基于唾液、血清和尿液代谢组学揭示妊娠期糖尿病的发病机制及早期预测新策略

《Nature Communications》：Metabolomics of saliva, serum, and urine for pathogenesis, diagnosis, and prognosis in gestational diabetes mellitus

本研究针对妊娠期糖尿病（GDM）发病机制不明确、早期预测工具缺乏的临床难题，通过采用纳米结构辅助激光解吸电离飞行时间质谱（NALDI-TOF-MS）技术，首次系统分析了孕中期唾液、血清和尿液样本的代谢组学特征。研究团队成功鉴定出54个GDM相关差异代谢物，构建了诊断效能优异的GDM判别模型（内部测试AUC=0.868）和不良结局预测模型，并发现11个代谢物在孕早期已发生显著改变，为GDM的早期干预提供了新的生物标志物组合。该研究发表于《Nature Communications》，为阐明GDM代谢紊乱机制和开发精准防控策略提供了重要理论依据。

　　

在全球范围内，妊娠期糖尿病（GDM）的发病率高达14.0%，这种妊娠期特有的代谢紊乱疾病不仅会增加先兆子痫、剖宫产、早产、巨大儿等不良妊娠结局的风险，更会对母婴远期健康造成持续影响，显著提升肥胖、糖尿病和心血管疾病等代谢性疾病的发病风险。尽管GDM的临床重要性日益凸显，但其发病机制尚未完全阐明，且目前诊断金标准——孕24-28周口服葡萄糖耐量试验（OGTT）存在耗时长、易引起恶心等不适的局限性。更关键的是，当临床确诊GDM时，代谢紊乱往往已对机体造成损害，因此开发有效的早期预测工具迫在眉睫。

代谢组学作为系统生物学的重要分支，通过分析生物体内小分子代谢物（分子量<1000 Da）的变化，能够直接反映机体真实的生理病理状态。与基因组学和蛋白质组学相比，代谢组学具有样本易得、检测便捷、更能体现功能变化等优势。以往研究多局限于单一生物流体（如血浆或血清）的代谢组学分析，难以全面揭示GDM复杂的代谢特征。唾液作为一种可无创获取的生物样本，含有大量反映机体代谢状态的分子，但在GDM研究中的应用尚未深入探索。

针对这一研究空白，浙江大学医学院附属妇产科医院梁朝霞教授团队在《Nature Communications》上发表了题为“Metabolomics of saliva, serum, and urine for pathogenesis, diagnosis, and prognosis in gestational diabetes mellitus”的研究论文。该研究首次将唾液、血清和尿液三种生物样本的代谢组学分析相结合，系统揭示了GDM的代谢特征，并开发了高效的诊断和预测模型。

研究团队采用前瞻性巢式病例对照设计，纳入了来自浙江大学医学院附属妇产科医院的多个队列。主要样本收集自孕中期（妊娠24-28周）的孕妇，同时采集了孕早期（妊娠9-13周）样本用于早期预测研究。样本处理采用高质量控制流程：唾液样本使用特定设备收集后经双膜过滤去除杂质；血清样本通过蛋白沉淀和液液萃取相结合的方法处理；尿液样本采用尖端接触萃取法，无需有机溶剂。代谢物检测使用纳米结构辅助激光解吸电离飞行时间质谱（NALDI-TOF-MS）技术，该技术具有高重现性、高通量的优势。数据分析包括多变量统计分析、差异代谢物筛选、代谢通路富集分析以及机器学习模型构建等多个环节。

基线特征

研究共纳入1241名孕中期孕妇，根据OGTT结果分为GDM组和非GDM组。两组在年龄、孕次、产次、教育程度、体重指数（BMI）和采样孕周等方面无显著差异，但GDM组的糖尿病家族史、空腹血糖（FBG）、餐后1小时血糖（1h-BG）、餐后2小时血糖（2h-BG）、糖化血红蛋白（HbA1c）和胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）均显著高于非GDM组，表明队列匹配良好，代谢差异主要源于GDM状态。

孕中期多样本代谢特征改变

质控样本分析显示检测平台稳定可靠。共鉴定出370种代谢物，其中14种同时存在于三种样本中。在发现集和验证集中，GDM患者中共鉴定出54个差异代谢物，包括唾液7个、血清40个和尿液7个。这些代谢物主要富集在丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，半胱氨酸和蛋氨酸代谢，嘧啶代谢等关键通路。

