準確性為79%，當血漿代謝特征與孕婦生物學信息(如體重等)結合后建立PE的預測模型，其準確性可提至96%；對早發型PE患者，僅納入代謝特征(膽堿、甘油、琥珀酸)建立的預測模型的準確性為90.4%，當代謝特征與子宮血流超聲相關數據結合后建立的預測模型的準確性為98%。研究發現，妊娠中期PE患者中的某些代謝物可以預測PE。Kenny等[31]利用妊娠中期的血漿代謝特征構建預測模型的敏感性為77%、特異性為90%、準確度為94%。Lee等[32]利用妊娠中期血漿差異代謝物對PE的預測效能為0.868，診斷能力與可溶性Fms樣酪氨酸激酶受體1(soluble Fms-like tyrosine kinase-1，sFlt-1)和PLGF比值相當。

代謝組學對PE的預測性不僅局限于妊娠早中期，即使到了妊娠晚期，相關代謝物仍能對發病時間在妊娠37周后PE的發生起到一定的預測作用。Sovio等[33]一項隊列研究發現，在妊娠36周時，血清代謝物(4-羥基谷氨酸、c-糖基色氨酸)聯合sFlt-1/PLGF對于預測在足月妊娠后發病的PE的準確性可達到84.8%。Bahado-Singh等[34]將血清學的早孕期代謝物(鞘磷脂C18：1和尿素)和晚孕期代謝物(己糖和檸檬酸)聯合建立預測模型，其準確性為81.7%、敏感性81.6%、特異性71.0%。

另一方面，PE對母兒健康的影響是持續至分娩后的，代謝組學對于評估PE新生兒有一定作用。J??skel?inen等[35]研究發現，PE新生兒臍帶血漿中4-吡哆酸的水平顯著降低，尿素、肌酸、肉堿等臍帶血中的代謝物含量顯著增高，說明PE對新生兒的代謝也產生了一定影響。Bardanzellu等[36]研究發現，PE患者產后3 d母乳中代謝物與正常孕婦比較無顯著差異，但在6個月后，正常妊娠產婦母乳中乳糖、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、磷膽堿和甘油磷膽堿的濃度顯著增加，而PE妊娠產婦母乳中僅糖磷膽堿顯著升高，乳糖和一些氨基酸濃度無顯著變化，這表明PE孕婦的新生兒在母乳喂養過程中存在營養物質攝入不足的問題，存在潛在的生長發育風險。代謝組學在新生兒及母乳中的相關研究進展，對于研究PE對胎兒、新生兒產生的影響以及新生兒的出生后管理提供了新的角度與方向。

四、代謝組學在PE發病機制中的作用

既往代謝組學研究多集中在小分子物質的改變上，涉及代謝物和內在機制的聯系的研究仍比較有限。Zhou等[37]研究發現，線粒體功能異常在PE發病中有重要影響，PE的女性胎盤存在包括線粒體融合、自噬、合成的蛋白水平下調，從而影響線粒體代謝酶的內在活性，造成胎盤線粒體的氧化供能障礙，表現為以ω-3和ω-6等脂肪酸為主的代謝物異常。Yang等[38]研究發現，PE患者妊娠后胎盤的中鏈脂肪酸的減少，脂肪酸代謝水平增強，同時PE胎盤中AMPK-ACC信號通路出現過度激活，并負調控滋養層侵襲性，導致PE胎盤的缺血缺氧改變，異常脂肪酸代謝是對該變化的在供能方面的適應性改變。一直以來，氧化應激被認為是參與PE發病機制的重要因素。Kawasaki等[39]研究發現，PE胎盤中下降的谷胱甘肽代謝加重了PE胎盤的氧化應激水平，硫酸鎂能夠通過抑制氧化應激反應改善谷胱甘肽代謝，這可能也是硫酸鎂治療PE的重要分子機制。

既往對PE發病機制的研究多集中在DNA或RNA層面，但上述研究提示代謝組學可以與細胞功能、信號傳導及氧化應激形成關聯，從而反映PE發病的綜合分子機制。代謝物有助于深層次地理解PE發病過程，為我們研究PE發病的微觀機制提供新的角度。

綜上所述，代謝組學作為一門新興學科，在PE有價值的診斷及預測、分子標記物的篩選、PE發病機制研究等方面具有廣闊的研究前景和良好的應用前景。但同時，代謝組學在PE中尚缺乏相對深入的研究，通過代謝組學手段篩選出的代謝物數量龐大，范圍廣泛，缺乏交叉性，仍然需要進一步的研究及驗證。