综述：产前代谢组学分析与胎儿先天性异常和遗传性疾病：现有文献回顾

本综述系统回顾了代谢组学在胎儿结构异常和遗传性疾病产前筛查与诊断中的应用潜力。文章指出，代谢组学通过分析小分子代谢物，可揭示基因组学无法捕捉的病理生理过程，为先天性心脏病（CHD）、唐氏综合征（T21）等疾病提供新型生物标志物，有望成为产前遗传检测的功能性补充工具。尽管目前临床转化仍有限，但其在提升筛查准确性、指导预后咨询方面展现出重要价值。

　　

摘要

胎儿先天性异常和遗传性疾病困扰着3%–5%的妊娠，并对妊娠结局产生重大影响。精确且个体化的产前诊断对于有效的咨询和管理至关重要。新生物标志物的发现有望增强受影响妊娠的产前筛查、诊断和预后咨询。近年来，代谢组学已成为解读通过全基因组测序发现的罕见遗传病基因变异的一种潜在辅助工具。

1 引言

多组学分析能够提供对复杂病理的系统生物学层面见解。其中，代谢组学分析可对生物系统内的小分子代谢物及其相互作用进行高通量全局分析，被喻为21世纪的“听诊器”。代谢物具有广泛的物理化学性质和浓度范围，因此需要不同的分析平台来进行靶向代谢组学（定量预定义代谢物）或非靶向代谢组学（发现性分析所有可测量代谢物）。质子核磁共振（¹H NMR）光谱法是靶向代谢组学的主要技术之一，而质谱（MS）是非靶向代谢组学的主要平台，通常与液相色谱（LC）等分离技术联用。脂质组学作为代谢组学的一个强大子领域，通过合并扩展的靶向和非靶向方法，在阐明脂质化合物在细胞代谢、疾病机制和生物标志物发现中的作用方面取得了进展。

胎儿先天性异常和遗传性疾病严重影响妊娠和新生儿结局。染色体异常发生率约为150例活产中有1例，先天性畸形是婴儿死亡的主要原因。当前的筛查策略结合了母体风险因素、母体血清分析物、胎儿游离DNA（cfDNA）分析和常规产前超声成像。诊断性测试包括羊膜穿刺术和绒毛膜取样（CVS），以及通过超声和磁共振成像（MRI）进行的靶向产前成像。尽管有这些方法，大多数胎儿异常发生在没有可识别风险因素的妊娠中，并且其病因在此筛查和诊断策略下可能仍未被发现。因此，产前诊断领域将受益于可以改善胎儿异常妊娠筛查和诊断并加深对这些异常背后病理过程理解的新生物标志物。

近期在患有发育障碍的儿童中进行的研究表明，代谢组学分析可以通过添加重要的功能数据来协助解读通过外显子组或基因组测序发现的变异。鉴于妊娠期间母体和胎儿代谢组之间的动态相互作用，代谢组学作为功能测定方法具有补充产前遗传测试的潜力。

2 方法

2.1 检索策略

进行了全面的文献检索，以确定报告在先天性结构和遗传异常背景下使用产前代谢组学的研究，检索时间截至2025年3月底。检索策略涵盖四个数据库：MEDLINE (OVID)、Embase (Elsevier)、Web of Science (Clarivate) 和 Cochrane Library (Wiley)。

2.2 研究选择

两名评审员独立评估所有识别出的文章的资格。通过手动审查纳入出版物的参考文献列表来识别其他潜在相关文章。保留了具有可用全文、充分描述其研究目标、方法和结果的同行评审期刊文章。

2.3 研究资格

纳入标准包括使用MS或¹H NMR分析平台、人类研究、评估单胎妊娠中的遗传或结构异常、英语语言以及有摘要可用。排除标准包括动物研究、体外细胞培养研究、多胎妊娠、无代谢组学分析的研究、不涉及遗传或结构异常存在的代谢组学研究以及系统评价和荟萃分析。

2.4 数据提取与综合

使用标准化Excel表格进行数据提取，捕获研究特征、患者人群、遗传或结构异常类型、分析平台和关键代谢组学发现。主要关注结果是与胎儿遗传或结构异常相关的代谢组学特征。

3 结果

初始综合检索从四个数据库中得到1108篇文章，去除重复后通过标题和摘要筛选了814条记录。应用纳入和排除标准后，45项研究符合要求并被纳入。图2展示了研究选择过程的流程图。提取了患者特征、代谢组学平台和研究结果的数据。表1总结了纳入研究的关键发现。

在研究的胎儿结构和遗传异常中，先天性心脏病（CHD）和唐氏综合征（T21）成为最常使用产前代谢组学研究的病症。

3.1 先天性心脏病

先天性心脏病（CHD）是最常见的先天性异常。产前检测CHD可改善围产期结局并降低围手术期死亡率。尽管遗传和染色体异常导致了约15%的CHD，但大多数CHD的发生没有可识别的风险因素。代谢组学研究表明，母体代谢改变与CHD发育之间存在潜在关联。

