代謝組學(xué)在胎兒和新生兒領(lǐng)域的臨床應(yīng)用研究進(jìn)展*

王圣雯 高晶 楊欣 陳瑩 張佩瀅 王玉美

代謝組學(xué)在胎兒和新生兒中的應(yīng)用有著很大的潛力，它使用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計方法解決多變量問題，能夠根據(jù)細(xì)胞、組織、器官和生物體液中存在的低分子量代謝物（包括氨基酸、脂肪酸、有機(jī)酸、糖、脂質(zhì)、類固醇、維生素等）來描述生物系統(tǒng)的化學(xué)特征。因此，代謝組學(xué)技術(shù)可以深入了解由差異基因表達(dá)、病理生理過程、異常營養(yǎng)狀況及毒理學(xué)損傷而引起的代謝擾動[1]。胎兒出生后離開母體，代謝方式隨之改變，因而描繪出胎兒及新生兒的代謝輪廓和由各種因素導(dǎo)致的代謝變化，在胎兒和新生兒期的營養(yǎng)支持、生長發(fā)育、疾病治療及預(yù)后等多方面有重要的意義[2-3]。

1 代謝組學(xué)技術(shù)及發(fā)展

代謝組學(xué)是在基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)后的一門新興的系統(tǒng)的生物檢測技術(shù)。一般來說，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)分別是從基因、蛋白質(zhì)的層面上去探索生命的活動，但是細(xì)胞內(nèi)很多生命活動（如能量的傳遞、細(xì)胞信號的釋放等）均是在代謝層面上發(fā)生的，受代謝物的調(diào)控，因而代謝組學(xué)應(yīng)運而生，用于研究某一時刻細(xì)胞內(nèi)的代謝情況。其可對多種生物標(biāo)本所含的代謝產(chǎn)物進(jìn)行定量、定性檢測，如血漿、血清、尿液、糞便、羊水、組織、唾液和呼吸揮發(fā)物等，從而直觀的呈現(xiàn)出生物體的代謝譜，以此來描繪生物體的生理病理狀況，在理解體內(nèi)特異性的代謝變化方面有重要意義，因此被廣泛地應(yīng)用于流行病學(xué)、營養(yǎng)保健學(xué)、藥理學(xué)等[4-7]。有文獻(xiàn)證實，為了抑制或者適應(yīng)機(jī)體的代謝變化，具有生物活性的外源性關(guān)鍵代謝物會重新編程代謝的途徑，為預(yù)防疾病、治療疾病及發(fā)現(xiàn)潛在藥物等方面提供了理論基礎(chǔ)[6，8]。

在實驗研究中，應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)的目的是發(fā)現(xiàn)研究對象代謝物的差異，從而尋找相應(yīng)的代謝通路，進(jìn)而研究其對機(jī)體的影響和機(jī)制[9]。它有非靶向和靶向可供選擇，其中靶向代謝組學(xué)顧名思義就是要研究指定代謝物的水平并分析相關(guān)的代謝通路，以及這些代謝通路上關(guān)鍵代謝物的量化[10]。非靶向代謝組學(xué)與之相反，它沒有指定哪些代謝物，而是通過能取得大量的已知或未知的代謝物數(shù)據(jù)，從而分析代謝物水平的改變和相應(yīng)的代謝通路，但是由于研究對象產(chǎn)生的代謝物是大量的，所以數(shù)據(jù)的分析和解釋有賴于模式識別和判別分析技術(shù)[11]。

代謝組學(xué)的操作流程可分為三步，第一步是制備樣品，第二步是測量代謝組，第三步是多變量分析數(shù)據(jù)。代謝組學(xué)的分析技術(shù)平臺主要是氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、液 相色譜-質(zhì)譜（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）及核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR），它們的分析范圍有所不同，各有優(yōu)缺點，可以分別或聯(lián)合應(yīng)用，用于檢測代謝產(chǎn)物（如糖類、脂質(zhì)、氨基酸、有機(jī)酸等）的代謝組學(xué)研究。其中GC-MS 的優(yōu)勢在于敏感度高，穩(wěn)定性好，弱勢在于制備樣品的過程比較繁瑣以及鑒定新的化合物困難比較大；NMR 在自動化、鑒定和定量代謝物的方面有優(yōu)勢，但是需要比較高的啟動成本，而且敏感度較低；LC-MS 與前兩者相比在方法學(xué)、敏感度、檢測代謝物范圍等方面有優(yōu)勢，但是它的穩(wěn)定性比較差，鑒定化合物困難[12-13]?，F(xiàn)如今GC-MS 與NMR或LC-MS 聯(lián)合使用被廣泛用于檢測小分子代謝物，這樣既能保證代謝物定量分析，又能保證高特異性和敏感度。

