代谢组学在胎儿和新生儿领域的临床应用研究进展*

2023-04-05王圣雯高晶杨欣陈莹张佩滢王玉美

中国医学创新 2023年7期

王圣雯高晶杨欣陈莹张佩滢王玉美

代谢组学在胎儿和新生儿中的应用有着很大的潜力，它使用数学和统计方法解决多变量问题，能够根据细胞、组织、器官和生物体液中存在的低分子量代谢物（包括氨基酸、脂肪酸、有机酸、糖、脂质、类固醇、维生素等）来描述生物系统的化学特征。因此，代谢组学技术可以深入了解由差异基因表达、病理生理过程、异常营养状况及毒理学损伤而引起的代谢扰动[1]。胎儿出生后离开母体，代谢方式随之改变，因而描绘出胎儿及新生儿的代谢轮廓和由各种因素导致的代谢变化，在胎儿和新生儿期的营养支持、生长发育、疾病治疗及预后等多方面有重要的意义[2-3]。

1 代谢组学技术及发展

代谢组学是在基因组学、蛋白质组学后的一门新兴的系统的生物检测技术。一般来说，基因组学、蛋白质组学分别是从基因、蛋白质的层面上去探索生命的活动，但是细胞内很多生命活动（如能量的传递、细胞信号的释放等）均是在代谢层面上发生的，受代谢物的调控，因而代谢组学应运而生，用于研究某一时刻细胞内的代谢情况。其可对多种生物标本所含的代谢产物进行定量、定性检测，如血浆、血清、尿液、粪便、羊水、组织、唾液和呼吸挥发物等，从而直观的呈现出生物体的代谢谱，以此来描绘生物体的生理病理状况，在理解体内特异性的代谢变化方面有重要意义，因此被广泛地应用于流行病学、营养保健学、药理学等[4-7]。有文献证实，为了抑制或者适应机体的代谢变化，具有生物活性的外源性关键代谢物会重新编程代谢的途径，为预防疾病、治疗疾病及发现潜在药物等方面提供了理论基础[6，8]。

在实验研究中，应用代谢组学技术的目的是发现研究对象代谢物的差异，从而寻找相应的代谢通路，进而研究其对机体的影响和机制[9]。它有非靶向和靶向可供选择，其中靶向代谢组学顾名思义就是要研究指定代谢物的水平并分析相关的代谢通路，以及这些代谢通路上关键代谢物的量化[10]。非靶向代谢组学与之相反，它没有指定哪些代谢物，而是通过能取得大量的已知或未知的代谢物数据，从而分析代谢物水平的改变和相应的代谢通路，但是由于研究对象产生的代谢物是大量的，所以数据的分析和解释有赖于模式识别和判别分析技术[11]。

代谢组学的操作流程可分为三步，第一步是制备样品，第二步是测量代谢组，第三步是多变量分析数据。代谢组学的分析技术平台主要是气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、液相色谱-质谱（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）及核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR），它们的分析范围有所不同，各有优缺点，可以分别或联合应用，用于检测代谢产物（如糖类、脂质、氨基酸、有机酸等）的代谢组学研究。其中GC-MS 的优势在于敏感度高，稳定性好，弱势在于制备样品的过程比较繁琐以及鉴定新的化合物困难比较大；NMR 在自动化、鉴定和定量代谢物的方面有优势，但是需要比较高的启动成本，而且敏感度较低；LC-MS 与前两者相比在方法学、敏感度、检测代谢物范围等方面有优势，但是它的稳定性比较差，鉴定化合物困难[12-13]。现如今GC-MS 与NMR或LC-MS 联合使用被广泛用于检测小分子代谢物，这样既能保证代谢物定量分析，又能保证高特异性和敏感度。

