基于代謝組學(xué)的子癇前期的研究進(jìn)展

王曉旭，劉潔穎，宋英娜*

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 疑難重癥及罕見病國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 1.北京協(xié)和醫(yī)院產(chǎn)科中心，國家婦產(chǎn)疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心；2.北京協(xié)和醫(yī)院醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中心，北京 100730)

子癇前期(preeclampsia，PE)是一種多系統(tǒng)的妊娠期并發(fā)癥，表現(xiàn)為妊娠后新發(fā)或進(jìn)展性高血壓及腎、肝、腦、血小板等多系統(tǒng)異常[1]。PE是世界范圍內(nèi)圍產(chǎn)兒死亡的主要原因之一，約占圍產(chǎn)兒死亡的10%～20%[2]，也是醫(yī)源性早產(chǎn)的主要原因之一[3]。盡管對PE已進(jìn)行了幾十年的研究，但其主要病因仍不清楚。人們普遍認(rèn)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(nèi)皮功能障礙有關(guān)[4]。目前，我們對PE病因的認(rèn)識還不足，缺少PE早期診斷標(biāo)記物，也沒有有效的預(yù)防性治療。現(xiàn)有的PE生物標(biāo)志物多是來源于胎盤或受損的血管內(nèi)皮蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)[5]，尚需要更多的研究來證實(shí)其臨床應(yīng)用價值。越來越多的學(xué)者關(guān)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(diǎn)與疾病的發(fā)生具有直接關(guān)聯(lián)。代謝物既可以作為生物標(biāo)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(fā)病機(jī)制，對于理解判斷PE的發(fā)病、診斷、預(yù)后具有重要意義。本文就代謝組學(xué)在PE中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

一、代謝組學(xué)概述

1.代謝組學(xué)概念：代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后新近發(fā)展起來的一門學(xué)科，與前三者共同構(gòu)成系統(tǒng)生物學(xué)。代謝組學(xué)的概念最早由Nicholson等[6]提出，其效仿基因組學(xué)的研究基礎(chǔ)，利用高通量技術(shù)對生物體由病理生理改變所影響的代謝物進(jìn)行定量測量，分析生物體內(nèi)某一時刻所有內(nèi)源性小分子物質(zhì)的變化，從而判斷生物體整體狀態(tài)。代謝組學(xué)的研究對象是參與體內(nèi)新陳代謝的小分子化合物的集合，研究目標(biāo)通常是小分子代謝物(相對分子量≤1 000)，包括有機(jī)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(xué)與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)具有相似之處，如都是利用高通量檢測技術(shù)手段，都是從研究機(jī)體整體角度出發(fā)。此外，代謝組學(xué)具有自身的優(yōu)勢：(1)從代謝物層面研究，可以更為直接反映正在發(fā)生的生物活動；(2)“瀑布效應(yīng)”即當(dāng)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(shù)量明顯少于基因的數(shù)量，因此，檢測小分子代謝物可以降低檢測難度并節(jié)約成本[7]。

2.代謝組學(xué)的分析方法：目前，代謝組學(xué)的分析方法主要是兩種，即核磁共振波譜法(NMR)和質(zhì)譜法(MS)。NMR是利用原子核對射頻輻射的吸收，對各種有機(jī)和無機(jī)物的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性定量的分析方法。NMR的優(yōu)點(diǎn)是不需要或只需要簡單的樣品準(zhǔn)備步驟(蛋白質(zhì)沉淀和化學(xué)衍生化)，具有高度重復(fù)性和非破壞性的特點(diǎn)，NMR的缺點(diǎn)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(zhì)的質(zhì)量-電荷比進(jìn)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(yōu)點(diǎn)[9]。MS通常與其他分離技術(shù)聯(lián)合使用，先通過不同分離技術(shù)對樣本進(jìn)行多種代謝物的提取分離純化，再進(jìn)行定量測量，常見的聯(lián)用方法包括氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)、毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜(CE-MS)。

二、代謝組學(xué)在發(fā)現(xiàn)PE分子標(biāo)志物中的作用

在人體新陳代謝過程中，PE的發(fā)生可能導(dǎo)致代謝物的種類、濃度發(fā)生改變，使用代謝組學(xué)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(jìn)行分析研究，可發(fā)現(xiàn)數(shù)量可觀的特征性代謝物。從代謝物的角度理解PE發(fā)生發(fā)展的病理過程，發(fā)現(xiàn)潛在的分子標(biāo)志物，對PE的診斷、評估、治療及預(yù)后各方面具有重大意義。

