代謝組學(xué)在子癇前期應(yīng)用中的研究進(jìn)展

胡雨軒，龔榕銓，曹恒山，馬敏,2,3

子癇前期(preeclampsia，PE)是一種常見的妊娠代謝性疾病，以妊娠20周后出現(xiàn)高血壓，伴或不伴蛋白尿的多系統(tǒng)器官功能紊亂綜合征為特征，其發(fā)病率為3%～8%，每年全世界有50萬例胎兒或新生兒和7萬例孕產(chǎn)婦因其死亡，是導(dǎo)致孕產(chǎn)婦和圍生兒死亡的主要原因之一[1-2]。目前，PE的發(fā)病機(jī)制尚未明確，胎盤淺著床、氧化應(yīng)激、系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)、血管內(nèi)皮損傷、營養(yǎng)不良以及遺傳因素等都與PE的發(fā)生有關(guān)，且傳統(tǒng)手段尚無法準(zhǔn)確地早期預(yù)測PE，致使臨床干預(yù)還停留在癥狀出現(xiàn)后的被動處理，即適時終止妊娠[3-4]。為實現(xiàn)對PE的早期預(yù)測和診斷，需加快對其發(fā)病機(jī)制和生物標(biāo)志物的研究。代謝組學(xué)是對生物受擾動后的代謝物變化進(jìn)行系統(tǒng)性定性、定量分析的一門學(xué)科，在疾病早期診斷、病理闡釋和藥物開發(fā)等方面有著廣泛的運用，對PE發(fā)病機(jī)制和生物標(biāo)志物研究有重要意義，是近幾年的研究熱點之一。本文就代謝組學(xué)在PE應(yīng)用中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 代謝組學(xué)概述

Nicholson研究小組在1999年首次提出了代謝組學(xué)的概念，即關(guān)于生物體被擾動后其內(nèi)源性代謝物質(zhì)種類、數(shù)量及其變化規(guī)律的科學(xué)。代謝組學(xué)是在組群指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，通過高通量檢測和數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行信息建模與系統(tǒng)整合的一門系統(tǒng)生物學(xué)，與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)處于相同地位。受限于分析手段，其主要研究對象是相對分子質(zhì)量1000以下的內(nèi)源性小分子，可根據(jù)研究對象和目的不同分為代謝物靶標(biāo)分析、代謝輪廓(譜)分析、代謝指紋分析、代謝組學(xué)(對樣本所有代謝組分進(jìn)行定性、定量的分析測定，真正意義的代謝組學(xué)研究)四個層次。研究步驟包括樣品采集和預(yù)處理、數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理、多變量數(shù)據(jù)分析、目標(biāo)物識別以及研究結(jié)果的解釋與應(yīng)用等步驟。其中數(shù)據(jù)采集與分析由于沒有可以滿足所有需求的單一方法，所以通常需聯(lián)合運用不同技術(shù)多角度采集、分析。

2 代謝組學(xué)在子癇前期研究中的應(yīng)用

目前代謝組學(xué)在PE領(lǐng)域的研究尚處于早期階段。研究所選的生物樣本來源于母體的血漿、尿液、陰道分泌物、乳汁、羊水以及新生兒的臍帶血、血漿、尿液、唾液、胎盤或其他體液，其中以母體的血漿與尿液、胎兒的胎盤與臍帶血最為常見。相關(guān)研究成果主要集中在脂肪、蛋白質(zhì)和碳水化合物三大代謝。研究[5-13]發(fā)現(xiàn)，PE患者或新生兒中上調(diào)的代謝物主要包括單?；视王?、甘油磷酰膽堿(glycerophosphocholine，GPC)、尿素、肌酸、肌酐、同瓜氨酸、胍丙酸、肉堿、三甲基賴氨酸、丁基甜菜堿鹽酸鹽、丁酰肉堿、辛烯酰肉堿、5-氨基戊酸甜菜堿、n-甲基-2-吡啶酮-5-羧酸、4-乙酰氨基丁酸、吲哚甲酸、吲哚乳酸、甘氨膽酸、二十二碳五烯酸、磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol，PI)、3-磷酸甘油酸、黃嘌呤、谷氨酸、棕櫚烯酸、溶磷脂酰乙醇胺、異麥芽糖、1-硬脂酰-sn-甘油-3-磷酰膽堿(LPC18:0) 、醋酸鹽、牛磺酸、賴氨酸、蘇氨酸、甘氨酸、維生素A、尿酸。在PE患者或新生兒中下調(diào)的代謝物主要有4-吡啶氧酸、膽固醇酯(cholesterylester，CE)、二酰甘油(diacylglycerol，DG)、磷脂酰乙醇胺、甜菜堿、脯氨酸、谷胱甘肽。這些生物標(biāo)志物在PE發(fā)病、預(yù)測、診斷中有重要意義，參與多個代謝通路，主要包括脂質(zhì)代謝(甘油磷酰膽堿、磷脂酰肌醇、溶磷脂酰乙醇胺、膽堿等)、氨基酸代謝(尿素、吲哚甲酸、蘇氨酸、脯氨酸等)與核苷酸代謝(黃嘌呤)，部分標(biāo)志物還與能量代謝有關(guān)(異麥芽糖)。

