妊娠糖尿病的代謝組學(xué)研究現(xiàn)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(fā)生或發(fā)現(xiàn)的糖耐量降低或糖尿病，對(duì)母嬰健康均產(chǎn)生近期及遠(yuǎn)期的不利影響。目前，還沒(méi)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(yùn)動(dòng)加藥物治療的方法以改善妊娠結(jié)局。但是飲食控制個(gè)體差異較大，國(guó)內(nèi)外也沒(méi)有統(tǒng)一的飲食治療方案；懷孕特殊時(shí)期又阻礙了運(yùn)動(dòng)的成效；藥物治療不良反應(yīng)較大。因此，探索GDM的發(fā)病機(jī)制，尋找準(zhǔn)確、簡(jiǎn)捷的臨床診斷指標(biāo)成為研究的必要。然而，GDM妊娠特殊時(shí)期的復(fù)雜性特點(diǎn)局限了研究過(guò)程，代謝組學(xué)作為研究復(fù)雜疾病強(qiáng)有力的工具成為復(fù)雜性疾病研究的熱點(diǎn)，近年來(lái)對(duì)GDM的研究有了深入的認(rèn)識(shí)，本文將從GDM發(fā)病、危害、臨床診斷及代謝組學(xué)等方面研究展開(kāi)探討。

一、GDM的概述

近年來(lái)隨著社會(huì)的發(fā)展，飲食結(jié)構(gòu)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(fā)生率呈不斷上升趨勢(shì)。目前，我國(guó)是世界上糖尿病患病人數(shù)最多的國(guó)家，發(fā)生率高達(dá)20%[1，2]。GDM患者一般在妊娠結(jié)束后即可恢復(fù)正常，最新流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)仍有25%的GDM患者分娩后糖耐量不能恢復(fù)正常，進(jìn)而轉(zhuǎn)為2型糖尿病或者糖耐量受損，GDM病情嚴(yán)重者可致胎兒流產(chǎn)、早產(chǎn)、畸形、產(chǎn)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(zhì)，讓社會(huì)和家庭背上沉重的負(fù)擔(dān)[3,4]。

目前，臨床上GDM的診斷標(biāo)準(zhǔn)有兩種?！吨袊?guó)2型糖尿病防治指南(2017版)》采用的診斷標(biāo)準(zhǔn)，即在孕期間任何時(shí)間行75g糖耐量試驗(yàn)(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(gè)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，即可診斷為GDM。IADPSG(2012年)、《ADA 糖尿病醫(yī)學(xué)診療標(biāo)準(zhǔn)》(2018年)及第9版《內(nèi)科學(xué)》采用的是另一種診斷標(biāo)準(zhǔn)，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(xiàng)指標(biāo)，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(duì)母嬰危害，及早診斷治療、減少并發(fā)癥尤為重要。

二、代謝組學(xué)概述

代謝組學(xué)的概念經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩個(gè)過(guò)程，英國(guó)Jeremy Nicholson教授首先提出此概念，把機(jī)體作為一個(gè)完整的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)性地應(yīng)答機(jī)體病理生理或基因修飾等刺激產(chǎn)生代謝物的定量測(cè)定；隨后德國(guó)Fiehn等又將代謝組學(xué)看作一個(gè)靜態(tài)的過(guò)程，對(duì)限定條件下的特定生物樣品中所有代謝產(chǎn)物的定性定量分析。隨著代謝組學(xué)研究的不斷發(fā)展，代謝組學(xué)有了更為全面的定義，即對(duì)一個(gè)生物系統(tǒng)的細(xì)胞在給定時(shí)間和條件下所有小分子代謝物質(zhì)的定性定量分析，從而定量描述生物內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及其對(duì)內(nèi)因和外因變化應(yīng)答規(guī)律的科學(xué)。