2 代謝組學(xué)在胎兒和新生兒領(lǐng)域中的研究

保證胎兒和新生兒良好的生長發(fā)育和體格健康是產(chǎn)科和兒科醫(yī)生臨床工作的重點。胎兒和新生兒期的個體生長速度快，新陳代謝旺盛，代謝水平和代謝方式有其特點，但是胎兒和新生兒的代謝輪廓尚不清晰。因此利用代謝組學(xué)從代謝的角度探索胎兒和新生兒生長發(fā)育的過程以及相關(guān)疾病的發(fā)生和發(fā)展，利于更好地評估和指導(dǎo)胎兒和新生兒營養(yǎng)，制訂有效的個體化干預(yù)措施，從而改善遠(yuǎn)期結(jié)局。2.1 代謝組學(xué)在評估胎兒和新生兒生長狀況中的應(yīng)用研究 隨著個體不斷的生長發(fā)育，每個時期的代謝物水平和代謝途徑都有所不同，特別是在胎兒期和新生兒期[14]。胎兒期是指從受精卵形成到胎兒出生這一時期，一般40 周左右。新生兒期是指自胎兒娩出臍帶結(jié)扎時開始到滿28 d 這一時期。代謝組學(xué)分析技術(shù)可以用于預(yù)測早產(chǎn)發(fā)生的風(fēng)險。研究顯示，谷氨酸、谷氨酰胺、丙酮酸等在母親血清和羊水中的代謝水平在預(yù)測早產(chǎn)方面有重要意義，并觀察到早產(chǎn)兒組母親血清中的色氨酸、次黃嘌呤及焦谷氨酸下降，而脂質(zhì)水平升高，它們的變化可能會成為預(yù)測早產(chǎn)的生物標(biāo)志物[15]。其次代謝組學(xué)在產(chǎn)前診斷神經(jīng)管缺陷、唐氏綜合征等疾病也能提供幫助。研究發(fā)現(xiàn)患有唐氏綜合征的胎兒羊水中氨基酸、膽汁酸等代謝通路有所改變[16]。通過對神經(jīng)管缺陷的胎兒羊水中代謝物的研究分析顯示，碳水化合物、脂類、氨基酸和核酸代謝出現(xiàn)紊亂[17]。

每個個體有著相似的發(fā)育軌跡，但又有著其獨特的個性。不同體重新生兒的代謝物水平及代謝途徑也有所不同。小于胎齡兒（small for gestational age，SGA）和大于胎齡兒（large for gestational age，LGA）與適于胎齡兒（appropriate for gestational age，AGA）在血、尿代謝產(chǎn)物水平上均存在差異[18-19]。國外一項對足月新生兒展開的回顧性研究發(fā)現(xiàn)，與AGA 新生兒相比，LGA 新生兒的多個代謝物水平升高的可能性較大，包括酪氨酸和亮氨酸[20]。另外有文獻(xiàn)報道，SGA 新生兒血液中的纈氨酸、亮氨酸水平低于AGA[19，21]。國外有一項多中心研究證實，不同體重新生兒臍帶血中的多條代謝途徑（如脂肪酸、甘油磷酸、色氨酸代謝和激素信號傳導(dǎo)等）之間有顯著差異[22]。

因此，代謝組學(xué)在胎兒期及新生兒期生長狀況評估中的廣泛應(yīng)用可以讓醫(yī)生更直觀更準(zhǔn)確地了解胎兒和新生兒代謝水平和代謝途徑，在早期預(yù)測早產(chǎn)、產(chǎn)前診斷及生長發(fā)育等方面有重要的指導(dǎo)意義，將有助于提高圍產(chǎn)期保健的水平。

2.2 代謝組學(xué)在指導(dǎo)新生兒營養(yǎng)和喂養(yǎng)中的應(yīng)用研究 營養(yǎng)狀態(tài)影響機(jī)體功能調(diào)節(jié)，包括代謝過程，因此營養(yǎng)狀態(tài)的好壞會對人類的健康產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。通過代謝組學(xué)的方法為新生兒營養(yǎng)方案提供理論依據(jù)具有重要的意義。而代謝組學(xué)與營養(yǎng)學(xué)聯(lián)合應(yīng)用，可進(jìn)一步了解新生兒代謝特征，指導(dǎo)制訂個體化的營養(yǎng)支持策略，對新生兒的生長發(fā)育和預(yù)防遠(yuǎn)期疾病等方面有重要意義。

