基于代谢组学的多囊卵巢综合征研究进展

杨欣，曹金龙，李晓凤，陶丽梅，王芳

(兰州大学第二医院，兰州 730030)

多囊卵巢综合征(PCOS)是一种最常见的异质性内分泌代谢紊乱性疾病，发病率逐年升高，在全球影响着约5%～20%育龄期女性的身心健康。其主要内分泌代谢特征是雄激素增多、胰岛素抵抗(Insulin resistance，IR)及代偿性高胰岛素血症、肥胖及脂质代谢紊乱和低度慢性炎症，长期发展可导致糖尿病、免疫系统紊乱、心血管系统疾病和妇科肿瘤的发病率升高[1-2]。PCOS的病因复杂，同时受到遗传、环境和生活方式的影响，涉及多系统、多部位、多种病变，它们之间相关影响，形成恶性循环，目前发病机制仍未完全明确，给临床治疗提出了巨大的挑战[3]。代谢组学是继基因组学与蛋白质组学后而发展起来的，直接与遗传、环境等因素相关并受其影响，与前二者相比，代谢组学具有一个很明显的优势，即清晰的揭示了某种疾病状态下机体确切发生的代谢改变，明确了疾病状态下机体的生物标志物，为临床的诊断及治疗提供了新方向[4]。近年来，代谢组学在PCOS及其相关的多种代谢紊乱现象中均有研究。本文就代谢组学在PCOS中的应用现状及研究进展做一综述，旨在加深对PCOS的认识与理解。

一、代谢组学概述

疾病的发生与转归是实时改变的，尤其对于分泌代谢性疾病，基因水平及蛋白质水平已不能充分揭示发病机制。随着先进分析技术和生物信息学的不断发展，代谢组学应运而生，作为一种全新的整体诊断工具在临床和生物医学研究中广泛的应用，通过定性、定量检测某种病理生理状态下生物样本中的小分子物质，准确反映疾病当前状态的生物代谢特点，有利于了解疾病进展中的病理生理过程，寻找疾病新的诊断及预后生物标志物，为临床治疗提供新思路[5]。目前，代谢组学技术主要包括核磁共振法(Nuclear magnetic resonance，NMR)、液相色谱-质谱法(Liquid chromatography-mass spectrometer，LC-MS)及气相色谱-质谱法(Gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)，不同的技术方法各有特点。其中NMR最大的优点是可以保留样本的完整性且具有良好的客观性，但其灵敏度偏低、分辨率差，以至于常常高丰度的分析物掩盖低丰度分析物；LC-MC适用于大分子、不易挥发的代谢物，样本为临床常见的血液、尿液等，具有较高的灵敏度和分辨率；GC-MS适用于小分子、易挥发的代谢物，灵敏度和分辨率同LC-MC，但因检测样本为易挥发物质，因此处理时易使代谢物变性，导致检测结果准确性减低[6-8]。

二、代谢组学在PCOS不同表型中的应用

1.PCOS高雄激素血症：高雄激素的生化指标或临床表现是PCOS的诊断标准之一，同时高雄激素状态会促进PCOS患者IR、肥胖及慢性炎症等的发展。此外，PCOS患者孕期母体持续存在的高雄激素状态可能使子代产生类似的内分泌代谢紊乱，这也是PCOS患病率持续增长的一个重要原因。因此控制PCOS患者高雄激素的发展，有可能逐渐降低PCOS的发病率[9]。最近一项基于GC-MS分析显示，PCOS伴高雄激素血症患者与健康育龄期女性相比，其棕榈油酸、亚油酸、柠檬酸、天冬氨酸等水平增加，而苏氨酸、肌醇、3-羟基丁酸、异亮氨酸等水平下降，这些代谢物涉及丙氨酸、天冬氨酸等的代谢及缬氨酸、亮氨酸的生物合成和柠檬酸循环[10]；其中亚油酸可影响卵母细胞成熟、抑制卵母细胞的发育潜能，这从另一角度揭示了PCOS伴高雄激素血症患者排卵障碍可能的机制，也提示通过补充亚油酸有可能改善PCOS高雄激素状态，促进排卵。PCOS伴高雄激素血症患者与PCOS伴胰岛素抵抗患者相比，其乳酸、苯丙氨酸、棕榈油酸和胆固醇等升高，而苏氨酸水平下降[10]，其中乳酸水平增加可通过糖异生途径在肝脏生成葡萄糖，进而揭示PCOS高雄激素血症促进IR的可能潜在机制。因此，适当运动、控制乳酸水平可有效降低PCOS患者雄激素水平、改善IR。