2.1 助力探索子癇前期發(fā)病機(jī)制 目前PE的發(fā)病機(jī)制尚不明確，既往研究認(rèn)為，胎盤淺著床、氧化應(yīng)激、系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)、血管內(nèi)皮損傷、營養(yǎng)不良以及遺傳因素等都與PE的發(fā)生有關(guān)。近年來，基于代謝組學(xué)的對PE發(fā)病機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，脂質(zhì)代謝紊亂[5,7,14]、氨基酸代謝紊亂[5-6,15]、鈣磷代謝紊亂[16]、氧化應(yīng)激以及免疫失調(diào)[14,17]等因素與PE的發(fā)生有關(guān)，其中以脂質(zhì)代謝紊亂與氨基酸代謝紊亂研究成果最為豐厚。

2.1.1 脂質(zhì)代謝 研究發(fā)現(xiàn)，鞘磷脂(sphingomyelins，SM)、甘油磷脂、GPC、溶血磷脂膽堿等脂質(zhì)代謝與PE發(fā)生相關(guān)。這些代謝物主要涉及甘油磷脂代謝、膽堿代謝、膽汁酸代謝等通路，反映了PE患者體內(nèi)脂質(zhì)代謝紊亂。脂質(zhì)代謝紊亂可促進(jìn)高血壓的產(chǎn)生、增強(qiáng)免疫炎癥與氧化應(yīng)激反應(yīng)等促進(jìn)PE的發(fā)生。Kelly等[14]運用液相色譜-質(zhì)譜(liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS)技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，PE患者體內(nèi)甘油磷脂、花生四烯酸和甘油脂代謝以及脂肪酸生物合成等途徑發(fā)生顯著變化。花生四烯酸可通過調(diào)節(jié)平滑肌細(xì)胞功能和增殖、細(xì)胞膜流動性和細(xì)胞膜受體等參與血壓的調(diào)節(jié)，其代謝異常有助于PE的發(fā)生。Jaaskelainen等[5]運用LC-MS技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，單酰甘油和GPC在PE患者體內(nèi)增加。GPC在細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)完整性中起著重要的作用，它的增加代表了一種防止細(xì)胞損傷的保護(hù)機(jī)制，提示PE中可能存在氧化應(yīng)激。曹正等[7]運用超高效液相色譜-飛行時間質(zhì)譜技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，PE患者體內(nèi)甘氨膽酸、二十二碳五烯酸和PI水平明顯升高，CE、DG水平明顯降低。PE患者體內(nèi)PI升高提示其膽堿代謝發(fā)生改變，而膽堿可抑制免疫炎癥與氧化應(yīng)激反應(yīng)，提示PE中可能存在患者膽堿降低致使其免疫炎癥與氧化應(yīng)激反應(yīng)的增強(qiáng)，間接導(dǎo)致PE的發(fā)生。

2.1.2 氨基酸代謝 近年來研究發(fā)現(xiàn)，乙酰腐胺、4-乙酰氨基丁酸、尿苷酸、吲哚甲酸、吲哚乳酸、尿素與肉堿等氨基酸及其相關(guān)代謝物與PE發(fā)生密切相關(guān)，其中以尿素和肉堿與PE關(guān)系最為密切。Jaaskelainen等[6]在2018年運用LC-MS技術(shù)分析了PE新生兒臍帶血漿后發(fā)現(xiàn)，尿素、肌酸、肌酐、同瓜氨酸和胍丙酸水平高于非PE新生兒，提示PE患者體內(nèi)尿素循環(huán)功能改變，可能反映了從母體和/或胎兒室中消除這些代謝物所需的機(jī)制紊亂。Jaaskelainen等[5]在2021年分析了PE患者的血漿后發(fā)現(xiàn)，PE患者的尿素水平亦有所升高，與Bahado-Singh等[15]的研究成果相一致，進(jìn)一步驗證了PE患者體內(nèi)存在尿素循環(huán)紊亂。此外，Jaaskelainen等[6]還發(fā)現(xiàn)PE新生兒臍帶血漿中肉堿、肉堿前體和?；鈮A水平提高，提示肉堿生物合成和線粒體β-氧化過程在PE中發(fā)生改變。肉堿可以抑制氧化應(yīng)激，防止脂質(zhì)過氧化，線粒體功能失調(diào)則可能導(dǎo)致PE中的脂質(zhì)代謝受損，兩者失調(diào)都可促進(jìn)PE的發(fā)生。以上研究表明，代謝組學(xué)對于探索PE的發(fā)病機(jī)制有著重要意義，在探索新機(jī)制的同時亦可對原有的假說或猜想進(jìn)行佐證，完善原有的猜想，增添其可信度與說服力。

