氨基酸代谢组学在早产儿的临床应用

罗丽艳，钟庆华，段江，梁琨

(昆明医科大学，云南 昆明 650500)

0 引言

代谢组学是新兴起的学科，其效仿基因组学和蛋白质组学的研究思想，对生物体内所有代谢物(大都是相对分子质量1000以内的小分子物质)进行定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化的相对关系，对疾病发病机制的阐明以及诊治具有广泛的应用前景[1]。新生儿从胎儿期依赖母体代谢到自身代谢的建立，经历巨大的代谢变化，其代谢水平和代谢方式不同于其他生长阶段的儿童及成人[2-3]。早产儿作为新生儿中的特殊群体，特别是低出生体重儿，为了实现其确定的生长轨道而采取追赶性生长，其代谢组学的变化与其生长发育、疾病的发生及预后、代谢综合征等的发生密切相关[4]。本文综述了早产儿氨基酸代谢的特点、氨基酸补充的策略及氨基酸代谢在早产儿常见疾病中的变化，以期为氨基酸代谢组学广泛应用于临床诊治提供思路。

1 早产儿氨基酸代谢的特点

早产儿是新生儿中的特殊群体，其脏器生理功能的发育尚不完善，一些氨基酸代谢相关的酶活性不足，致使部分氨基酸合成受到抑制，其甘氨酸、组氨酸、谷氨酸等10种物质在早产儿中明显降低，而精氨酸在早产儿组升高[5]。早产儿尿代谢谱中生糖氨基酸如甘氨酸、羟脯氨酸等以及三羧酸循环产物比如酮戊二酸、柠檬酸盐及琥珀酸盐等水平均升高[6]。另外，早产儿在其生后早期氨基酸代谢途径也未发育成熟，一些相关的酶活性不足，可导致氨基酸的代谢受阻，例如，早产儿体内胱硫醚酶活性低下导致半胱氨酸合成受阻；苯丙氨酸羟化酶活性低下导致酪氨酸合成不足，血中的酪氨酸降低。但是，早产儿在其生后的追赶性生长中，组织蛋白更新速度快，但内源性氨基酸贮存有限，自身脂肪存储不足，动员不充分，处于能量短缺状态。Wang L等的研究发现，在极低出生体重早产儿从肠外营养过渡到肠内营养过程中，瓜氨酸、苏氨酸等四种氨基酸浓度降低是宫外发育迟缓的危险因素，而且降低的瓜氨酸浓度与蛋白质和能量缺陷存在正相关[7]。

另外，早产儿出生后由于各器官发育尚欠成熟，易出现各种并发症，还可能受到应激、疾病、氧疗等多种因素的影响，导致其对谷胱甘肽、甘氨酸、精氨酸及牛磺酸等氨基酸需求亦会大大增加[8-12]。

2 氨基酸代谢与早产儿营养支持策略

有研究报道称头围生长不良与后期神经认知功能受损相关[15,16]。Morgan等人报告说，早产儿在早期蛋白质摄入可以促进头围生长[17]。Lucas等人报道了早期给予蛋白质促进了早产儿精神运动发育[18-20]。基于这些研究，积极营养方案的概念就一直被广泛接受，建议早产儿蛋白质尽早摄入。为了避免宫外生长发育迟缓，美国儿科学会提出早产儿的最佳营养方案应该模仿相同孕周胎儿的宫内生长，于是“积极营养方案”的概念就诞生了[21]。但是，一些新生儿专家对此抱有怀疑态度，因为其对促进早产儿后期精神运动发育的证据有限[22,23]。所以，早产儿氨基酸应用的适当时机和剂量还存在争议[24]。

