多囊卵巢綜合征患者卵泡液代謝組學的研究進展

余佳月，尹太郎，楊菁

(武漢大學人民醫院生殖醫學中心,湖北省輔助生殖與胚胎發育醫學臨床研究中心,武漢 430060)

多囊卵巢綜合征(PCOS)是一種女性常見的內分泌疾病,流行病學調查顯示育齡期女性發病率為5%～18%[1]。臨床上主要表現為月經失調、不孕、肥胖、多毛、痤瘡,遠期可能發生糖尿病、心血管疾病、子宮內膜癌等,但其發病機制和分子基礎仍不明確,可能與遺傳因素、環境因素、生活方式等有關[2]。目前PCOS治療以干預生活方式、改善胰島素抵抗(IR)、調節月經周期等為主,對于育齡期有生育需求的PCOS女性可使用促排卵藥物或采用輔助生殖技術(ART)等,但目前治療效果尚不理想,且接受ART的患者可能會出現卵母細胞質量下降、卵巢過度刺激綜合征以及卵泡液代謝模式改變等問題。PCOS患者妊娠結局表現為MⅡ期卵母細胞數、卵裂率、受精率、囊胚轉化率降低,而流產率增加[3-4]。卵泡液是卵母細胞生長、卵泡成熟和生殖細胞與體細胞相互聯系需要的復雜微環境,卵泡液中代謝物的改變會影響卵母細胞質量及胚胎發育。代謝組學是“組學”領域中的一個相對較新的子領域,它主要研究的是小分子代謝物的種類和濃度。近年來,代謝組學已被應用于PCOS的診斷和治療,為PCOS的發病機制和生物標志物的識別提供了新見解。本文就PCOS患者卵泡液代謝組學的研究進展做一綜述。

一、卵泡液概述

卵泡液主要來自于顆粒細胞、膜細胞、卵母細胞產生的分泌物和通過鞘膜毛細血管轉移的血漿成分,由蛋白質、類固醇和多糖組成,是卵母細胞的生長、成熟和排出必不可少的微環境。研究表明,卵泡液中蛋白質、甘油磷脂類和microRNA的水平與卵母細胞質量和妊娠結局有關[5-7]。PCOS患者缺乏高質量成熟卵母細胞可能是由于異常卵泡液代謝物和卵巢局部自分泌旁分泌調控機制所引起。與其他生物樣本相比,卵泡液的某些生化特征更容易影響卵母細胞質量和胚胎發育。由于卵泡液是在取卵過程中收集的,所以可以作為一種非侵入性基質,已成為研究PCOS的重要信息來源。

二、PCOS患者代謝組學特征

代謝組學是指用高通量檢測方法對特定條件和時間下所有小分子代謝物進行定性定量分析,從而發現生物體對內外環境變化做出的相應應答以及產生的整體代謝改變。與其他組學相比,代謝組學能更加真實地反映生物系統正在發生的事件。PCOS是一種復雜和多系統的代謝性疾病,PCOS患者臨床上除有月經稀發、排卵功能障礙外,還常伴有其他代謝異常表現,如高雄激素血癥、胰島素抵抗、血脂異常、糖代謝異常等[8]。目前已將代謝組學技術應用于PCOS研究中,發現PCOS患者存在多條代謝途徑紊亂,如脂質、氨基酸、碳水化合物、嘌呤代謝等。代謝組學研究表明PCOS患者通常有糖酵解途徑增強、脂質代謝上調、特定氨基酸水平升高等改變,這些小分子代謝物的改變均會影響PCOS患者病情進展。通過核磁共振(NMR)、液相色譜-質譜(LC-MS)和氣相色譜-質譜(GC-MS)等技術檢測各類生物樣本代謝物,了解PCOS疾病狀態和發現新的生物標記物以便優化患者的妊娠結局。