2 代谢组学在胎儿和新生儿领域中的研究

保证胎儿和新生儿良好的生长发育和体格健康是产科和儿科医生临床工作的重点。胎儿和新生儿期的个体生长速度快，新陈代谢旺盛，代谢水平和代谢方式有其特点，但是胎儿和新生儿的代谢轮廓尚不清晰。因此利用代谢组学从代谢的角度探索胎儿和新生儿生长发育的过程以及相关疾病的发生和发展，利于更好地评估和指导胎儿和新生儿营养，制订有效的个体化干预措施，从而改善远期结局。2.1 代谢组学在评估胎儿和新生儿生长状况中的应用研究随着个体不断的生长发育，每个时期的代谢物水平和代谢途径都有所不同，特别是在胎儿期和新生儿期[14]。胎儿期是指从受精卵形成到胎儿出生这一时期，一般40 周左右。新生儿期是指自胎儿娩出脐带结扎时开始到满28 d 这一时期。代谢组学分析技术可以用于预测早产发生的风险。研究显示，谷氨酸、谷氨酰胺、丙酮酸等在母亲血清和羊水中的代谢水平在预测早产方面有重要意义，并观察到早产儿组母亲血清中的色氨酸、次黄嘌呤及焦谷氨酸下降，而脂质水平升高，它们的变化可能会成为预测早产的生物标志物[15]。其次代谢组学在产前诊断神经管缺陷、唐氏综合征等疾病也能提供帮助。研究发现患有唐氏综合征的胎儿羊水中氨基酸、胆汁酸等代谢通路有所改变[16]。通过对神经管缺陷的胎儿羊水中代谢物的研究分析显示，碳水化合物、脂类、氨基酸和核酸代谢出现紊乱[17]。

每个个体有着相似的发育轨迹，但又有着其独特的个性。不同体重新生儿的代谢物水平及代谢途径也有所不同。小于胎龄儿（small for gestational age，SGA）和大于胎龄儿（large for gestational age，LGA）与适于胎龄儿（appropriate for gestational age，AGA）在血、尿代谢产物水平上均存在差异[18-19]。国外一项对足月新生儿展开的回顾性研究发现，与AGA 新生儿相比，LGA 新生儿的多个代谢物水平升高的可能性较大，包括酪氨酸和亮氨酸[20]。另外有文献报道，SGA 新生儿血液中的缬氨酸、亮氨酸水平低于AGA[19，21]。国外有一项多中心研究证实，不同体重新生儿脐带血中的多条代谢途径（如脂肪酸、甘油磷酸、色氨酸代谢和激素信号传导等）之间有显著差异[22]。

因此，代谢组学在胎儿期及新生儿期生长状况评估中的广泛应用可以让医生更直观更准确地了解胎儿和新生儿代谢水平和代谢途径，在早期预测早产、产前诊断及生长发育等方面有重要的指导意义，将有助于提高围产期保健的水平。

2.2 代谢组学在指导新生儿营养和喂养中的应用研究营养状态影响机体功能调节，包括代谢过程，因此营养状态的好坏会对人类的健康产生深远影响。通过代谢组学的方法为新生儿营养方案提供理论依据具有重要的意义。而代谢组学与营养学联合应用，可进一步了解新生儿代谢特征，指导制订个体化的营养支持策略，对新生儿的生长发育和预防远期疾病等方面有重要意义。

近年来，营养领域的专家在确定新生儿生长和健康所必需的营养素方面取得了许多进步。新生儿肠内营养的最佳选择无疑是母乳，特别是对于早产儿，它能够满足快速生长的婴幼儿的营养需求，因母乳除了碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素和矿物质等正常营养要素外，还含有许多如生长因子、免疫刺激成分等的生物活性成分。代谢组学对母乳进行分析还发现随着新生儿不同生长发育阶段的需求，母乳中的各种营养物质也会随之改变[23]。此外，不同的喂养方式对新生儿代谢也会产生影响。有研究显示，SGA、AGA、LGA 新生儿在出生后第1 周予母乳或配方奶喂养，将不同程度地影响代谢水平，故而可以代谢的角度指导配方奶的产品设计更贴近母乳成分[18，24]。

早产儿群体是新生儿中关注的热点，其体内氨基酸、酰基肉碱等代谢产物的水平与足月儿相比明显不同，此外还包括脂肪酸氧化、三羧酸循环活性增强、核苷酸代谢紊乱、肺表面活性物质的生物合成[25]。国内有研究关于早产儿在出生后早期这一阶段对脂肪乳的耐受程度，发现早期早产儿和超早早产儿在出生后3 d 的代谢能力不足，因此，这类早产儿早期添加脂肪乳和蛋白质的剂量及添加速度方面均要慎重，不同胎龄的早产儿应用统一的配方奶、营养液是不可取的[26]。