2.2 協(xié)助子癇前期診斷 由于傳統(tǒng)的診斷方式易受多種因素的干擾，目前尚無單一的血液學(xué)指標(biāo)或尿常規(guī)指標(biāo)可以作為PE敏感且特異的診斷標(biāo)志物。近年來代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，PE患者的內(nèi)源性代謝物在早期就已經(jīng)發(fā)生了廣泛的改變，其中有多種代謝物變化可用于診斷。諸多學(xué)者提出利用代謝輪廓判別模型、單一代謝物、多種代謝物聯(lián)合或代謝物聯(lián)合其他指標(biāo)來診斷PE。就目前數(shù)據(jù)而言，代謝輪廓判別模型可有效區(qū)分PE孕婦與其他孕婦，單一代謝物能有效診斷PE，但效果往往不如多種代謝物聯(lián)合或代謝物聯(lián)合其他指標(biāo)。聯(lián)合診斷的靈敏度與特異性較高可發(fā)現(xiàn)、診斷不同類型的PE。目前所研究的代謝物主要參與于脂質(zhì)代謝與氨基酸代謝途徑，樣本大都來源于母體血清。

Tan等[16]基于超高效液相色譜-質(zhì)譜分析了正常妊娠、妊娠期糖尿病患者與PE患者的血清后，建立了代謝輪廓判別模型可有效區(qū)分妊娠期糖尿病患者、PE患者與正常妊娠婦女，具有一定的診斷價值。曹正等[7]采用超高效液相色譜-飛行時間質(zhì)譜技術(shù)分析了PE患者與非PE患者的血清后發(fā)現(xiàn)，PE患者體內(nèi)CE[22∶4(7Z，10Z，13Z，16Z)]、DG[18∶0/20∶1(11Z)/0∶0]、二十二碳五烯酸、PI[16∶1(9Z)/16∶0]及甘氨膽酸與非PE患者有顯著差異，診斷PE的AUC分別為0.723、0.715、0.678、0.669和0.660，可用于臨床診斷。樊娜娜等[9]利用LC-MS技術(shù)分析了輕度PE、重度PE與健康妊娠孕婦的血清后發(fā)現(xiàn)，血清甜菜堿、LPC18∶0水平與PE病情程度具有一定的相關(guān)性，血清甜菜堿、脯氨酸、LPC18∶0聯(lián)合診斷重度PE患者AUC為0.907，靈敏度為85%，特異度為90%，對重度PE患者具有較高的診斷價值。Austdal等[10]利用高分辨率的魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振波譜分析了PE患者的胎盤后，篩選出了醋酸鹽、?；撬?、賴氨酸、蘇氨酸、甘氨酸共五種代謝物，五者聯(lián)合診斷可區(qū)分胎盤正常的PE和胎盤功能障礙的PE，提供了傳統(tǒng)診斷方法無法識別的信息，使PE診斷更加嚴(yán)密細(xì)致。

以上實驗表明，運用代謝組學(xué)分析患者的代謝物變化來診斷PE是可行的，且具有高靈敏度和高特異性，但由于這些研究大都還是小范圍的前瞻性研究，尚不能運用于臨床診斷，還需進(jìn)一步擴(kuò)大實驗人群進(jìn)行驗證。同時目前提出的模型準(zhǔn)確性仍有待提升，增加納入模型的代謝物與其他相關(guān)指標(biāo)數(shù)量，有助于提高模型的準(zhǔn)確性。

2.3 預(yù)測子癇前期發(fā)生發(fā)展 目前臨床上主要依賴于臨床風(fēng)險因素預(yù)測PE風(fēng)險，準(zhǔn)確率不高且多半不適用于首次懷孕的婦女[18]。近年來，有許多生物標(biāo)志物被提出可運用于PE預(yù)測，這些生物標(biāo)志物與胎盤灌注/血管阻力、內(nèi)分泌功能障礙、腎臟功能障礙、內(nèi)皮功能障礙和氧化應(yīng)激等PE致病特征相關(guān)，但大都對PE的預(yù)測敏感性較差，陽性預(yù)測值較低。其中可溶性fms樣酪氨酸激酶-1(soluble fms-like tyrosine kinase-1，sFlt-1)與胎盤生長因子(placental growth factor，PlGF)的比值的預(yù)測能力最強(qiáng)，能較為準(zhǔn)確的預(yù)測晚期PE，但對于妊娠中期的臨床應(yīng)用仍存在疑問。近年來代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，多種代謝物變化單用或聯(lián)合可用于預(yù)測或輔助預(yù)測PE的發(fā)生，具有較高的靈敏度與特異性，且可針對各型PE制定預(yù)測模型，模型所選用的代謝物主要涉及于脂質(zhì)代謝與氨基酸代謝。