1.脂類分子標(biāo)志物：多項(xiàng)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，PE患者血漿中花生四烯酸代謝物顯著升高，而細(xì)胞色素P450代謝物顯著減少。Sander等[13]研究發(fā)現(xiàn)，PE患者血漿中二?；视?、甘油磷酸肌醇顯著增多。Jain等[14]研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，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?；视?、磷脂、脂肪酸、異戊二烯類和類固醇有關(guān)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(fā)生了改變，這些代謝物主要參與脂質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。Tan等[16]研究發(fā)現(xiàn)，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(nèi)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(fā)現(xiàn)，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(zhì)代謝物的研究也有相似發(fā)現(xiàn)。因此，膽堿類代謝物可以作為PE診斷的潛在標(biāo)志物。

2.氨基酸類分子標(biāo)志物：PE患者中多種氨基酸(如丙氨酸、谷氨酸、?；撬岬?呈顯著差異，并且多種參與氨基酸相關(guān)代謝過程的代謝物也有改變。Austdal等[11]對PE患者尿液進(jìn)行代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，包括甘氨酸、丙氨酸、組氨酸在內(nèi)的多種氨基酸代謝物含量顯著降低。Kenny等[19]研究發(fā)現(xiàn)，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。?；撬崾且环N重要的氨基酸，既往研究表明，?；撬峋哂薪祲汉脱鼙Ｗo(hù)作用[20]，牛磺酸代謝的改變對胎盤的物質(zhì)交換和營養(yǎng)供給有重要作用。Austdal等[21]研究發(fā)現(xiàn)，與正常妊娠婦女相比，PE患者妊娠胎盤組織中?；撬?、乙醇胺、谷氨酸水平均顯著降低，提示胎盤組織中的?；撬岽x、磷脂代謝、膽汁酸代謝發(fā)生改變。Mukherjee等[22]比較早發(fā)型PE患者和晚發(fā)型PE患者血清代謝組學(xué)特征發(fā)現(xiàn)，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?；撬岬拇x過程。

3.嘌呤類分子標(biāo)志物：Senyavina等[23]研究發(fā)現(xiàn)，PE患者血清中嘌呤代謝的中間產(chǎn)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(fā)生了改變。Austdal等[11]研究發(fā)現(xiàn)，PE患者尿液中甘氨酸含量顯著減低。Kenny等[19]研究發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)的嘌呤核苷酸分解代謝途徑，使尿酸從細(xì)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(fā)現(xiàn)，PE的發(fā)病與胎盤的灌注不足有關(guān)，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(yǎng)層脫落可能導(dǎo)致了繼發(fā)的尿酸生產(chǎn)增多[25]，從而使部分PE患者出現(xiàn)高尿酸血癥。

三、代謝組學(xué)在預(yù)測PE中的作用

在臨床實(shí)踐中，妊娠早、中期對PE發(fā)病的風(fēng)險評估和有效預(yù)測，可以為必要的干預(yù)措施(如阿司匹林的預(yù)防性應(yīng)用)取得治療空間，因此，多項(xiàng)研究致力于發(fā)掘妊娠期的血液代謝組學(xué)特征，以期構(gòu)建有效的預(yù)測模型。多項(xiàng)前瞻性研究發(fā)現(xiàn)，妊娠早期的代謝物對PE的發(fā)生有良好的預(yù)測性。Kuc等[26]研究發(fā)現(xiàn)，?；撬岷吞扉T冬酰胺可以預(yù)測早發(fā)型PE，甘氨酸可以預(yù)測晚發(fā)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(gòu)建預(yù)測模型，該預(yù)測模型的敏感性為50%、特異性為80%、準(zhǔn)確度為82.3%。Koster等[28]結(jié)合孕早期血清代謝組學(xué)結(jié)果與胎盤生長因子(PLGF)建立預(yù)測模型，該模型對預(yù)測早發(fā)型PE的敏感性為69%、特異性為90%、準(zhǔn)確度為78.4%；對預(yù)測晚發(fā)型PE的敏感性為32%、特異性為90%、準(zhǔn)確度為70%。研究發(fā)現(xiàn)，相比于單一地應(yīng)用代謝物建模，代謝物與母體生物學(xué)及臨床特征相結(jié)合建模，可表現(xiàn)出更良好的預(yù)測性。Bahado-Singh等[29-30]研究發(fā)現(xiàn)，對于晚發(fā)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(yù)測模型的準(zhǔn)確性為79%，當(dāng)血漿代謝特征與孕婦生物學(xué)信息(如體重等)結(jié)合后建立PE的預(yù)測模型，其準(zhǔn)確性可提至96%；對早發(fā)型PE患者，僅納入代謝特征(膽堿、甘油、琥珀酸)建立的預(yù)測模型的準(zhǔn)確性為90.4%，當(dāng)代謝特征與子宮血流超聲相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合后建立的預(yù)測模型的準(zhǔn)確性為98%。研究發(fā)現(xiàn)，妊娠中期PE患者中的某些代謝物可以預(yù)測PE。Kenny等[31]利用妊娠中期的血漿代謝特征構(gòu)建預(yù)測模型的敏感性為77%、特異性為90%、準(zhǔn)確度為94%。Lee等[32]利用妊娠中期血漿差異代謝物對PE的預(yù)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(dāng)。