大多数研究检查了广泛的CHD亚型。首项试点研究使用靶向方法对早孕期母体血液进行分析，发现严重CHD亚型妊娠中酰基肉碱和鞘磷脂发生改变，表明母体脂质代谢增加。后续研究使用气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析中孕期母体血清代谢组学，鉴定出丙二酸、3-羟基丁酸、甲基戊二酸、尿素、雄烯二酮、果糖、生育酚、亮氨酸和腐胺作为最具区分性的代谢物。Taylor等人采用非靶向代谢组学方法使用母体血清，并通过NMR验证了部分发现，鉴定出44种与CHD相关的代谢物。常见的扰动包括氨基酸代谢、雄激素类固醇以及CHD妊娠中琥珀酰肉碱水平升高。最近，Mires等人结合非靶向代谢组学和脂质组学对母体血清进行分析，发现了与胎儿CHD相关的显著脂质改变。Xie等人使用GC-MS分析母体尿液，发现短链脂肪酸和芳香酸代谢紊乱。另一项针对母体尿液的靶向代谢组学研究发现磷脂、磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺生物合成以及脂肪酸代谢发生改变。近期一篇系统评价总结认为，最常见的代谢紊乱涉及脂质代谢、蛋氨酸-同型半胱氨酸循环和转硫途径。Bahado-Singh等人最近应用人工智能分析CHD妊娠母体唾液的代谢组学，揭示了花生四烯酸、α-亚麻酸和色氨酸代谢的显著改变，提示紫绀型CHD中存在显著的脂质代谢功能障碍。

为探索胎儿特异性代谢组学变化并尽量减少母体生化混杂因素，两项研究使用非靶向方法分析了CHD胎儿羊水（AF）的代谢组学。Li等人采用气相色谱/飞行时间质谱（GC-TOF/MS），发现CHD胎儿AF中尿酸和脯氨酸水平升高。另一项使用基于LC-MS的AF代谢组学分析的研究揭示了代谢物浓度的显著变化，特别是与二甲基呋喃脂肪酸和血清素衍生物相关的代谢物。

3.2 唐氏综合征

唐氏综合征（T21）是最常见的染色体疾病。其产前检测通常依赖于筛查测试，然后进行诊断性程序，如绒毛膜取样或羊膜穿刺术以获得核型。尽管母体cfDNA筛查测试的引入提高了T21筛查的准确性，但人们对开发新的、负担得起的、可提高筛查准确性的非侵入性测试持续感兴趣。代谢组学已被研究作为补充现有T21筛查方法的一个有前途的途径。

多项研究调查了代谢组学在T21妊娠中的作用。Chen等人使用LC-MS/MS进行非靶向代谢组学和脂质组学分析，发现与对照组相比，T21妊娠中孕期AF中的碳、氨基酸、甘油酯、鞘脂和甘油磷脂代谢发生显著改变。Parfeniuk等人使用相同方法进行靶向代谢组学，发现AF中四种代谢物水平存在显著差异：甲基组氨酸、己酰肉碱、二乙酰精胺和对甲酚硫酸盐，他们提出这可能反映了神经系统和肌肉系统的发育差异。Huang等人在AF上使用UPLC-MS，注意到几种代谢物的显著改变，包括粪卟啉III、甘胆酸、牛磺鹅去氧胆酸盐、牛磺胆酸盐、氢化可的松、孕烯醇酮硫酸盐、L-组氨酸、L-精氨酸、L-谷氨酸和L-谷氨酰胺。这些改变归因于额外21号染色体导致的异常基因表达。Liu等人进一步报告了几种类固醇激素及其衍生物水平降低，谷胱甘肽分解代谢物水平升高伴随γ-谷氨酰氨基酸水平降低，以及磷脂分解代谢物、糖和二羧酸水平升高。这些发现表明氧化应激增加。Bahado-Singh等人使用NMR鉴定了几种代谢物的改变，包括参与大脑生长和髓鞘形成的3-羟基丁酸酯和参与防御氧化应激的2-羟基丁酸酯。

3.3 其他遗传和胎儿结构异常的代谢组学

Graca等人对具有各种胎儿异常的妊娠进行了代谢组学分析，观察到某些代谢改变可能在不同类型的异常中共享。他们的一些发现指出了细胞水平上发生的有趣病理过程。值得注意的是，一些观察到的代谢物变化表明对无氧能量产生的依赖增加，表现为葡萄糖减少和乳酸增加。他们还发现了线粒体呼吸链失调，与特定胎儿畸形相关的琥珀酸盐水平升高。此外，还观察到糖异生氨基酸（包括丙氨酸、谷氨酸、亮氨酸、缬氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）的减少，这可能反映了它们在缺氧组织中用于葡萄糖生产的增加。最后，注意到的尿素减少可能表明肾脏发育不全或肾缺氧。