Sovio等[19]運用LC-MS技術(shù)分析了PE患者的血清后發(fā)現(xiàn)，4-羥谷氨酸和c-糖基色氨酸可在第36孕周時獨立預(yù)測PE，同時4-羥谷氨酸在第12、20、28孕周對早產(chǎn)PE也具有預(yù)測作用。其在第12孕周的預(yù)測能力超過了蛋白生物標(biāo)志物妊娠相關(guān)蛋白A與PlGF，對早產(chǎn)PE有較高的預(yù)測價值。在36孕周與sFlt-1/PlGF比值聯(lián)合預(yù)測還可進(jìn)一步提升sFlt-1/PlGF比值的預(yù)測能力，使其AUC增加0.028。Lee等[8]利用氣相色譜飛行時間質(zhì)譜和液相色譜軌道離子阱質(zhì)譜分析了PE患者與正常婦女的血漿后，以SM(C28∶1，C30∶1)，溶血磷脂酰膽堿(C19∶0),溶血磷脂酰乙醇胺(C20∶0)以及丙烷-1,3-二醇建立預(yù)測模型，該模型的預(yù)測能力超過了PlGF以及sFlt-1/PlGF比值，能準(zhǔn)確預(yù)測PE的發(fā)生。Bahado-Singh等[15]運用代謝組學(xué)技術(shù)分析足月PE患者的血清后，以SM(C18∶1)、尿素、己糖和檸檬酸代謝物構(gòu)建了足月PE預(yù)測模型，該模型敏感性為81.6%，特異性為71.0%，可有效預(yù)測最常見也最難預(yù)測的足月PE，展現(xiàn)了代謝組學(xué)預(yù)測PE的特異性與泛用性。該模型加入蛋白組組學(xué)提供的蛋白生物標(biāo)記物睪丸表達(dá)序列15后模型敏感性提升至100%，特異性提升至98.4%，提示多組學(xué)聯(lián)用有助于提升模型預(yù)測性能力。這些研究表明，運用代謝組學(xué)技術(shù)預(yù)測PE是可行且靈敏的，且可運用不同模型實現(xiàn)對不同類型PE的早期篩查，具有重要的臨床意義。但這也只是基于代謝組學(xué)的PE預(yù)測方法，由于代謝組學(xué)技術(shù)的繁瑣性以及PE的臨床復(fù)雜性，尚沒有一個模型或標(biāo)志物被運用于臨床，還需要進(jìn)一步擴(kuò)大實驗人群進(jìn)行驗證，簡化對代謝物的分析過程或開發(fā)相應(yīng)的試劑盒。

3 小結(jié)與展望

代謝組學(xué)作為一種針對機(jī)體低分子代謝物研究的有效手段，在探索PE的發(fā)病機(jī)制、診斷PE和預(yù)測PE上已初見成果并且還有著廣闊的研究前景，脂質(zhì)代謝與氨基酸代謝途徑是目前研究的熱點。但代謝組學(xué)技術(shù)目前仍不完善，飲食習(xí)慣、生活方式、藥物或腸道菌群的外源性化合物[12]、研究對象的體重、年齡、種族、孕周、胎次、肥胖、吸煙、疾病種類和嚴(yán)重程度、營養(yǎng)狀況、不同的分析平臺、統(tǒng)計分析算法差異、結(jié)果的生物學(xué)解釋的偏差都可能影響最后得出的結(jié)論[20]。相關(guān)研究還停留在小范圍的前瞻性研究，樣本數(shù)量并不充足，研究成果可能存在偏差。同時部分研究成果還停留在表述聯(lián)系，難以解釋成果背后的生物學(xué)因素。并且受限于代謝組學(xué)技術(shù)的繁瑣性以及PE的臨床復(fù)雜性，目前尚無一項成果被批準(zhǔn)運用于臨床。

總之，目前PE的代謝組學(xué)研究還停留在早期階段且仍有著廣闊的研究空間，未來應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大實驗樣本。運用多種分析平臺、增加檢測代謝物種類與代謝途徑數(shù)量或是以代謝組學(xué)為基礎(chǔ)聯(lián)合多種組學(xué)技術(shù)有助于進(jìn)一步研究PE的代謝物變化，闡釋PE的發(fā)病機(jī)制。以代謝組學(xué)為基礎(chǔ)聯(lián)合多種組學(xué)來制作新的PE預(yù)測和診斷模型或?qū)⒊蔀镻E的研究重點。