目前，在新生儿期营养方面的研究越来越关注预防长期疾病的发展，特别是对于出生后住院或远期易出现肥胖、心血管疾病、糖尿病及代谢综合征等慢性疾病的新生儿。生命早期的1 000 d 是指从受孕起至出生后2年，其中胎儿期和新生儿期至关重要，在这一阶段适宜的营养不仅在生长发育方面起着关键作用，而且对其远期健康有着深远的影响[27]。近年来国内外很多研究发现低出生体重会导致成年期罹患糖尿病、心血管疾病等的风险增加，可能因为在宫内营养不足的胎儿为了增加存活的概率会出现一系列适应性机制，比如为了重要组织、器官的营养供应而储存葡萄糖，故而导致出生后新生儿的胰岛素分泌持续性的减少而增加了成年期肥胖、糖尿病等的发生风险[28]。然而有意思的是，一些研究显示，不只是低出生体重的新生儿，高出生体重的新生儿同样也会出现成年期罹患2 型糖尿病的风险增加，这引起了国内外很多学者的关注[29-30]。目前代谢组学方法已被用于分析SGA 和LGA 新生儿的代谢谱和代谢通路的研究中，发现它们的代谢轮廓与AGA 新生儿有显著差异，这为SGA 和LGA在临床上制订更适合的个性化的营养支持方案提供了理论基础，对改善其近远期营养代谢状况和降低不良结局发生的风险具有重要意义。此外，新生儿期过度喂养也是代谢综合征发病机制中的一个重要因素，有文献报道，新生儿期的过度喂养可能导致控制食欲、体重和新陈代谢的下丘脑基底层神经内分泌回路的“程序异常”[31]。目前在新生儿重症监护室不论是SGA 新生儿还是LGA 新生儿，其营养的目的都是为了新生儿的出生体重迅速恢复，但这显然是不够全面的。

事实上，如果遗传学确实可以调节个体对食物的反应（营养遗传学），那么越来越多的人肯定营养素可以控制基因表达（营养基因组学）和新陈代谢产物（营养代谢组学）。随着代谢组学的快速发展，其在新生儿营养研究方面的应用也越来越多，特别是在寻找与营养健康、疾病相关的生物标志物方面。

2.3 代谢组学在预测和诊断新生儿疾病中的应用研究遗传性代谢缺陷（inherited metabolic disorders，IMD）、新生儿坏死性小肠结肠炎（necrotizing enterocolitis，NEC）、新生儿支气管肺发育不良（bronchopulmonary dysplasia，BPD）、新生儿缺氧缺血性脑病（hypoxic-ischemic encephalopathy，HIE）等是新生儿时期最常见的疾病。代谢组学能够帮助更清晰准确地了解在这些疾病情况下机体的生理、生化过程，为更准确地诊断、个体化的治疗提供理论基础。

2.3.1 IMD IMD 是因为基因突变而引起不同酶、受体等缺陷，最终导致代谢产物缺乏或蓄积的一组疾病总称。异常代谢物质缺乏或累积会影响机体各个组织和器官，从而出现严重的病理状态。IMD 的种类很多，目前发现了700 多种，而检出率也在不断提高。目前IMD 的筛查方法是应用串联质谱技术检测滤纸干血片上氨基酸（amino acid，AA）和肉碱（carnitine，CA）水平来初筛新生儿IMD 的高危人群[32]。因此，通过串联质谱技术可早期发现、早期治疗来提高存活率和改善预后。

2.3.2 新生儿NEC 新生儿NEC 常常发生在早产儿中，可能与缺氧、肠道发育不成熟及定植细菌等因素有关，可导致肠道严重的炎症反应，致使肠黏膜损伤、穿孔及心血管损害，而且死亡率高，可高达50%[33]。近年来研究发现可通过代谢组学技术寻找能够预测NEC 发生的生物标志物，但仍没有能够预测其发生风险、分期、治疗效果的单一的生物标志物[34-35]。