近年來，營養(yǎng)領(lǐng)域的專家在確定新生兒生長和健康所必需的營養(yǎng)素方面取得了許多進(jìn)步。新生兒腸內(nèi)營養(yǎng)的最佳選擇無疑是母乳，特別是對于早產(chǎn)兒，它能夠滿足快速生長的嬰幼兒的營養(yǎng)需求，因母乳除了碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)等正常營養(yǎng)要素外，還含有許多如生長因子、免疫刺激成分等的生物活性成分。代謝組學(xué)對母乳進(jìn)行分析還發(fā)現(xiàn)隨著新生兒不同生長發(fā)育階段的需求，母乳中的各種營養(yǎng)物質(zhì)也會隨之改變[23]。此外，不同的喂養(yǎng)方式對新生兒代謝也會產(chǎn)生影響。有研究顯示，SGA、AGA、LGA 新生兒在出生后第1 周予母乳或配方奶喂養(yǎng)，將不同程度地影響代謝水平，故而可以代謝的角度指導(dǎo)配方奶的產(chǎn)品設(shè)計更貼近母乳成分[18，24]。

早產(chǎn)兒群體是新生兒中關(guān)注的熱點，其體內(nèi)氨基酸、?；鈮A等代謝產(chǎn)物的水平與足月兒相比明顯不同，此外還包括脂肪酸氧化、三羧酸循環(huán)活性增強(qiáng)、核苷酸代謝紊亂、肺表面活性物質(zhì)的生物合成[25]。國內(nèi)有研究關(guān)于早產(chǎn)兒在出生后早期這一階段對脂肪乳的耐受程度，發(fā)現(xiàn)早期早產(chǎn)兒和超早早產(chǎn)兒在出生后3 d 的代謝能力不足，因此，這類早產(chǎn)兒早期添加脂肪乳和蛋白質(zhì)的劑量及添加速度方面均要慎重，不同胎齡的早產(chǎn)兒應(yīng)用統(tǒng)一的配方奶、營養(yǎng)液是不可取的[26]。

目前，在新生兒期營養(yǎng)方面的研究越來越關(guān)注預(yù)防長期疾病的發(fā)展，特別是對于出生后住院或遠(yuǎn)期易出現(xiàn)肥胖、心血管疾病、糖尿病及代謝綜合征等慢性疾病的新生兒。生命早期的1 000 d 是指從受孕起至出生后2年，其中胎兒期和新生兒期至關(guān)重要，在這一階段適宜的營養(yǎng)不僅在生長發(fā)育方面起著關(guān)鍵作用，而且對其遠(yuǎn)期健康有著深遠(yuǎn)的影響[27]。近年來國內(nèi)外很多研究發(fā)現(xiàn)低出生體重會導(dǎo)致成年期罹患糖尿病、心血管疾病等的風(fēng)險增加，可能因為在宮內(nèi)營養(yǎng)不足的胎兒為了增加存活的概率會出現(xiàn)一系列適應(yīng)性機(jī)制，比如為了重要組織、器官的營養(yǎng)供應(yīng)而儲存葡萄糖，故而導(dǎo)致出生后新生兒的胰島素分泌持續(xù)性的減少而增加了成年期肥胖、糖尿病等的發(fā)生風(fēng)險[28]。然而有意思的是，一些研究顯示，不只是低出生體重的新生兒，高出生體重的新生兒同樣也會出現(xiàn)成年期罹患2 型糖尿病的風(fēng)險增加，這引起了國內(nèi)外很多學(xué)者的關(guān)注[29-30]。目前代謝組學(xué)方法已被用于分析SGA 和LGA 新生兒的代謝譜和代謝通路的研究中，發(fā)現(xiàn)它們的代謝輪廓與AGA 新生兒有顯著差異，這為SGA 和LGA在臨床上制訂更適合的個性化的營養(yǎng)支持方案提供了理論基礎(chǔ)，對改善其近遠(yuǎn)期營養(yǎng)代謝狀況和降低不良結(jié)局發(fā)生的風(fēng)險具有重要意義。此外，新生兒期過度喂養(yǎng)也是代謝綜合征發(fā)病機(jī)制中的一個重要因素，有文獻(xiàn)報道，新生兒期的過度喂養(yǎng)可能導(dǎo)致控制食欲、體重和新陳代謝的下丘腦基底層神經(jīng)內(nèi)分泌回路的“程序異?！盵31]。目前在新生兒重癥監(jiān)護(hù)室不論是SGA 新生兒還是LGA 新生兒，其營養(yǎng)的目的都是為了新生兒的出生體重迅速恢復(fù)，但這顯然是不夠全面的。