三、PCOS患者卵泡液代謝物研究進展概述

(一)葡萄糖

葡萄糖為卵母細胞的成熟、受精及胚胎發育過程提供能量,PCOS患者的代謝紊亂會引起卵泡液中葡萄糖水平的變化。PCOS患者卵巢糖代謝特點表現為卵母細胞的葡萄糖消耗和攝取降低、卵泡液糖酵解途徑增強、顆粒細胞內葡萄糖代謝減弱。

卵丘細胞和卵母細胞共同參與葡萄糖的有氧氧化,此過程產生的能量在卵泡生長發育過程中必不可少,而PCOS患者由于葡萄糖轉運蛋白(GLUT)向顆粒細胞轉位受阻導致葡萄糖利用率降低[9]。Castiglione等[10]使用NMR波譜在PCOS患者卵泡液中檢測到葡萄糖含量增加,葡萄糖濃度與受精率和卵裂率呈負相關。Zhao等[11]研究發現PCOS患者卵泡液中丙酮酸、琥珀酸、草酰乙酸、蘋果酸水平增高,乳酸和順式烏頭酸水平降低,其中琥珀酸增加使卵丘細胞中線粒體生成減少和炎癥反應增強,最終導致卵母細胞生長發育受損。

糖酵解及其產物在卵母細胞發育中發揮重要作用。乳酸是糖無氧酵解途徑的終產物,由丙酮酸轉化而成,二者關系密切。卵母細胞發育、受精以及著床過程需要大量能量,而PCOS患者由于GLUT表達異常和轉位受阻影響葡萄糖利用,因此提供給卵母細胞的能量主要來源于乳酸和丙酮酸[10]。在典型PCOS患者卵泡液中,糖酵解產物乳酸含量顯著降低。Zhang等[12]發現丙酮酸在PCOS患者卵泡液中含量顯著下降,而其他研究得到了相反的結果[13]。PCOS患者還存在卵丘細胞線粒體功能障礙、氧化還原電位失衡和氧化應激增加,這些變化會阻礙線粒體新陳代謝,并增強糖酵解來補償能量供應。在體外培養豬卵母細胞過程中,丙酮酸通過促進人類合子基因組激活(ZGA)和降低氧化應激水平來影響早期胚胎發育[14]。PCOS患者有丙酮酸含量降低和高氧化應激水平,因此PCOS患者中的丙酮酸是否通過ZGA影響胚胎發育值得關注。目前PCOS糖代謝中的代謝物表現不一,糖代謝紊亂會對卵母細胞成熟和胚胎發育產生不良影響,但具體機制尚不明確,還需進一步研究。

(二)脂類

1.脂肪酸類:PCOS患者糖利用下降,脂質代謝代償性上調,卵泡液中脂質代謝物改變會影響卵母細胞成熟以及后續胚胎生長發育[15-16]。脂肪酸類代謝物種類眾多,其中包括游離脂肪酸(FAA)、硬脂酸、油酸、棕櫚酸、花生四烯酸等。Ding等[16]研究發現與正常女性組相比,PCOS患者中肥胖組、胰島素抵抗(IR)組和高雄激素血癥(HA)組的總FAA水平均顯著升高,其中FAA(14∶1)水平升高會損害卵泡發育和卵母細胞成熟,從而影響優質胚胎率。油酸和硬脂酸濃度也與卵母細胞發育能力有關,這可能是PCOS女性妊娠率降低的原因。Feng等[15]發現非肥胖PCOS女性的硬脂酸水平降低;而其他研究顯示,PCOS患者硬脂酸水平上調[9,17-18]。PCOS患者卵泡液中油酸水平顯著增加,且油酸與胚胎碎片指數呈正相關[9,17]。油酸通過激活ERK1/2信號通路和抑制AMPK信號通路,誘導卵巢顆粒細胞產生炎癥反應,這可能是PCOS的發生機制[17]。多項研究發現PCOS患者卵泡液中棕櫚酸水平上升,伴有IR的PCOS患者卵泡液中的棕櫚酸和十五烷酸含量高于非胰島素抵抗(NIR)的PCOS患者[9,17-18]。Kobayashi等[19]用動物實驗證明在PCOS發展過程中,棕櫚酸通過ROS/p38和JNK信號通路誘導細胞色素P17A1和PAI-1基因表達上調以及雄激素生成途徑參與卵泡膜細胞自噬過程。花生四烯酸及其衍生代謝物在生育能力和病理妊娠過程中均發揮著重要作用[20-21]。有研究表明,PCOS患者卵泡液中花生四烯酸含量顯著增加,IR和HA通過環氧合酶-2(COX-2)途徑促進花生四烯酸代謝[17,22]。前列腺素(PG)作為花生四烯酸的衍生代謝物在女性生育能力中起著關鍵作用[15,22-23]。PCOS患者卵泡液中前列腺素E2(PGE2)、前列腺素F2α(PGF2α)、前列腺素J2(PGJ2)、前列腺素D2(PGD2)和血栓素B2(TXB2)顯著高于正常女性(P<0.05),其中PGE2、PGF2α、PGJ2和TXB2與獲卵數、MⅡ期卵母細胞數、雙原核卵母細胞數呈正相關,PGE2和PGJ2與優質胚胎率呈負相關[15]。Gongadashetti等[23]發現PCOS流產患者卵泡液中8-異構前列腺素(8-IP)顯著升高(P<0.05),8-IP可以作為PCOS婦女妊娠丟失的重要標志物。

