代谢组学在母胎医学中的研究进展

李星，常颖，陈叙

代谢组学是继基因组学后发展起来的，在给定条件下研究生物体系（细胞，组织或生物体）受内外界刺激后所有代谢产物的质和量的动态变化，从而揭示生物体在特定时间、环境下的整体功能状态[1]。目前，代谢组学在母胎医学中的应用还处于萌芽状态，但是对与正常妊娠、高危妊娠及胎儿医学相关的代谢组学的研究日益增加。用于孕妇、胎儿和新生儿代谢组学研究的组织包括羊水、全血、血浆、脐血、胎盘、尿液和阴道分泌物，这些组织中的生物标记物与胎儿畸形、早产、胎膜早破、妊娠期糖尿病（gestational diabetes mellitus，GDM）、子痫前期（pre-eclampsia，PE）、胎儿生长受限（fetal growth restrictions，FGR）、胎儿窘迫以及缺氧缺血性脑病之间有较强相关性。综述代谢组学在母胎医学中的应用，并对后续研究进行展望。

1 孕妇血浆的代谢组学研究

利用孕妇血浆对不同的妊娠期并发症及合并症进行代谢组学研究，发现很多妊娠期疾病（如GDM，PE等）孕妇的血浆中均存在代谢物的变化[2-6]。Diaz等[4]比较正常妊娠与随后发展为GDM的孕妇发现，3-羟基异戊丁酸及2-羟基异丁酸在孕妇血浆中的浓度有显著差异，提示GDM孕妇血浆代谢产物如生物素及氨基酸，在疾病早期即存在代谢改变；由于存在低氧代谢，胎儿畸形的孕妇糖异生及三羧酸循环增强。de Seymour等[7]分析了孕20周的母体血浆，发展为GDM的孕妇血浆中亚甲基琥珀酸浓度与对照组相比显著升高。

Odibo等[5]研究表明，与对照组相比，PE组妊娠早期有40种酯酰肉碱和32种氨基酸的血浆浓度存在差异。但目前已发表的研究中，由于缺乏一致的妊娠期高血压疾病的分类，可能会影响代谢组学与PE并发症间关系的研究。

最近Bahado-Singh等[2-3]发表了2篇文章，根据发病孕周不同以及是否存在胎盘损害分为早发型PE和晚发型PE，在孕11～13+6周分析母体血清以评估其预测早发型PE及晚发型PE的可能性。结果表明：4种代谢产物（柠檬酸盐、甘油、羟基异戊酸盐、甲硫氨酸）联合多普勒检测子宫动脉搏动指数（PI）及胎儿头臀长（CRL）预测早发型PE的检出率为82.6%，假阳性率（false positive rate，FPR）为 1.6%[2]；简化遗传计算模型（联合甲基组氨酸、甘油、乙酰乙酸盐及母亲体质量、种族）预测晚发型PE的特异度为96.6%、敏感度为60%[3]。可见，早发型PE和晚发型PE的发病机制有很大不同，甘油、醋酸盐、三甲胺及琥珀酸盐是用于鉴别这2种PE的重要代谢物。

2 孕妇尿液的代谢组学研究

Diaz等[8]研究妊娠中期孕妇尿液代谢组学时发现，胎儿畸形、染色体异常、GDM、胎膜早破（premature rupture of membrane，PROM）及早产的孕妇体液中存在代谢产物的变化，这提示可以利用代谢组学产前预测妊娠相关疾病的发生风险。

目前认为肌醇磷酸聚糖（P-IPG）与胰岛素抵抗有关，这使其可能成为预测GDM、胎儿的生长变化及PE的一个重要标记物。Scioscia等[9]的病例对照研究发现，GDM孕妇尿中P-IPG排泄量增加，且与血糖呈正相关；在GDM组，尿中P-IPG排泄量与胎儿出生体质量存在线性相关，因此认为P-IPG是识别胰岛素抵抗的潜在标记物，且可在GDM患者中预测胎儿生长改变。Paine等[10]使用基于酶联免疫吸附法（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA） 的 测定，从妊娠早期开始定期测定孕妇尿液中的P-IPG浓度，结果显示在妊娠晚期当P-IPG截断值为77.38 AU/μmol肌酐时，预测PE的敏感度为88.9%、特异度为62.7%。

Graca等[11]分析孕15～25周孕妇尿液，发现在早产病例中，孕妇尿液中存在甲硫氨酸、苯丙氨酸、组氨酸和己糖（可能是葡萄糖）的变化，但由于样本量的限制，并未得到预测模型，因而未来需要更大样本量的研究。该研究还发现，在胎儿畸形病例组，马尿酸盐浓度降低。Maitre等[12]研究发现，与对照组相比，FGR组妊娠11～12周孕妇尿液中乙酸盐、甲酸盐、酪氨酸及三甲胺浓度降低，自发早产组孕妇尿液中赖氨酸浓度升高、甲酸盐浓度降低。

3 羊水的代谢组学研究

针对GDM的研究表明，GDM孕妇的羊水中葡萄糖水平增加，而氨基酸、肌酐、乙酸盐、甲酸盐和甘油磷酸胆碱轻微减少，提示GDM发生后，出现氨基酸的生物合成改变、蛋白质需求增加及脂质代谢改变，并与肾功能改变有关[13]。