事實上，如果遺傳學(xué)確實可以調(diào)節(jié)個體對食物的反應(yīng)（營養(yǎng)遺傳學(xué)），那么越來越多的人肯定營養(yǎng)素可以控制基因表達(dá)（營養(yǎng)基因組學(xué)）和新陳代謝產(chǎn)物（營養(yǎng)代謝組學(xué)）。隨著代謝組學(xué)的快速發(fā)展，其在新生兒營養(yǎng)研究方面的應(yīng)用也越來越多，特別是在尋找與營養(yǎng)健康、疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物方面。

2.3 代謝組學(xué)在預(yù)測和診斷新生兒疾病中的應(yīng)用研究 遺傳性代謝缺陷（inherited metabolic disorders，IMD）、新生兒壞死性小腸結(jié)腸炎（necrotizing enterocolitis，NEC）、新生兒支氣管肺發(fā)育不良（bronchopulmonary dysplasia，BPD）、新生兒缺氧缺血性腦?。╤ypoxic-ischemic encephalopathy，HIE）等是新生兒時期最常見的疾病。代謝組學(xué)能夠幫助更清晰準(zhǔn)確地了解在這些疾病情況下機(jī)體的生理、生化過程，為更準(zhǔn)確地診斷、個體化的治療提供理論基礎(chǔ)。

2.3.1 IMD IMD 是因為基因突變而引起不同酶、受體等缺陷，最終導(dǎo)致代謝產(chǎn)物缺乏或蓄積的一組疾病總稱。異常代謝物質(zhì)缺乏或累積會影響機(jī)體各個組織和器官，從而出現(xiàn)嚴(yán)重的病理狀態(tài)。IMD 的種類很多，目前發(fā)現(xiàn)了700 多種，而檢出率也在不斷提高。目前IMD 的篩查方法是應(yīng)用串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)檢測濾紙干血片上氨基酸（amino acid，AA）和肉堿（carnitine，CA）水平來初篩新生兒IMD 的高危人群[32]。因此，通過串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)可早期發(fā)現(xiàn)、早期治療來提高存活率和改善預(yù)后。

2.3.2 新生兒NEC 新生兒NEC 常常發(fā)生在早產(chǎn)兒中，可能與缺氧、腸道發(fā)育不成熟及定植細(xì)菌等因素有關(guān)，可導(dǎo)致腸道嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)，致使腸黏膜損傷、穿孔及心血管損害，而且死亡率高，可高達(dá)50%[33]。近年來研究發(fā)現(xiàn)可通過代謝組學(xué)技術(shù)尋找能夠預(yù)測NEC 發(fā)生的生物標(biāo)志物，但仍沒有能夠預(yù)測其發(fā)生風(fēng)險、分期、治療效果的單一的生物標(biāo)志物[34-35]。

國外有文獻(xiàn)報道對NEC 新生兒尿中的代謝物進(jìn)行代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)丙氨酸及天冬酰胺的濃度下降，其中因三羧酸循環(huán)增強(qiáng)而導(dǎo)致丙氨酸水平的降低可能是導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)的關(guān)鍵，而作為多種氨基酸前體的天冬酰胺濃度的降低可能由于腸道細(xì)胞消耗增加所致[35-36]。最近有研究顯示NEC 發(fā)病的時候伴隨著丙氨酸、谷氨酰胺、酮體等和炎癥有關(guān)的代謝通路異常及脂質(zhì)代謝紊亂，而且其異常紊亂的程度能預(yù)測NEC 嚴(yán)重的程度[37-38]。另外精氨酸不斷被證實與NEC 的發(fā)生密切相關(guān)，早產(chǎn)兒NEC 血漿中精氨酸、瓜氨酸的濃度偏低，兩者在維持腸道完整性方面有重要作用[39]。國外的一項雙盲隨機(jī)對照試驗通過給極低出生體重新生兒腸內(nèi)補充L-精氨酸，結(jié)果顯示NEC Ⅲ期的發(fā)生率明顯下降，因此預(yù)防性使用L-精氨酸來避免NEC 的發(fā)生已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗階段[40]。