除以上脂肪酸外,在PCOS患者卵泡液中還發現了其他類別脂肪酸異常。研究表明伴有IR的PCOS患者卵泡液中芥子酸含量降低,說明IR會影響PCOS患者脂質代謝[18]。Castiglione等[10]基于NMR發現β-羥基丁酸水平顯著降低。而另一項研究發現PCOS患者卵泡液中乙酰乙酸和β-羥基丁酸水平升高,且兩種代謝物與受精率呈正相關[12]。

2.甘油磷脂類:甘油磷脂是細胞膜主要成分和重要的信號分子,PCOS患者卵泡液中一系列甘油磷脂類均發生了顯著變化[4,16,24]。Ban等[4]發現正常體重PCOS患者卵泡液中盡管不同結構式的磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰肌醇(PI)含量增高,但總PE和總PI水平沒有顯著差異。Liu等[24]發現PCOS患者磷脂酰膽堿(PC)水平顯著降低,卵泡液中PC含量與LH/FSH比值呈正相關,人卵丘細胞中PC含量與LH有關,這意味著PC可能通過LH影響卵母細胞發育。Ding等[16]研究表明PCOS患者卵泡液中溶血磷脂酰甘油(LPG)下降,其中LPG(18∶0)含量與優質胚胎率呈正相關。與對照組相比,PCOS患者的溶血磷脂酸(LPA)顯著降低,其中LPA[18∶1(9Z)/0∶0]是預測PCOS患者活產率和分娩率的良好指標[6,24]。LPA可通過激活ERK1/2通路改善未成熟卵母細胞體外成熟(IVM)中的卵母細胞質量[25]。

3.鞘脂類:鞘脂及其代謝產物是一類重要的信號分子,通過調節能量代謝、細胞增殖、細胞凋亡和類固醇激素合成來維持卵泡和卵母細胞生長發育[24,26]。神經酰胺(Cer)是通過鞘磷脂水解或更復雜的鞘脂代謝生成的。有研究發現Cer在PCOS患者卵泡液中增加,其中伴有IR和肥胖PCOS患者的Cer水平顯著高于正常女性(P<0.05),而在伴有HA的PCOS女性中沒有統計學差異,表明Cer與肥胖和IR有關,而不受睪酮影響,此研究還發現Cer(36∶1)、Cer(38∶1)、Cer(38∶2)、Cer(40∶2)均與優質胚胎率呈負相關[16]。其他研究也表明在PCOS患者體外受精(IVF)過程中,鞘脂代謝和鞘磷脂生物合成異常與雙原核(2PN)受精率密切相關,并認為鞘脂通過影響促性腺激素分泌來改變卵母細胞的發育潛力[24]。