代謝組學(xué)對PE的預(yù)測性不僅局限于妊娠早中期，即使到了妊娠晚期，相關(guān)代謝物仍能對發(fā)病時間在妊娠37周后PE的發(fā)生起到一定的預(yù)測作用。Sovio等[33]一項(xiàng)隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，在妊娠36周時，血清代謝物(4-羥基谷氨酸、c-糖基色氨酸)聯(lián)合sFlt-1/PLGF對于預(yù)測在足月妊娠后發(fā)病的PE的準(zhǔn)確性可達(dá)到84.8%。Bahado-Singh等[34]將血清學(xué)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(lián)合建立預(yù)測模型，其準(zhǔn)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(xù)至分娩后的，代謝組學(xué)對于評估PE新生兒有一定作用。J??skel?inen等[35]研究發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生了一定影響。Bardanzellu等[36]研究發(fā)現(xiàn)，PE患者產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(yǎng)過程中存在營養(yǎng)物質(zhì)攝入不足的問題，存在潛在的生長發(fā)育風(fēng)險。代謝組學(xué)在新生兒及母乳中的相關(guān)研究進(jìn)展，對于研究PE對胎兒、新生兒產(chǎn)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(xué)在PE發(fā)病機(jī)制中的作用

既往代謝組學(xué)研究多集中在小分子物質(zhì)的改變上，涉及代謝物和內(nèi)在機(jī)制的聯(lián)系的研究仍比較有限。Zhou等[37]研究發(fā)現(xiàn)，線粒體功能異常在PE發(fā)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(diào)，從而影響線粒體代謝酶的內(nèi)在活性，造成胎盤線粒體的氧化供能障礙，表現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(qiáng)，同時PE胎盤中AMPK-ACC信號通路出現(xiàn)過度激活，并負(fù)調(diào)控滋養(yǎng)層侵襲性，導(dǎo)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(yīng)性改變。一直以來，氧化應(yīng)激被認(rèn)為是參與PE發(fā)病機(jī)制的重要因素。Kawasaki等[39]研究發(fā)現(xiàn)，PE胎盤中下降的谷胱甘肽代謝加重了PE胎盤的氧化應(yīng)激水平，硫酸鎂能夠通過抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)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(jī)制。

既往對PE發(fā)病機(jī)制的研究多集中在DNA或RNA層面，但上述研究提示代謝組學(xué)可以與細(xì)胞功能、信號傳導(dǎo)及氧化應(yīng)激形成關(guān)聯(lián)，從而反映PE發(fā)病的綜合分子機(jī)制。代謝物有助于深層次地理解PE發(fā)病過程，為我們研究PE發(fā)病的微觀機(jī)制提供新的角度。

綜上所述，代謝組學(xué)作為一門新興學(xué)科，在PE有價值的診斷及預(yù)測、分子標(biāo)記物的篩選、PE發(fā)病機(jī)制研究等方面具有廣闊的研究前景和良好的應(yīng)用前景。但同時，代謝組學(xué)在PE中尚缺乏相對深入的研究，通過代謝組學(xué)手段篩選出的代謝物數(shù)量龐大，范圍廣泛，缺乏交叉性，仍然需要進(jìn)一步的研究及驗(yàn)證。