差异代谢物在多样本间存在密切相互作用。5-甲基呋喃-2-羧酸在血清和尿液中均显著降低，而黄嘌呤在唾液中升高却在尿液中降低。相关性分析显示，6个唾液代谢物、20个血清代谢物和5个尿液代谢物相互关联，如唾液L-谷氨酰胺与10个血清代谢物显著相关，血清双去甲生物素与唾液草酰乙酸和4个尿液代谢物负相关。

GDM生物标志物与糖代谢异常关联

研究进一步分析了54个差异代谢物与OGTT血糖值和HOMA-IR的关联，筛选出50个GDM生物标志物（唾液6个、血清37个、尿液7个）。其中16、44、45和3个代谢物分别与FBG、1h-BG、2h-BG和HOMA-IR相关。值得注意的是，仅血清酪醇-4-硫酸酯与所有OGTT血糖值和HOMA-IR均呈正相关，而14个血清代谢物（如不对称二甲基精氨酸、甘氨酰赖氨酸、苹果酸等）与三项OGTT血糖值均相关。

GDM判别模型的构建

基于50个GDM生物标志物，研究构建了7种判别模型。其中多样本组合模型表现最优，内部测试集AUC达0.868（95%CI：0.781-0.955），敏感性和特异性分别为82.9%和80.0%。特别值得注意的是，基于无创样本（唾液+尿液）的模型效能（AUC=0.836）优于单一有创样本（血清，AUC=0.779），而在真实世界队列验证中，多样本模型仍保持良好判别能力（AUC=0.796）。

GDM生物标志物的预后预测价值

GDM生物标志物与临床指标和不良结局显著相关。血清生物标志物主要与孕晚期尿酸水平、胎儿头围以及剖宫产、新生儿高胆红素血症风险相关；唾液生物标志物与孕晚期FBG和新生儿低血糖相关；尿液生物标志物则与孕晚期收缩压相关。基于这些标志物构建的不良母婴结局预测模型在内部测试集（AUC：0.764和0.838）和外部验证集（AUC：0.726和0.792）均表现出良好预测能力。

孕早期GDM生物标志物改变

研究发现11个GDM生物标志物在孕早期已发生显著改变，包括唾液1个、血清9个和尿液1个。其中唾液二甲基乙醇胺，血清不对称二甲基精氨酸、甘氨酰赖氨酸、苹果酸、酪胺-O-硫酸酯和尿苷在GDM患者孕早期和孕中期均呈现一致性升高趋势。进一步分析显示，孕早期唾液二甲基乙醇胺（OR=2.97）、血清不对称二甲基精氨酸（OR=1.25）和血清酪胺-O-硫酸酯（OR=3.58）水平升高与GDM发病风险显著相关。基于这些标志物构建的GDM早期预测模型在内部测试集和真实世界队列中分别达到0.767和0.744的AUC值。

本研究通过多样本代谢组学分析，首次系统揭示了GDM患者唾液、血清和尿液中的代谢物改变及其相互作用，为理解GDM发病机制提供了新视角。研究发现的不同生物流体中代谢信息的异质性提示，多样本联合分析能更全面反映GDM的代谢特征。与既往研究相比，本研究的独特优势在于大样本前瞻性设计、真实世界队列外部验证、NALDI-TOF-MS技术应用以及首次从唾液中识别GDM生物标志物。

从临床转化角度，基于多样本代谢组学的GDM判别模型展现了优于传统单一生物流体的诊断效能，而无创样本（唾液+尿液）模型的良好表现更为未来无创诊断提供了可能。尽管目前代谢标志物在成本效益方面可能尚未显著优于传统临床因素，但本研究开发的早期预测模型将GDM风险识别窗口显著提前至孕早期，为早期干预提供了宝贵机会。

研究的局限性包括单中心设计、种族多样性不足以及无法证实代谢物与GDM的因果关系。未来需要多中心研究、纵向样本收集和实验机制探讨来进一步完善GDM的代谢机制认识。

总之，这项研究不仅深化了对GDM代谢发病机制的理解，更重要的是开发了一套具有临床应用潜力的GDM早期预测、诊断和预后评估工具，为改善GDM母婴健康结局提供了新的思路和策略。随着代谢组学技术的不断进步和成本降低，这种多样本联合分析策略有望在未来GDM精准防控中发挥重要作用。