有研究报道羊水代谢物对预测早产非常重要[14]。该研究发现，羊水中碳水化合物减少与早产有关，无论是否合并感染/炎症；与对照组相比，羊水中氨基酸浓度在不合并感染/炎症的早产组中降低，而在合并感染/炎症的早产组中升高，表明羊水中氨基酸浓度变化可预测是否合并感染/炎症。此外，在合并感染/炎症的早产组中，细菌的存在也可使羊水代谢物发生改变，二氨基庚二酸是细菌壁的组成成分，甲基腺嘌呤参与许多细菌作用过程，羊水中检测到这两者表明羊水存在感染/炎症。Menon等[15]分析了自发早产病例组及对照组分娩前的羊水情况，结果表明，自发早产中羊水代谢改变主要是肝脏代谢及CoA代谢改变，其中CoA合成抑制剂——泛醌变化最大，自发早产羊水中浓度比对照组高8倍以上。这些研究表明，人类羊水代谢组学分析有可能成为快速检测早产（伴或不伴感染/炎症）风险的生物学基础。

羊水的生物标记物可能对胎儿畸形的预测价值最高，这些病例的羊水中血糖浓度低而游离乳酸水平高，表明在缺氧条件下，优先通过糖酵解产生能量。由于缺氧，其他组织可利用的葡萄糖减少，为了补充葡萄糖水平，通过糖异生来增加葡萄糖，导致生糖氨基酸的水平下降[11]。

谷氨酰胺水平、谷氨酰胺/谷氨酸比值升高、糖蛋白P1增加及尿素水平降低反映胎儿肾脏疾病或肾脏功能不全[16]。甘氨酸、丝氨酸、α-氧代异戊酸、亮氨酸和抗坏血酸的变化提示胎儿氨基酸生物合成受到干扰[13]。上述羊水变化是胎儿畸形的特征，提示糖酵解、糖异生发生改变及肾脏功能不全。

4 胎盘的代谢组学研究

Dunn等[17]研究了不同氧含量时正常胎盘组织和PE胎盘组织的代谢反应。无合并症孕妇的胎盘组织培养于1%氧气中与晚发型PE胎盘组织培养于6%氧气中显示出相似的代谢反应，这表明缺氧在PE的发展中起重要作用。PE出现的特定代谢改变包括脂质、谷氨酸、谷氨酰胺的改变以及与色氨酸、白三烯和前列腺素相关的代谢物的改变。Horgan等[18]比较了小于胎龄儿（small for gestational age，SGA）病例组与对照组的胎盘功能，2组胎盘组织均分别培养于1%、6%，20%的氧气中。在不同氧分压下，SGA和正常妊娠中有超过500种代谢物存在显著差异，其中正常氧分压条件下有161种代谢物存在差异，但是当SGA胎盘组织培养于低氧条件下时49%代谢物与正常氧分压条件下的对照组无差异，这表明SGA胎儿可对缺氧产生调节并适应低氧，进一步考虑SGA胎盘暴露于正常氧分压，反而可能显著增加其胎盘代谢功能紊乱。

5 阴道分泌物的代谢组学研究

目前对阴道分泌物的代谢组学研究主要集中在早产预测。在一项关于自发早产的质谱代谢组学的初步研究中，无创采集15例女性的宫颈阴道分泌物，按宫颈长度作为分组条件，把宫颈过短且发生早产的女性分别与宫颈过短对照组及宫颈过长对照组相比，结果发现17种代谢物存在差异。这种代谢组学方法可帮助管理自发性早产高风险的女性[19]。

Taylor等[20]研究表明，白细胞介素 6（IL-6）升高显示出与孕35周前的自发性早产及合并绒毛膜羊膜炎的早产存在强相关性，敏感度分别为0.43、0.51，特异度分别为0.74、0.75。因此认为IL-6是预测自发早产的特异性而非敏感性指标，且联合其他标记物并没有增加预测的敏感度。

6 脐血的代谢组学研究

脐血代谢组学分析已在低出生体质量（low birth weight，LBW）儿、极低出生体质量（very low birth weight，VLBW）儿、诊断为FGR的新生儿、妊娠期SGA、新生儿窒息、缺血缺氧性脑病新生儿的样本中进行。Ivorra等[21]报道7种代谢物能区分特定的LBW代谢，其中出生体质量与脯氨酸、谷氨酰胺、游离胆碱间呈正相关，而与瓜氨酸和苯丙氨酸含量呈负相关。这些发现证明了LBW新生儿的合成代谢率发生变化，这些代谢改变产生的结果可影响新生儿健康状况。值得注意的是，这些变化仅在新生儿中观察到，并没有在孕妇中观察到，表明胎盘氨基酸转运受损也可能参与其中。Favretto等[22]的研究表明，FGR患者的脐血中22种代谢物发生变化，以苯丙氨酸，色氨酸和谷氨酸增加最明显。这项研究表明，代谢组学可能成为识别FGR胎儿的有效方法。Horgan等[6]发现，与对照组相比，SGA新生儿脐血中有19种代谢产物存在差异，这为SGA或FGR出现临床症状前的有效筛选提供了基础。

7 结语

代谢组学是一种具有应用前景的新型、无创的研究方法；借助其可以筛查疾病、探讨不同疾病的发病机制及发展规律，并帮助医生进行临床管理。代谢组学研究发现：母亲、胎盘和胎儿之间存在巨大而复杂的相互作用。将代谢组学的方法应用于母胎医学研究，有望实现妊娠相关疾病的预测及发病机制的阐释；确定诊断及监测不同产科疾病的关键节点，从而对指导妊娠相关疾病的防治和改善母婴预后发挥重要作用。在曼彻斯特，正在进行人血清代谢组（HUSERMET）研究项目，由于目前没有关于正常妊娠代谢组学的文献，因此未来也需要详述正常妊娠代谢过程的研究[1]。紧跟着潜在标记物的发现，下一步的关键是在不同的人群及样本中验证这些标记物，而且有必要把这些标记物与已知的临床、超声和生物检测相结合。

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