代謝組學(xué)是對(duì)慢性代謝性疾病研究的有力工具，具有整體性、動(dòng)態(tài)性和非靶向性等特點(diǎn)，可以從分子水平發(fā)現(xiàn)由于疾病導(dǎo)致的異常代謝結(jié)果，揭示疾病的發(fā)病機(jī)制和內(nèi)在聯(lián)系，有可能使以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的治病方式向以科學(xué)的方法和標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代化治病方式轉(zhuǎn)變。目前，代謝組學(xué)廣泛應(yīng)用于復(fù)雜疾病和藥物作用機(jī)制的研究[6]。早在20多年前Nicholson 等將核磁共振技術(shù)(NMR)應(yīng)用于糖尿病的研究，隨著質(zhì)譜、氣相、液相等分析技術(shù)的發(fā)展，采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)以及高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC-MS)等聯(lián)用技術(shù)，汲取各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，整合高通量、高敏感度、高分辨率等優(yōu)勢(shì)，為疾病的研究提供更加準(zhǔn)確、可靠和全面的數(shù)據(jù)。隨著代謝組學(xué)的深入研究，可以對(duì)成千上百個(gè)代謝物同時(shí)分析，挖掘代謝通路的變化，有望解讀GDM的發(fā)病機(jī)制。

三、GDM的代謝組學(xué)研究

隨著GDM發(fā)生率的不斷提高和對(duì)母嬰醫(yī)學(xué)的重視，GDM的研究逐漸成為熱點(diǎn)。GDM的臨床研究樣本由基本的血液、尿液不斷擴(kuò)展到羊水、臍帶血、胎盤和陰道分泌物等，多種生物學(xué)標(biāo)志物不斷被挖掘出來(lái)[7，8]。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為妊娠糖尿病主要與胰島素抵抗有關(guān)，除胰島素抵抗外，胰島β 細(xì)胞分泌降低均為GDM的發(fā)病重要因素。近年來(lái)隨著對(duì)激素水平、炎性因子、脂肪細(xì)胞因子以及蛋白酶的廣泛研究，發(fā)現(xiàn)這些因子的參與均促進(jìn)了GDM 的發(fā)生、發(fā)展。

1.胰島素水平是GDM發(fā)病的重要因素：GDM 是一種受環(huán)境和遺傳因素共同作用的綜合性疾病，研究發(fā)現(xiàn)多種因素促成了GDM的發(fā)生。內(nèi)因胰島素抵抗和胰島β細(xì)胞分泌降低，被認(rèn)為是GDM發(fā)病的重要環(huán)節(jié)，外因進(jìn)食過(guò)多且缺乏足夠的體力運(yùn)動(dòng)促進(jìn)疾病的進(jìn)展過(guò)程。胰島β細(xì)胞在內(nèi)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(jìn)葡萄糖的吸收、分解、轉(zhuǎn)化、脂肪的合成和貯存，長(zhǎng)期持續(xù)的高胰島素環(huán)境使得胰島素抵抗，有研究發(fā)現(xiàn)GDM 患者孕期胰島素抵抗指數(shù)較正常孕婦明顯升高，機(jī)體仍保持糖代謝、脂肪代謝旺盛，出現(xiàn)血糖升高、血脂升高，形成胰島素抵抗-高血脂惡性循環(huán)，出現(xiàn)妊娠糖尿病[9]。GDM 與2 型糖尿病間有許多生物化學(xué)方面的相似之處，慢性的胰島素抵抗是肥胖等疾病發(fā)生的重要環(huán)節(jié)，肥胖者脂肪組織中巨噬細(xì)胞的不斷累積導(dǎo)致內(nèi)臟脂肪組織的慢性系統(tǒng)性炎癥發(fā)生，引發(fā)糖尿病的多種并發(fā)癥。

2.妊娠期激素水平促成GDM的發(fā)生:妊娠期激素水平的影響也促成了GDM的發(fā)生。由于妊娠期處于特殊的時(shí)期，機(jī)體內(nèi)的雌激素、孕激素促使胰島出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能上的改變，促進(jìn)胰島素的分泌。但同時(shí)由于胎盤分泌的皮質(zhì)醇、孕酮、催乳素、生長(zhǎng)激素和脂聯(lián)素等水平的改變引發(fā)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(xiàn)為血糖升高，逐步發(fā)展成妊娠糖尿病。