维持胎儿在宫内生长大概需要氨基酸4g/(kg·d)，它们通过胎盘从母亲转移到胎儿，其中一半用于蛋白质合成，另一半被分解代谢以合成能量[25-28]。众所周知，氨基酸作为非蛋白氮用来供能效率并不高，而且氨基酸分解产生的氨对人体有毒，需通过尿素循环转化为尿素进行代谢排出，而尿素循环消耗的能量几乎与蛋白质分解代谢产生的能量相同。Van Goudoever描述了在生理条件下，胎儿氨基酸摄入量超过了蛋白质合成所需的量。过量的氨基酸被氧化，并极大地促进了胎儿的能量生成[29]。另有研究证实胎儿中的氨基酸被氧化，脐动脉中的氨含量比脐静脉中的氨含量高得多[30]。这些事实表明，人类胎儿通过将氨基酸转化为氨来释放能量，然后氨通过胎盘转移给母亲。因此，胎儿不需要消耗能量来参与氨的代谢。但是，早产儿在尿素循环中需要消耗能量。基于这些考虑，至少在蛋白质代谢方面，早产儿与胎儿完全不同。换句话说，蛋白质是胎儿的有效能源，但不是早产儿的有效能源。因此Masahiko Kawai认为尽管胎儿可以耐受4 g/kg的氨基酸，但早产儿可能无法耐受与胎儿相同的氨基酸，过多的氨基酸只是作为分解供能，并未得到充分利用[31]。

尽管目前大多数研究支持早期给予高剂量氨基酸的营养策略，认为补充2-4g/(kg·d)氨基酸有利于促进过渡期蛋白合成，维持正氮平衡，普遍提高血游离氨基酸水平，增加体重增长速度，而对血生化指标(肌酐、尿素氮、甘油三酯、 胆固醇、胆红素等)无明显影响，或仅有尿素氮一过性升高[32]。但也有研究发现过高的氨基酸剂量及蛋白质与非蛋白能量摄入的比例不恰当反而导致生长发育受限[33]。因此，国内外指南目前推荐推氮与非蛋白热卡的比例在lg：100 - 200 kcal，以确保蛋白质的充分利用[13,14]。因此氨基酸补充最优营养策略应该是个体化方案。

3 氨基酸代谢组学与早产儿疾病的关系

通过对早产儿氨基酸代谢组学的研究，发现其在追赶性生长、疾病及远期发生的糖尿病、肥胖、心血管疾病等代谢综合征中具有异常的代谢产物变化，从而寻找相应的生物分子标志物是目前临床研究的热点。

3.1 新生儿坏死性小肠结肠炎(necrotizing enterocolitis,NEC)

新生儿坏死性小肠结肠炎是新生儿期常见的严重威胁患儿生命的疾病，90%以上为早产儿，病死率高达10-50%[34]。病因及发病机制仍未完全明了，主要是因为早产儿肠道发育不成熟，血供调节能力差，肠蠕动弱，导致食物易滞留及发酵，再加上胃酸低，对致病菌杀灭弱，并且肠道对各种分子和细菌的通透性高，肠道SIgA低下，细菌就更容易侵入肠道繁殖。研究表明，早产儿 NEC 中血浆瓜氨酸和精氨酸水平较低[35]，而这两种物质对肠道完整性至关重要。另有研究证实精氨酸、精氨酸/不对称二甲基精氨酸的比例与NEC 患儿的死亡率相关[36,37]，故补充L- 精氨酸已经作为预防 NEC 的重要临床手段。目前国内外研究还发现 NEC 发病时即伴有谷氨酸、谷氨酰胺、酮体和丙氨酸代谢通路的异常以及脂质代谢的紊乱，并且代谢紊乱的程度与 NEC 的严重程度正相关[38,39]。而张雯婷等[40]在NEC大鼠肠内容物代谢谱中发现精氨酸、脯氨酸、组氨酸和谷胱甘肽代谢通路氨基酸产物显著高于正常大鼠。检测肠内容物尤其是氨基酸代谢组对NEC诊断可能有重要意义，改善肠道微环境可能是防治NEC的重要手段。

3.2 支气管肺发育不良(bronchopulmonary dysplasia,BPD)