国外有文献报道对NEC 新生儿尿中的代谢物进行代谢组学分析，发现丙氨酸及天冬酰胺的浓度下降，其中因三羧酸循环增强而导致丙氨酸水平的降低可能是导致肠道菌群失调的关键，而作为多种氨基酸前体的天冬酰胺浓度的降低可能由于肠道细胞消耗增加所致[35-36]。最近有研究显示NEC 发病的时候伴随着丙氨酸、谷氨酰胺、酮体等和炎症有关的代谢通路异常及脂质代谢紊乱，而且其异常紊乱的程度能预测NEC 严重的程度[37-38]。另外精氨酸不断被证实与NEC 的发生密切相关，早产儿NEC 血浆中精氨酸、瓜氨酸的浓度偏低，两者在维持肠道完整性方面有重要作用[39]。国外的一项双盲随机对照试验通过给极低出生体重新生儿肠内补充L-精氨酸，结果显示NEC Ⅲ期的发生率明显下降，因此预防性使用L-精氨酸来避免NEC 的发生已经进入临床试验阶段[40]。

2.3.3 新生儿BPD 新生儿BPD 是一种慢性的肺部疾病，常见于早产儿，可表现为持续性的呼吸窘迫，而氧化应激已经被证实是BPD 发生的高危因素，它可能发生在新生儿早期，甚至是产前就已经发生[41]。通过代谢组学早期识别易患BPD 的高危新生儿，可采取有针对性的治疗手段，降低BPD 发生的严重程度及并发症。

Fanos 等[42]应用H-NMR 光谱分析新生儿出生时的尿液，发现牛磺酸、三甲胺氮氧化物（TMAO）、乳酸、肌醇浓度的增加和葡萄糖酸盐浓度的降低有望作为预测BPD 的生物标志物，而且结果显示BPD可能与早期肺芽、支气管树、肺细胞发育不良等异常发育有关，并且可以被认为是先天性疾病（表观遗传学）。

2.3.4 新生儿HIE 新生儿HIE 的主要表现为脑水肿、脑实质缺血坏死、脑神经坏死等[43]。众所周知，重度窒息预后差，常常会出现严重的长期的神经系统后遗症，那么是否能通过生物标志物来预测窒息的程度呢？Walsh 等[44]通过脐带血的代谢组学研究描述了足月HIE 的代谢物水平，发现29 种代谢物在研究组之间发生了显著变化，而且可能有代谢物能够预测HIE 的严重程度。除了脐带血代谢物发生改变以外，国外一项前瞻性研究发现HIE 新生儿的尿液中氨基酸、酰基肉碱、肌醇、丙酮酸等代谢物与对照组之间有明显差异[45]。

应用代谢组学技术来预测窒息缺氧的严重程度，从而可及早识别、有效地进行治疗，降低HIE严重后遗症的发生风险。目前亚低温治疗被代谢组学证实了其在HIE 治疗中的有效性[46]。Wisnowski等[47]应用磁共振波谱（1H-MRS）研究了在亚低温和复温后31 例患有HIE 的新生儿，从丘脑、基底神经节、皮质灰质和大脑白质测定代谢物浓度，发现与复温后相比，亚低温期间磷酸肌酸浓度增加了20%，而游离肌酸浓度降低，同时发现谷氨酸、天冬氨酸和γ-氨基丁酸（GABA）的浓度减少，而牛磺酸和谷胱甘肽的浓度增加。这些发现支持亚低温通过降低兴奋性神经递质的有效性，从而降低细胞能量需求来改善能量稳态。

3 代谢组学在胎儿和新生儿领域中的现状及展望

目前代谢组学在胎儿和新生儿中的应用还处于初步阶段，在个体不同状态下发现的差异代谢物及其代谢通路在临床上应用还需要更多更深入的研究。随着代谢组学技术的不断发展和完善，需要进一步探究和确立代谢物可靠的参考水平，这有助于探究胎儿期和新生儿期机体代谢的状况，为生长发育、营养支持等提供可靠依据。同时为新生儿期常见疾病寻找可靠的生物标志物，从而达到早期识别、准确诊断、个性化治疗和评估预后等目的。