妊娠糖尿病的代谢组学研究现状

王 彬 王 军 高 洁 陈君君 孟胜喜

妊娠糖尿病(gestational diabetes mellitus, GDM)是指在妊娠期首次发生或发现的糖耐量降低或糖尿病，对母婴健康均产生近期及远期的不利影响。目前，还没有一种治疗GDM安全有效的药物，临床上一般采用饮食控制、适量运动加药物治疗的方法以改善妊娠结局。但是饮食控制个体差异较大，国内外也没有统一的饮食治疗方案；怀孕特殊时期又阻碍了运动的成效；药物治疗不良反应较大。因此，探索GDM的发病机制，寻找准确、简捷的临床诊断指标成为研究的必要。然而，GDM妊娠特殊时期的复杂性特点局限了研究过程，代谢组学作为研究复杂疾病强有力的工具成为复杂性疾病研究的热点，近年来对GDM的研究有了深入的认识，本文将从GDM发病、危害、临床诊断及代谢组学等方面研究展开探讨。

一、GDM的概述

近年来随着社会的发展，饮食结构的改变、晚婚晚育比例的提高、孕妇在家庭中的重视程度，使GDM的发生率呈不断上升趋势。目前，我国是世界上糖尿病患病人数最多的国家，发生率高达20%[1，2]。GDM患者一般在妊娠结束后即可恢复正常，最新流行病学研究发现仍有25%的GDM患者分娩后糖耐量不能恢复正常，进而转为2型糖尿病或者糖耐量受损，GDM病情严重者可致胎儿流产、早产、畸形、产伤以及呼吸窘迫综合征等，GDM不仅威胁到孕妇自身的健康也影响生育后代的人口素质，让社会和家庭背上沉重的负担[3,4]。

目前，临床上GDM的诊断标准有两种。《中国2型糖尿病防治指南(2017版)》采用的诊断标准，即在孕期间任何时间行75g糖耐量试验(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个指标达标，即可诊断为GDM。IADPSG(2012年)、《ADA 糖尿病医学诊疗标准》(2018年)及第9版《内科学》采用的是另一种诊断标准，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项指标，即可诊断为GDM[5]。临床中大都采用的第2种OGTT诊断手段，处于妊娠的中期，鉴于GDM 对母婴危害，及早诊断治疗、减少并发症尤为重要。

二、代谢组学概述

代谢组学的概念经历了动态和静态两个过程，英国Jeremy Nicholson教授首先提出此概念，把机体作为一个完整的系统的基础上动态性地应答机体病理生理或基因修饰等刺激产生代谢物的定量测定；随后德国Fiehn等又将代谢组学看作一个静态的过程，对限定条件下的特定生物样品中所有代谢产物的定性定量分析。随着代谢组学研究的不断发展，代谢组学有了更为全面的定义，即对一个生物系统的细胞在给定时间和条件下所有小分子代谢物质的定性定量分析，从而定量描述生物内源性代谢物质的整体及其对内因和外因变化应答规律的科学。

代谢组学是对慢性代谢性疾病研究的有力工具，具有整体性、动态性和非靶向性等特点，可以从分子水平发现由于疾病导致的异常代谢结果，揭示疾病的发病机制和内在联系，有可能使以经验为基础的治病方式向以科学的方法和标准为基础的现代化治病方式转变。目前，代谢组学广泛应用于复杂疾病和药物作用机制的研究[6]。早在20多年前Nicholson 等将核磁共振技术(NMR)应用于糖尿病的研究，随着质谱、气相、液相等分析技术的发展，采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)、液相色谱-质谱联用(LC-MS)以及高效液相色谱-质谱联用(HPLC-MS)等联用技术，汲取各项技术的优点，整合高通量、高敏感度、高分辨率等优势，为疾病的研究提供更加准确、可靠和全面的数据。随着代谢组学的深入研究，可以对成千上百个代谢物同时分析，挖掘代谢通路的变化，有望解读GDM的发病机制。

三、GDM的代谢组学研究

随着GDM发生率的不断提高和对母婴医学的重视，GDM的研究逐渐成为热点。GDM的临床研究样本由基本的血液、尿液不断扩展到羊水、脐带血、胎盘和阴道分泌物等，多种生物学标志物不断被挖掘出来[7，8]。传统的观点认为妊娠糖尿病主要与胰岛素抵抗有关，除胰岛素抵抗外，胰岛β 细胞分泌降低均为GDM的发病重要因素。近年来随着对激素水平、炎性因子、脂肪细胞因子以及蛋白酶的广泛研究，发现这些因子的参与均促进了GDM 的发生、发展。