支气管肺发育不良又称为新生儿慢性肺病，是早产儿呼吸系统常见疾病，能严重影响早产儿的存活率及生活质量[41]。其发生由多种因素引起，本质是在遗传易感性的基础上，氧中毒，感染或炎症等因素对发育不成熟的肺导致的损伤。Pintus[42]等人在研究了18例新生儿，其中7例发展BPD，在生后第7天收集尿液样本，发现BPD组和非BPD组之间的代谢模式不同，他们确定的鉴别代谢物是丙氨酸、甜菜碱、氧化三甲胺、乳酸和甘氨酸。BPD 组的新生儿尿甘氨酸水平较低。甘氨酸在谷胱甘肽合成中起着重要的作用，它具有重要的抗氧化作用，因此甘氨酸的减少可能与氧化应激的增加或缺乏抗氧化防御有关。另有学者在早产儿生后第一天取支气管肺泡灌洗液检测，发现其后发展成BPD的新生儿的丙氨酸、丝氨酸、牛磺酸和瓜氨酸水平高于未发展为BPD组[43]。牛磺酸在渗透调节、膜稳定和解毒方面具有基本的生物学作用，它的升高似乎与缺氧有关。而瓜氨酸是一种非必需氨基酸，它是精氨酸的前体，是生产一氧化氮的底物。李思涛[44]等研究BPD患儿生后36 h内及生后第3周血液代谢物特征性变化发现甘氨酸、脯氨酸、色氨酸均低于对照组，提示它们在BPD早期诊断中可能具有潜在的应用价值。

3.3 早产儿视网膜病变(retinopathy of prematurity,ROP)

早产儿视网膜病变常见于孕36周以下、低出生体重、长时间吸氧的早产儿，其本质为在各种原因作用下未血管化的视网膜发生纤维血管瘤增生、收缩，并进一步牵拉导致视网膜脱离和失明。Sarici等[45]在一项前瞻性病例对照研究，对胎龄＜34 周的80例早产儿的研究中发现ROP患儿同型半胱氨酸水平较对照组明显升高。罗晓燕等[46]研究发现谷氨酸浓度与ROP病变的发生呈正相关，是ROP的独立危险因素。因此检测谷氨酸浓度可能有助于ROP的筛查[47]。

3.4 早产儿脑白质损伤(premature infant injury in white matter of brain)

早产儿脑白质损伤是早产儿特有的脑损伤形式之一，会造成小儿神经系统后遗症，如脑瘫、视听功能异常，认知障碍等。目前临床上主要测量特定区域的N-乙酰天门冬氨酸、乳酸的含量及其与胆碱、 肌酸的相应的比值反映其脑代谢及脑发育的情况。通常认为，脑白质损伤患儿乳酸明显升高，N-乙酰天门冬氨酸明显降低[48]。另有研究发现超低出生体重早产儿的早期尿液代谢谱能够区分具有中、重度异常的皮质灰质和白质患儿的代谢特征。脑白质中/重度异常的患儿尿液中乳酸及亮氨酸显著增加，尿液代谢谱可能在早期识别脑损伤风险的新生儿具有一定价值[49]。

3.5 代谢综合征

代谢综合征是人体的蛋白质、脂肪、碳水化合物等物质发生代谢紊乱的病理状态，并以中心性肥胖、高血压、高血糖及血脂异常为特征的一组复杂的代谢紊乱症候群。健康与疾病的生命起源假说指出，代谢异常可能起源于胎儿期，故在出生早期就表现出代谢异常。在大鼠动物研究发现，支链氨基酸中异亮氨酸水平的增加与肥胖症和胰岛素抵抗有关[50]。另有研究在5-7岁儿童中根据其出生分为足月儿组及早产组(＜32周)，通过检测血中氨基酸的变化发现在早产人群中，支链氨基酸含量较低，丙氨酸/赖氨酸比值明显较高。这与发生心血管疾病风险密切相关，可能需要长期随访[51]。

3.6 其他疾病

此外在早产儿颅内出血、早产儿胆红素脑病等都发现氨基酸代谢的异常[52-54]。氨基酸代谢只是早产儿代谢组学的一个方面，代谢的变化还涉及糖、脂肪、激素及辅酶等物质。只有全面综合分析才能体现氨基酸代谢的特点及意义。

4 总结与展望

早产儿的氨基酸代谢与早产儿营养、生长发育、疾病发生及预后密切相关。积极开展氨基酸代谢组学在早产儿营养、疾病发生及生长发育等方面的研究，将有助于对早产儿进行个性化的营养强化，积极预防各种危重早产儿并发症，提高早产儿救治水平，达到改善早产儿均衡营养、促进早产儿生长发育，降低代谢综合征的发生，改善早产儿远期预后的目的。