2.3.3 新生兒BPD 新生兒BPD 是一種慢性的肺部疾病，常見于早產(chǎn)兒，可表現(xiàn)為持續(xù)性的呼吸窘迫，而氧化應(yīng)激已經(jīng)被證實是BPD 發(fā)生的高危因素，它可能發(fā)生在新生兒早期，甚至是產(chǎn)前就已經(jīng)發(fā)生[41]。通過代謝組學(xué)早期識別易患BPD 的高危新生兒，可采取有針對性的治療手段，降低BPD 發(fā)生的嚴(yán)重程度及并發(fā)癥。

Fanos 等[42]應(yīng)用H-NMR 光譜分析新生兒出生時的尿液，發(fā)現(xiàn)牛磺酸、三甲胺氮氧化物（TMAO）、乳酸、肌醇濃度的增加和葡萄糖酸鹽濃度的降低有望作為預(yù)測BPD 的生物標(biāo)志物，而且結(jié)果顯示BPD可能與早期肺芽、支氣管樹、肺細(xì)胞發(fā)育不良等異常發(fā)育有關(guān)，并且可以被認(rèn)為是先天性疾病（表觀遺傳學(xué)）。

2.3.4 新生兒HIE 新生兒HIE 的主要表現(xiàn)為腦水腫、腦實質(zhì)缺血壞死、腦神經(jīng)壞死等[43]。眾所周知，重度窒息預(yù)后差，常常會出現(xiàn)嚴(yán)重的長期的神經(jīng)系統(tǒng)后遺癥，那么是否能通過生物標(biāo)志物來預(yù)測窒息的程度呢？Walsh 等[44]通過臍帶血的代謝組學(xué)研究描述了足月HIE 的代謝物水平，發(fā)現(xiàn)29 種代謝物在研究組之間發(fā)生了顯著變化，而且可能有代謝物能夠預(yù)測HIE 的嚴(yán)重程度。除了臍帶血代謝物發(fā)生改變以外，國外一項前瞻性研究發(fā)現(xiàn)HIE 新生兒的尿液中氨基酸、?；鈮A、肌醇、丙酮酸等代謝物與對照組之間有明顯差異[45]。

應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)來預(yù)測窒息缺氧的嚴(yán)重程度，從而可及早識別、有效地進(jìn)行治療，降低HIE嚴(yán)重后遺癥的發(fā)生風(fēng)險。目前亞低溫治療被代謝組學(xué)證實了其在HIE 治療中的有效性[46]。Wisnowski等[47]應(yīng)用磁共振波譜（1H-MRS）研究了在亞低溫和復(fù)溫后31 例患有HIE 的新生兒，從丘腦、基底神經(jīng)節(jié)、皮質(zhì)灰質(zhì)和大腦白質(zhì)測定代謝物濃度，發(fā)現(xiàn)與復(fù)溫后相比，亞低溫期間磷酸肌酸濃度增加了20%，而游離肌酸濃度降低，同時發(fā)現(xiàn)谷氨酸、天冬氨酸和γ-氨基丁酸（GABA）的濃度減少，而牛磺酸和谷胱甘肽的濃度增加。這些發(fā)現(xiàn)支持亞低溫通過降低興奮性神經(jīng)遞質(zhì)的有效性，從而降低細(xì)胞能量需求來改善能量穩(wěn)態(tài)。

3 代謝組學(xué)在胎兒和新生兒領(lǐng)域中的現(xiàn)狀及展望

目前代謝組學(xué)在胎兒和新生兒中的應(yīng)用還處于初步階段，在個體不同狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)的差異代謝物及其代謝通路在臨床上應(yīng)用還需要更多更深入的研究。隨著代謝組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，需要進(jìn)一步探究和確立代謝物可靠的參考水平，這有助于探究胎兒期和新生兒期機(jī)體代謝的狀況，為生長發(fā)育、營養(yǎng)支持等提供可靠依據(jù)。同時為新生兒期常見疾病尋找可靠的生物標(biāo)志物，從而達(dá)到早期識別、準(zhǔn)確診斷、個性化治療和評估預(yù)后等目的。

4 總結(jié)

總而言之，代謝組學(xué)作為一門新興學(xué)科，在胎兒和新生兒中的應(yīng)用十分廣泛且意義深遠(yuǎn)。代謝組學(xué)在胎兒和新生兒中的廣泛應(yīng)用可以讓醫(yī)務(wù)人員更直觀、更準(zhǔn)確地了解其代謝水平和代謝途徑，在早期預(yù)測早產(chǎn)、產(chǎn)前診斷、生長發(fā)育、營養(yǎng)支持、疾病診斷及預(yù)后等方面有重要的指導(dǎo)意義，將有助于提高新生兒期保健的水平。