1.胰岛素水平是GDM发病的重要因素：GDM 是一种受环境和遗传因素共同作用的综合性疾病，研究发现多种因素促成了GDM的发生。内因胰岛素抵抗和胰岛β细胞分泌降低，被认为是GDM发病的重要环节，外因进食过多且缺乏足够的体力运动促进疾病的进展过程。胰岛β细胞在内外因素的作用下代偿性的分泌大量的胰岛素，高胰岛素水平促进葡萄糖的吸收、分解、转化、脂肪的合成和贮存，长期持续的高胰岛素环境使得胰岛素抵抗，有研究发现GDM 患者孕期胰岛素抵抗指数较正常孕妇明显升高，机体仍保持糖代谢、脂肪代谢旺盛，出现血糖升高、血脂升高，形成胰岛素抵抗-高血脂恶性循环，出现妊娠糖尿病[9]。GDM 与2 型糖尿病间有许多生物化学方面的相似之处，慢性的胰岛素抵抗是肥胖等疾病发生的重要环节，肥胖者脂肪组织中巨噬细胞的不断累积导致内脏脂肪组织的慢性系统性炎症发生，引发糖尿病的多种并发症。

2.妊娠期激素水平促成GDM的发生:妊娠期激素水平的影响也促成了GDM的发生。由于妊娠期处于特殊的时期，机体内的雌激素、孕激素促使胰岛出现结构和功能上的改变，促进胰岛素的分泌。但同时由于胎盘分泌的皮质醇、孕酮、催乳素、生长激素和脂联素等水平的改变引发了胰岛素抵抗和胰岛素敏感度降低[10]。此外，胎盘分泌的胰岛素酶，加速胰岛素的降解，这些因素促使孕妇胰岛素抵抗逐渐加重，表现为血糖升高，逐步发展成妊娠糖尿病。

同时，孕激素还能促进瘦素的分泌、抑制瘦素受体和基质金属蛋白酶的表达。妊娠期间为满足胎儿发育需求，机体内物质和能量代谢旺盛，孕妇营养成分供过于求，随胰岛素降血糖作用的减弱而造成孕妇血糖升高。怀孕期间多余的能量被机体储存起来逐渐变成脂肪，体重不断地增加，因此，GDM患者大多呈肥胖状态。

3.炎性因子和脂肪细胞因子作用:妊娠糖尿病是一种慢性炎性肥胖疾病，因此，炎性反应中的炎性因子及脂肪细胞因子分泌失调在GDM的发生、发展中起了重要的作用[11]。近年来随着研究的深入，大量的细胞因子及蛋白分子被验证为与GDM的发生存在密切相关性，其中瘦素、脂联素、肿瘤坏死因子α、白细胞介素6 能够引起胰岛素抵抗的激素水平增高，炎性因子、脂肪因子、摄食抑制因子和糖化血红蛋白、内脂素和抵抗素也表现对胰岛素抵抗有指示性作用[12，13]。这些因子类物质不断被挖掘出来作为GDM的诊断指标。但这些成分受机体影响波动较大，与妊娠糖尿病胰岛素抵抗仍有争议，不能准确的指示糖代谢紊乱程度。

近年来随着研究的深入，大量研究发现GDM发病与脂肪因子等密切相关，如脂肪酸类、胆汁酸类代谢物等[14，15]。Zhao等[16]将脂质组学分析糖尿病患者与健康志愿者的外周血样本，寻找到与糖尿病密切相关的脂质类分子：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法检测发现GDM孕妇体内的摄食抑制因子较高。许镇红[18]所在实验室根据临床调查证实了糖化血红蛋白与果糖胺在GDM的诊断中的作用。这些小分子物质的量的变化为GDM的发病机制、筛查及诊断方法的总结与早期发现GDM提供了有力的依据。