2.PCOS胰岛素抵抗：IR作为PCOS代谢紊乱中最重要的改变，约占PCOS患者的50%～70%，同时IR促进高雄激素血症的发生，加重PCOS患者高雄激素状态，影响卵巢功能，并促进PCOS患者子宫内膜病变，增加PCOS患者远期并发子宫内膜病变的风险[11-12]。基于LC-MS显示，PCOS伴高胰岛素血症患者其游离脂肪酸及磷脂胆碱水平高于PCOS胰岛素水平正常患者，然而其溶血磷脂酰胆碱水平却显著下降。研究表明，溶血磷脂酰胆碱有抑制炎症反应、改善氧化应激等作用，其表达水平在PCOS伴高胰岛素患者当中下降，提示该部分PCOS患者机体炎症反应及氧化应激状态更显著[13]。而机体溶血磷脂酰胆碱主要由磷脂酶A2作用合成，这从另一方面提示改善PCOS患者体内磷脂酶A2活性升高可改善PCOS患者的IR、高胰岛素水平及炎症反应、氧化应激状态。另有研究者基于代谢组学分析了PCOS胰岛素抵抗、PCOS非胰岛素抵抗与正常人群代谢后发现：高甘油三酯及脂肪酸作为PCOS胰岛素抵抗生物标志物，而癸酰基肉碱可作为PCOS非胰岛素抵抗的生物标志物[14]，这项研究首次采用代谢组学方法精准区别PCOS胰岛素抵抗与PCOS非胰岛素抵抗的代谢差异。此外，在硫酸脱氢表雄酮诱导的PCOS大鼠中，其骨骼肌IR的发生主要与线粒体损伤相关，而非脂质积聚[15]，提示PCOS患者的IR产生原因在于机体能量代谢紊乱，脂代谢紊乱可能仅为PCOS患者的另一表现，而与IR发生关系甚微。

3.PCOS肥胖及脂代谢紊乱：众所周知，脂肪组织不单是储能器官，而且具有极其重要的内分泌功能，参与PCOS患者IR及高胰岛素血症、低度慢性炎症的发病和远期心血管系统病变的进展，也因此控制体重成了治疗PCOS的一线措施[16]。PCOS患者脂代谢组学显示：相对于对照组，PCOS患者甘油三酯、胆甾烷-3β，5α，6β-三醇、5α-胆甾烷、月桂二烯酰肉碱均显著升高，而甘油二酯、磷酸胆碱水平却有下降趋势[17]，其中月桂二烯酰肉碱水平的升高有对抗磷酸胆碱水平下降的作用，提示PCOS患者的脂代谢异常可能与脂质过氧化物作用相关。此外，脂质过氧化物沉积是铁死亡(Ferroptosis)一个重要特点，铁死亡参与生物体多种代谢改变、炎症反应及肿瘤发生[18]，而PCOS患者体内往往伴随着多种代谢改变、低度慢性炎症，并且PCOS患者远期罹患肿瘤如子宫内膜癌风险是显著增加的，推测铁死亡可能与PCOS发病机制相关，但目前国内外尚无研究，值得后续探索。

三、代谢组学在PCOS不同代谢物中的应用

1.血清：采用 GC-MS分析PCOS患者血清，结果显示PCOS的特征改变是氨基酸、碳水化合物、类固醇激素、脂质和嘌呤代谢紊乱，其中总胆固醇、尿酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和苏氨酸改变最为显著。此外已有研究证实，健康育龄期女性体内高尿酸水平会导致无排卵机率增加、心血管疾病风险增高[19]。据此推测，尿酸水平的升高可能与PCOS的排卵功能障碍有关，这从另一角度阐明了PCOS排卵障碍的机制。此外，在心肌细胞中，高尿酸可导致心肌细胞胰岛素抵抗、糖代谢受抑制[20]，这可能是PCOS患者并发远期心血管疾病的原因。因此，控制PCOS患者尿酸水平，可能会降低PCOS远期并发心血管疾病风险。基于LC-MC对PCOS患者血清分析显示[21]：PCOS患者代谢异常主要集中在脂质代谢、肉碱代谢、雄激素代谢及胆汁酸代谢，在该研究中，PCOS患者血清胆汁酸水平下降是不同于以往的新发现，这可能是PCOS患者脂代谢异常的病因；此外，胆汁酸的代谢异常可能是PCOS患者的糖代谢紊乱及远期并发糖尿病风险增高的另一潜在病因。

2.尿液：采用GC-MS分析PCOS患者尿液显示，PCOS尿液代谢物主要集中在短链脂肪酸、游离脂肪酸、氨基酸和其他等4类，其中除琥珀酸水平下降外，其余代谢物均上升[22]，琥珀酸水平的改变与卵泡液中相一致；此外有研究表明，琥珀酸作为三羧酸循环的重要中间物，与琥珀酸受体相结合，可改善糖尿病患者的骨代谢紊乱[23]。因此，我们推测，PCOS患者在低水平琥珀酸情况下，远期并发骨质疏松、骨折等风险增高。采用LC-MC分析显示，PCOS尿液中显著改变的代谢物为芳香杂环化合物、氨基酸和肽、脂类及其他等4类，其中大部分芳香杂环化合物含量是下降的(尤其是尿胆素)，而氨基酸和肽类表达则升高(尤其是苯丙氨酸)；此外，该研究还发现了2种新的PCOS尿液生物标志物：葡萄糖醛酸睾酮和11α-羟孕酮[24]。与血睾酮不同的是，尿睾酮已为最终代谢产物，不会再发生其他的代谢改变，因此尿睾酮可用来评价雄性激素发生确切变化。