同時(shí)，孕激素還能促進(jìn)瘦素的分泌、抑制瘦素受體和基質(zhì)金屬蛋白酶的表達(dá)。妊娠期間為滿足胎兒發(fā)育需求，機(jī)體內(nèi)物質(zhì)和能量代謝旺盛，孕婦營(yíng)養(yǎng)成分供過(guò)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(jī)體儲(chǔ)存起來(lái)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(tài)。

3.炎性因子和脂肪細(xì)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(yīng)中的炎性因子及脂肪細(xì)胞因子分泌失調(diào)在GDM的發(fā)生、發(fā)展中起了重要的作用[11]。近年來(lái)隨著研究的深入，大量的細(xì)胞因子及蛋白分子被驗(yàn)證為與GDM的發(fā)生存在密切相關(guān)性，其中瘦素、脂聯(lián)素、腫瘤壞死因子α、白細(xì)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(nèi)脂素和抵抗素也表現(xiàn)對(duì)胰島素抵抗有指示性作用[12，13]。這些因子類物質(zhì)不斷被挖掘出來(lái)作為GDM的診斷指標(biāo)。但這些成分受機(jī)體影響波動(dòng)較大，與妊娠糖尿病胰島素抵抗仍有爭(zhēng)議，不能準(zhǔn)確的指示糖代謝紊亂程度。

近年來(lái)隨著研究的深入，大量研究發(fā)現(xiàn)GDM發(fā)病與脂肪因子等密切相關(guān)，如脂肪酸類、膽汁酸類代謝物等[14，15]。Zhao等[16]將脂質(zhì)組學(xué)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(guān)的脂質(zhì)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(cè)發(fā)現(xiàn)GDM孕婦體內(nèi)的攝食抑制因子較高。許鎮(zhèn)紅[18]所在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)臨床調(diào)查證實(shí)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(zhì)的量的變化為GDM的發(fā)病機(jī)制、篩查及診斷方法的總結(jié)與早期發(fā)現(xiàn)GDM提供了有力的依據(jù)。

花生四烯酸(arachidonic acid，AA)是機(jī)體發(fā)生炎性反應(yīng)時(shí)產(chǎn)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(jī)體炎性反應(yīng)。當(dāng)機(jī)體發(fā)生GDM病變時(shí)，機(jī)體的細(xì)胞受到刺激，磷脂酶A2發(fā)生水解釋放至細(xì)胞質(zhì)中，經(jīng)過(guò)環(huán)氧化酶(COXs)途徑、脂氧酶(LOXs)途徑和細(xì)胞色素P450(CYP)途徑等三大代謝途徑，產(chǎn)生近百種具有不同生物活性的小分子代謝產(chǎn)物。這些代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生不同程度地影響機(jī)體細(xì)胞生長(zhǎng)和分化、生殖和發(fā)育、體溫及血壓的維持等重要生理過(guò)程。Zhao等[16]已研究證實(shí)了GDM患者機(jī)體內(nèi)的花生四烯酸代謝通路發(fā)生改變。

4.關(guān)鍵性蛋白酶與GDM：隨著代謝組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，有研究通過(guò)代謝組學(xué)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(zhì)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(shí)了GDM機(jī)體的糖代謝、氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝均出現(xiàn)不同程度的加劇[9]。