花生四烯酸(arachidonic acid，AA)是机体发生炎性反应时产生的一种多不饱和必需脂肪酸，花生四烯酸代谢通路的改变指证机体炎性反应。当机体发生GDM病变时，机体的细胞受到刺激，磷脂酶A2发生水解释放至细胞质中，经过环氧化酶(COXs)途径、脂氧酶(LOXs)途径和细胞色素P450(CYP)途径等三大代谢途径，产生近百种具有不同生物活性的小分子代谢产物。这些代谢产物的产生不同程度地影响机体细胞生长和分化、生殖和发育、体温及血压的维持等重要生理过程。Zhao等[16]已研究证实了GDM患者机体内的花生四烯酸代谢通路发生改变。

4.关键性蛋白酶与GDM：随着代谢组学技术的不断发展，有研究通过代谢组学方法鉴定出GDM患者与正常妊娠孕妇有17 种差异代谢物，涉及到甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、组氨酸代谢、色氨酸代谢、糖酵解和糖质新生等代谢通路[19]。本课题组前期也鉴定出GDM患者与正常妊娠孕妇有18 种差异代谢物，证实了GDM机体的糖代谢、氨基酸代谢和脂质代谢均出现不同程度的加剧[9]。

GDM是在妊娠特殊状态下出现物质和能量代谢紊乱现象，三大物质代谢的紊乱根源于糖代谢紊乱，最先反应在糖酵解的失调上，丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK) 是细胞糖酵解通路中最后一个限速酶，在糖代谢中起着重要作用。PK的表达触发了有氧酵解，即一种将葡萄糖转化为能量的代谢过程，这一过程又称为瓦博格效应(Warburg effect)，许多类型的实体瘤均依赖于这一过程维持生存和生长。近年来PK在肝癌、胰腺癌、卵巢癌等癌症治疗方面研究较多，通过调控PK的表达可以起到治疗肿瘤的作用，归根结底为PK的过表达激活了瓦博格效应、促进了能量转化的进程[20,21]。有研究采用高脂高糖饲料诱导的妊娠糖尿病小鼠模型的尿液进行GC-MS分析，研究发现其机体丙酮酸的含量与健康小鼠存在较大差异[9]。丙酮酸在胰高血糖素信号通路和胰岛素耐受性通路中均起到关键性作用，丙酮酸量的变化受到PK的诱导，PK的表达状态可能会对GDM的发生、发展起到指示性的作用。GDM是一种以糖代谢失常为主的内分泌代谢性疾病，通常表现为整体的能量代谢紊乱，PK的表达状态对GDM疾病调控引起关注。

磷酸腺苷蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)是机体能量代谢调节中的关键分子，是AMPK信号通路中蛋白是否表达的开关，对调控机体糖脂代谢起重要作用，被称为“细胞内能量检测器”[22]。近年来磷酸腺苷蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)信号通路成为研究糖尿病糖代谢和脂质代谢的研究热点[23，24]。AMPK磷酸化激活后，降低肝细胞中丙二酸单酰辅酶A的含量，抑制细胞脂肪酸的合成，并通过激活肉碱棕榈酰转移酶-1(CPT-1)从而增强线粒体对脂肪酸的利用和氧化，减少葡萄糖、胆固醇和甘油三酯的产生，葡萄糖摄取增加，脂肪酸氧化作用增强，进而有效抑制脂肪生成和糖异生作用，调节糖脂代谢[25]。此外，激活AMPK 可以增强胰岛素敏感度和线粒体的功能。随着AMPK的研究深入，其上下游靶蛋白也成为研究热点，瘦素(leptin)、胃饥饿素(ghrelin)、脂联素(adiponectin)和抵抗素(resistin)等均发现为AMPK代谢通路上的关键指标物质。有研究发现GDM机体AMPK表达水平显著性降低。也有研究发现GDM机体内AMPK信号通路中的caveolin-1通过调节脂肪酸转运，影响脂质代谢，对GDM胚胎及其胎儿都产生极大的影响。

四、展 望

目前为止，还没有公认的可以作为GDM早期预测的标志物，由于GDM发病机制的复杂性，单一独立的指标很难做到高敏感和高特异性地早期筛查出GDM人群。GDM的危害是基于高血糖对母婴带来的不良影响而定，只要合理控制妊娠期的血糖水平就可以有效地降低GDM及其并发症的危害，为孕胎儿创造一个安全、稳定的宫内血糖、血脂环境，对优生优育具有重要意义。代谢组学技术的不断发展和应用，获取与GDM相关的潜在生物学标志物，对GDM的发病机制、药物治疗、诊断方法及早期诊治提供了有力的依据和参考。