3.卵泡液：有研究者对PCOS患者与正常人群卵泡液进行了代谢组学分析，结果显示，PCOS患者卵泡液中显著升高的有脂肪酸、3-羟基壬基肉碱、20-碳五烯酸及甾体激素、去氧皮质酮、苯丙氨酸和亮氨酸，而生物活性脂类、溶血磷脂酰胆碱、植物碱及溶血蛋白则显著降低[25]，其中苯丙氨酸和亮氨酸这两种功能氨基酸在控制胰腺分泌及激活雷帕霉素靶蛋白受体上有重要作用。此外，有研究发现，维生素B6代谢相关代谢物在PCOS卵泡液中显著改变[26]。维生素B6的代谢在糖原和氨基代谢的途径中起作用，并参与神经递质的合成，这同时揭示了PCOS糖代谢紊乱的另一潜在途径。另有研究者基于NMR发现[27]，在众多不孕患者当中，有PCOS疾病的患者卵泡液与正常对照组卵泡液有显著差异，主要表现为乙酸、β-羟基丁酸、亮氨酸、苏氨酸和乳酸水平下降，葡萄糖、肌酸和甘油的水平上升，而这些改变大多与卵泡液内能量代谢相关，提示异常的能量代谢可能干扰卵泡功能、影响卵母细胞成熟、降低PCOS患者妊娠率、增加不孕率。

四、代谢组学在PCOS疗效评价方面的应用

有研究者将抗雄激素药物氟他胺及治疗糖尿病药物吡格列酮、二甲双胍联合应用于PCOS，并对治疗前后PCOS患者进行代谢组学分析，结果显示：PCOS患者血清中氧化的LDL及其下游代谢氧化产物，例如壬二酸和戊二酸均显著下降；除此以外，治疗后PCOS患者颈动脉内膜中层厚度也在减少[28]，提示该治疗方法可显著改善PCOS患者氧化应激状态，降低PCOS患者远期并发心血管疾病的风险。肌醇作为治疗PCOS一种新型药物，可以显著改善PCOS患者多种代谢异常。代谢组学显示，肌醇治疗后，PCOS患者当中3-甲基-1-羟基丁基-二磷酸硫胺、缬氨酸、苯丙氨酸显著增高，而异癸酮酸、亚油酸、乳酸、棕榈酸及血糖由高水平逐渐下降[29-30]，这些代谢物显著改变揭示了肌醇对PCOS患者IR及脂代谢紊乱改善的代谢机制。Lu等[13]基于LC-MS分析我国传统中药补肾化痰方对PCOS患者应用效果时显示：在补肾化痰方治疗后，PCOS患者除脂代谢明显改善之外，其血清甘油磷酸乙醇胺、肌酸水平显著下降，降低的肌酸水平可减少胰岛素分泌，改善PCOS患者IR；此外，在高胰岛素血症患者中，另有赖氨酸、硫酸苯酚、苯丙氨酸水平下降及鸟氨酸、脯氨酸、甜菜碱、乙酰胆碱水平上升，其中甜菜碱水平的升高可降低高同型半胱氨酸血症，尿素循环中鸟氨酸水平的升高可降低精氨酸/鸟氨酸比值，共同参与心血管保护、改善抗氧化状态；最后，补肾化痰方还有降低PCOS患者炎症反应的作用，进而揭示了中医药治疗PCOS的潜在机制，从另一角度也说明中药补肾化痰方可以降低PCOS远期并发症发生率。

五、总结与展望

迄今为止，代谢组学技术蓬勃发展，应用广泛，为医学领域的发展做出了突出贡献。但是，代谢组学技术也存在一定的不足与挑战。首先，许多组织标本在离体后代谢成分很快发生改变，也因此针对不同的标本，有不同的提取和处理方法：如血清标本，应含EDTA抗凝管中，混匀后离心，并迅速转移，-80℃冻存；尿液标本，应取晨起中段尿，多管分装，迅速-80℃冻存。其次，代谢组学分析技术的不同，各种分析技术各有优劣，其结果及其侧重点可能不同。再次，代谢组学得到的数据复杂多样，这就要求我们在数据处理上严谨细致。最后，就目前基于代谢组学对PCOS的研究而言，整体样本量偏少。因而后续的研究应在扩大样本量的基础上，严格设计实验方案、寻找最佳的实验样本和代谢组学技术，以期达到对PCOS的早期准确诊断，采取有效的治疗方案，预防PCOS远期并发症发生。