4.固醇脂類:類固醇主要包括固醇類、膽汁酸和類固醇激素等,不同的類固醇有不同的作用,卵泡液中類固醇在調節卵泡生成和卵母細胞成熟方面起著至關重要的作用[3,27]。Chen等[28]發現PCOS女性卵泡液中7β-羥基膽固醇(7β-OHCH)含量降低。7β-OHCH水平異常可誘發氧化應激和脂肪酸代謝功能障礙,從而影響卵母細胞生長[29]。Yang等[30]研究發現在PCOS患者卵泡液中,甘膽酸(GC3A)、牛磺膽酸(TCA)、甘氨鵝脫氧膽酸(GCDCA)和鵝去氧膽酸-3-β-d-葡萄糖醛(CDCA-3Gln)水平上升,并發現GCDCA與FSH和LH呈正相關,CDCA-3Gln的水平也隨著竇卵泡計數的增加而上升,表明膽汁酸代謝與排卵障礙和卵巢儲備有關。肝受體同系物-1(LRH-1)作為膽汁酸代謝的重要組成部分,在性腺發育和排卵過程中發揮作用,有研究發現PCOS患者顆粒細胞中LRH-1表達增高[31]。所有證據表明,膽汁酸代謝在PCOS患者的卵泡發育和卵巢功能中發揮重要作用。PCOS患者通常有類固醇激素代謝紊亂,其中HA在PCOS的發病機制中起核心作用。與正常女性比較,PCOS患者的卵泡液常表現為雄激素升高,而孕酮水平降低[3,27,32]。HA會嚴重影響PCOS患者的體征和代謝,也是引起PCOS患者排卵障礙的主要原因[33],PCOS女性卵泡液中過高的雄激素主要來源于卵巢[32]。Ge等[34]研究表明,與非高雄激素血癥(NHA)的PCOS女性比較,伴有HA的PCOS女性卵泡液中雄烯二酮、總睪酮、二氫睪酮水平升高(P<0.05),3β-羥基類固醇脫氫酶Ⅱ型(3β-HSD2)和17β-羥類固醇脫氫酶3型(17β-HSD3)活性增強而5α-還原酶活性降低(P<0.05),并且發現LH/FSH比值與類固醇水平和酶活性具有相關性。Yu等[3]檢測到多種類固醇激素,與對照組相比,PCOS患者卵泡液中雌三醇、雌二醇和孕烯醇酮水平顯著升高而孕酮水平降低,外泌體中細胞色素P450家族成員11A1(CYP11A1)、細胞色素P450家族成員19A1(CYP19A1)和17-β-羥基類固醇脫氫酶1(HSD17B1)的mRNA水平與類固醇激素變化有相關性,其中CYP11A1和HSD17B1表達水平與優質胚胎率呈負相關,這表明類固醇激素通過改變外泌體中HSD17B1、CYP19A1和CYP11A1的表達影響PCOS患者的卵泡發育。

(三)氨基酸

1.芳香族氨基酸類:卵泡液中氨基酸變化會影響代謝途徑中的重要信號分子、受體和酶活性,進而影響后續卵母細胞質量以及受精過程[6,35]。Hou等[35]研究發現在非肥胖和NIR的PCOS患者卵泡液中L-色氨酸和L-酪氨酸含量增加且與血清睪酮和雄烯二酮水平呈正相關,認為氨基酸代謝可以彌補TCA功能的不足。PCOS患者可通過激活色氨酸-犬尿氨酸途徑引起中樞神經系統的炎癥反應并改變神經內分泌功能[36]。此外,Sun等[37]發現PCOS女性卵泡中苯丙氨酸上調;苯丙氨酸代謝不僅對卵母細胞的生長發育至關重要,還與女性排卵功能障礙有關[28,38]。