随后针对特定胎儿异常的代谢组学研究证实了Graca等人描述的变化，并确定了额外的代谢组学改变。Croitor-Sava等人对合并胎儿先天性膈疝（CDH）的妊娠AF进行了代谢组学分析，证明CDH胎儿的代谢组学特征与健康对照组不同，且与孕龄无关。Buffin-Meyer等人使用多组学方法组合来鉴定后尿道瓣膜胎儿尿液中的代谢物和肽标记物。他们得出结论，多组学分析比单独代谢组学更能预测产后肾脏结局。Zheng等人分析了胎儿神经管缺陷妊娠的母体血清代谢组学特征，报告了与线粒体呼吸受损以及γ-氨基丁酸和谷氨酰胺水平降低相关的改变。Groenen等人发现，与对照组相比，脊柱裂胎儿AF中琥珀酸和谷氨酰胺的浓度显著更高。妊娠早期颈项透明层（NT）增厚是非整倍体和胎儿结构异常的已知标志物。Murgia等人对NT增厚的整倍体胎儿AF进行了一项试点研究，以探索是否存在相关的代谢特征。他们鉴定出九种代谢物在NT增厚胎儿和对照组之间存在显著差异。这些代谢物与能量代谢途径的改变有关。

3.4 单基因疾病

也对单基因疾病胎儿羊水代谢组学进行了探索。Nolin等人结合了脆性X前突变携带者（55–200 CGG重复）AF的代谢组学和蛋白质组学分析。他们注意到丝氨酸生物合成途径的缺陷影响了 Krebs 循环，并提出母体补充丝氨酸可能减轻线粒体功能障碍。这项研究表明代谢组学不仅可以导致新型诊断生物标志物的发现，还可以为个性化治疗策略的开发提供信息。还对胎儿血红蛋白Bart's（Hb Bart's）病（最严重的α地中海贫血形式）妊娠的AF代谢组学进行了研究。Chen等人发现，与对照组相比，Hb Bart's组中谷氨酸和谷胱甘肽代谢、天冬氨酸代谢、尿素代谢和甘油三酯代谢发生显著改变。作者指出，参与谷氨酸和谷胱甘肽代谢的抗氧化代谢物增加以应对氧化应激反应。

4 讨论

代谢组学是一种新兴的精准医学工具，具有识别生物标志物的潜力，可为特定胎儿结构和遗传异常的病理生理学提供新颖见解。其在妊娠早期识别多种代谢物、快速周转时间和可接受成本的能力，使其成为当代基因组技术（如全基因组测序）的有前途的补充。此外，在产前筛查结果不确定或不典型的情况下，代谢组学分析可能提供可提高诊断准确性的额外生物标志物。

评估代谢组学在产前诊断中应用的研究，例如其在先天性心脏病中的作用，已经确定了有前途的生物标志物，这些标志物可以增强现有的筛查方式，特别是在妊娠早期。同样，代谢组学分析可能为常见非整倍体（如T21）的病理生理学提供补充见解， potentially enhancing other screening modalities.

然而，在代谢组学融入产前护理之前，必须解决当前研究中的若干局限性。例如，当前使用¹H NMR的研究受限于分析的代谢物数量有限，并且通常是假设驱动的，专注于与特定异常相关的 presumed biochemical alterations。重要的是，正常胎儿表型和发育的代谢组学特征仍有待建立，并需考虑孕龄。标准化代谢组学研究中的分析方法和平台是克服这些挑战的重要第一步。 reviewed studies中注意到的进一步挑战包括患者队列规模小且可变，以及所研究异常的严重程度和类型存在异质性。给定异常的严重程度差异可能与不同的代谢组学特征相关，使可重复性和跨研究比较复杂化。因此，需要对特征明确的队列进行更大规模的研究来验证发现并实现跨类似表型呈现的特定异常的结果比较。此外，分析平台、生物液体来源和异常亚型之间的差异阻碍了跨研究识别特定代谢改变的一致性，阻碍了临床建议的制定。

5 结论

代谢组学代表了产前筛查和诊断的一种有前途的辅助手段，提供了对与遗传和结构异常相关的细胞水平变化的更深入见解。尽管有这种潜力，其在临床实践中的应用仍然有限。本综述强调了代谢组学作为当前产前遗传筛查和诊断快速发展的补充方式的可能作用，特别是通过其阐明疾病病理生理学的能力。尽管如此，本综述发现了现有文献中的显著局限性，包括患者队列的异质性、代谢组学平台之间的不一致性、靶向和非靶向方法之间的方法学差异、样本量小以及发现的可重复性有限，即使在相同的胎儿异常内也是如此。为了加强支持产前代谢组学临床实用性的证据，必须标准化分析平台并完善靶向代谢物分析，以促进跨研究的验证和可重复性。