GDM是在妊娠特殊狀態(tài)下出現(xiàn)物質(zhì)和能量代謝紊亂現(xiàn)象，三大物質(zhì)代謝的紊亂根源于糖代謝紊亂，最先反應(yīng)在糖酵解的失調(diào)上，丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK) 是細(xì)胞糖酵解通路中最后一個(gè)限速酶，在糖代謝中起著重要作用。PK的表達(dá)觸發(fā)了有氧酵解，即一種將葡萄糖轉(zhuǎn)化為能量的代謝過(guò)程，這一過(guò)程又稱為瓦博格效應(yīng)(Warburg effect)，許多類型的實(shí)體瘤均依賴于這一過(guò)程維持生存和生長(zhǎng)。近年來(lái)PK在肝癌、胰腺癌、卵巢癌等癌癥治療方面研究較多，通過(guò)調(diào)控PK的表達(dá)可以起到治療腫瘤的作用，歸根結(jié)底為PK的過(guò)表達(dá)激活了瓦博格效應(yīng)、促進(jìn)了能量轉(zhuǎn)化的進(jìn)程[20,21]。有研究采用高脂高糖飼料誘導(dǎo)的妊娠糖尿病小鼠模型的尿液進(jìn)行GC-MS分析，研究發(fā)現(xiàn)其機(jī)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(hào)通路和胰島素耐受性通路中均起到關(guān)鍵性作用，丙酮酸量的變化受到PK的誘導(dǎo)，PK的表達(dá)狀態(tài)可能會(huì)對(duì)GDM的發(fā)生、發(fā)展起到指示性的作用。GDM是一種以糖代謝失常為主的內(nèi)分泌代謝性疾病，通常表現(xiàn)為整體的能量代謝紊亂，PK的表達(dá)狀態(tài)對(duì)GDM疾病調(diào)控引起關(guān)注。

磷酸腺苷蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)是機(jī)體能量代謝調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵分子，是AMPK信號(hào)通路中蛋白是否表達(dá)的開(kāi)關(guān)，對(duì)調(diào)控機(jī)體糖脂代謝起重要作用，被稱為“細(xì)胞內(nèi)能量檢測(cè)器”[22]。近年來(lái)磷酸腺苷蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)信號(hào)通路成為研究糖尿病糖代謝和脂質(zhì)代謝的研究熱點(diǎn)[23，24]。AMPK磷酸化激活后，降低肝細(xì)胞中丙二酸單酰輔酶A的含量，抑制細(xì)胞脂肪酸的合成，并通過(guò)激活肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1(CPT-1)從而增強(qiáng)線粒體對(duì)脂肪酸的利用和氧化，減少葡萄糖、膽固醇和甘油三酯的產(chǎn)生，葡萄糖攝取增加，脂肪酸氧化作用增強(qiáng)，進(jìn)而有效抑制脂肪生成和糖異生作用，調(diào)節(jié)糖脂代謝[25]。此外，激活A(yù)MPK 可以增強(qiáng)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(diǎn)，瘦素(leptin)、胃饑餓素(ghrelin)、脂聯(lián)素(adiponectin)和抵抗素(resistin)等均發(fā)現(xiàn)為AMPK代謝通路上的關(guān)鍵指標(biāo)物質(zhì)。有研究發(fā)現(xiàn)GDM機(jī)體AMPK表達(dá)水平顯著性降低。也有研究發(fā)現(xiàn)GDM機(jī)體內(nèi)AMPK信號(hào)通路中的caveolin-1通過(guò)調(diào)節(jié)脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)，影響脂質(zhì)代謝，對(duì)GDM胚胎及其胎兒都產(chǎn)生極大的影響。

四、展 望

目前為止，還沒(méi)有公認(rèn)的可以作為GDM早期預(yù)測(cè)的標(biāo)志物，由于GDM發(fā)病機(jī)制的復(fù)雜性，單一獨(dú)立的指標(biāo)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(duì)母嬰帶來(lái)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(fā)癥的危害，為孕胎兒創(chuàng)造一個(gè)安全、穩(wěn)定的宮內(nèi)血糖、血脂環(huán)境，對(duì)優(yōu)生優(yōu)育具有重要意義。代謝組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，獲取與GDM相關(guān)的潛在生物學(xué)標(biāo)志物，對(duì)GDM的發(fā)病機(jī)制、藥物治療、診斷方法及早期診治提供了有力的依據(jù)和參考。