2.支鏈氨基酸(BCAA)類:卵泡液中BCAA改變會影響卵巢局部代謝,進而影響妊娠結局。多項研究發現PCOS組卵泡液中BCAA水平增[6,39],但也有研究檢測到BCAA水平降低[10]。Zhang等[12]研究表明優質胚胎率與亮氨酸、異亮氨酸、酪氨酸呈顯著負相關。BCAA代謝與胰島素分泌和胰島素敏感性有關,與NIR的PCOS組相比,伴有IR的PCOS患者的亮氨酸、纈氨酸水平更高[39]。

3.肉堿:肉堿是一種特殊氨基酸,在PCOS的發病機制以及卵巢生理功能中發揮重要作用,肉堿也常用于PCOS的治療。PCOS患者卵泡液中各類肉堿變化趨勢不同,有研究發現L-棕櫚酰肉堿、亞油酰肉堿、反式十六碳-2-烯基肉堿下調[6],而3-羥基壬酰肉堿則上調[37]。肉堿通過將脂肪輸送到線粒體來加速脂肪燃燒和分解,補充肉堿可以調節PCOS患者體重進而有助于PCOS的治療[40]。此外,也有研究表明,左旋肉堿和二甲雙胍共同治療可以改善枸櫞酸克羅米芬耐藥的PCOS患者的生育能力,并且在IR和脂質代謝方面具有協同作用[41]。

4.其他類別氨基酸:除以上氨基酸外,其他種類氨基酸也與PCOS有重要關聯。Yu等[13]研究發現與正常對照組相比,痰濕阻滯型PCOS患者卵泡液中L-谷氨酸、N-乙酰基-L-天冬氨酸、D-脯氨酸上調。有研究表明,PCOS患者卵泡液中蘇氨酸下調,并發現丙氨酸和天冬氨酸與體質量指數呈正相關,獲卵數與天冬氨酸和谷氨酸呈正相關[10]。Zhang等[12]發現在PCOS組中谷氨酰胺和丙氨酸顯著降低,且谷氨酰胺與優質胚胎率呈正相關。因此,氨基酸的研究為提高PCOS女性不良卵母細胞質量提供新思路。

四、卵泡液代謝組學在PCOS療效評價方面的應用

卵泡液代謝組學既能發現PCOS潛在的生物標志物,又能預測胚胎發育潛能,而且還可以應用于PCOS的療效評價。一項基于UHPLC-MS的非靶向代謝組學研究評價了穴位貼敷治療痰濕型PCOS患者的臨床療效,結果表明治療后假尿嘧啶核苷、苯酚、2-氧代己二酸、9R、10S-EpOME、DL-乳酸、煙酰胺、DL-3-吲哚乳酸水平均降低,臨床上表現為Gn天數變少、可利用胚胎數增多,提示該治療方法能有效改善痰濕型PCOS患者的臨床癥狀和IVF治療結局[13]。Ersahin等[42]研究表明枸櫞酸氯米芬治療的無排卵性PCOS患者卵泡液中乳酸水平增加而膽堿水平降低,并發現枸櫞酸氯米芬治療可能使PCOS患者卵丘卵母細胞復合體受損繼而導致膽堿代謝發生改變,從而改善了PCOS患者的臨床癥狀和妊娠結局。目前代謝組學已應用于PCOS的療效評價,為PCOS的治療提供了新的見解。

五、小結

PCOS已是一種全球性疾病,導致許多婦女不孕,但其病因復雜,目前尚未找到根治方法。PCOS患者常表現為內分泌代謝紊亂,因此研究PCOS相關代謝因子至關重要。進行IVF-ET的PCOS患者妊娠結局不理想,表現為受精率、著床率降低等。卵泡液作為卵母細胞生長的微環境,其代謝物的改變必然會影響卵母細胞發育以及受精的能力,但明確的關聯性以及具體機制尚不清楚。近年來,隨著代謝組學的不斷發展和對PCOS患者卵泡液的深入研究,已發現了不同代謝途徑中的多種代謝物。從小分子水平探討PCOS的發病機制和卵母細胞的代謝途徑,可以提高卵母細胞和胚胎質量,也為臨床制定PCOS精準診療策略提供了新的思路和理論依據。