妊娠期糖尿病母婴配对共享代谢组学特征及其对早期代谢编程的启示

《International Journal of Molecular Sciences》：Identifying a Shared Metabolomic Signature in Mother–Newborn Dyads with and Without Gestational Diabetes: Implications for Early Metabolic Programming

　　

妊娠是代谢编程的关键窗口期，在此期间不良的宫内暴露可能影响长期健康。妊娠期糖尿病（GDM）改变宫内环境，但其在早期代谢编程中的作用仍知之甚少。因此，本研究旨在识别母婴配对中的共享代谢组学特征，并评估GDM是否修饰该特征。为此，研究人员开展了一项横断面研究，纳入在墨西哥总医院招募的母婴配对。采集母婴配对的血液样本。采用串联质谱法对氨基酸和酰基肉碱进行定量。采用稀疏偏最小二乘法（sPLS）分析识别母婴配对内的共享代谢组学特征。采用线性混合效应模型评估GDM对共享代谢物的修饰效应。共纳入112对母婴配对（68对无GDM，44对伴GDM）。识别出两个共享代谢组学特征。第一个特征以精氨酸、甲硫氨酸、乙酰肉碱、游离肉碱和丙酰肉碱为特征，显示出较强的母—婴相关性。尽管该核心特征在两组中均得以保留，但缬氨酸和丙氨酸仅在GDM暴露的母婴配对中贡献。总之，一个与胎儿发育和能量代谢相关的共享代谢组学特征在不论GDM状态如何的情况下均被保留，尽管GDM部分修饰了该特征。这些发现为可能参与早期代谢编程的代谢过程提供了见解。

研究背景方面，妊娠是关键的发育阶段，不良的宫内环境可永久改变胎儿生理和代谢，从而增加个体全生命周期对慢性疾病的易感性。妊娠期糖尿病（GDM）定义为妊娠期首次识别的任何程度的碳水化合物不耐受，由胰岛素抵抗增加和因胰腺β细胞功能障碍导致的代偿性胰岛素分泌不足共同引起，是最常见的妊娠并发症之一，据国际妊娠期糖尿病研究组协会标准，2021年全球患病率约为14%。GDM通过母体高血糖及相关代谢和炎症紊乱改变宫内环境，损害胎盘功能和向胎儿的营养转运，从而影响胎儿生长发育。流行病学研究表明，GDM与母婴短期、中期和长期不良结局相关，在子代中增加巨大儿和大于胎龄儿的风险，长期则与肥胖、2型糖尿病（T2DM）和心血管疾病风险增加相关。然而，这些关联背后的生物学机制尚未完全阐明。在此背景下，代谢组学提供了代谢表型的全面表征，为研究早期代谢编程的生物学机制提供了有力手段。然而，大多数代谢组学研究分别评估GDM对母体和新生儿代谢组学特征的影响，而非将母婴配对视为整合的生物学系统。鉴于母体与胎儿之间由胎盘介导的密切代谢相互作用，研究母婴配对的代谢组可能为胎儿编程的代谢机制提供更全面的理解。少有研究整合母体和新生儿代谢组学数据，据研究人员所知，尚无研究识别母婴配对中的共享代谢组学特征或评估GDM是否修饰该共享特征。表征这些共享代谢特征可能为连接母体代谢与新生儿代谢及胎儿代谢编程的机制提供新见解。由于新生儿代谢组反映了母体代谢、胎盘功能以及新生儿对宫外围产期生活代谢适应的综合影响，在这一关键时期研究母婴配对为探究早期代谢编程的机制提供了独特机会。因此，本研究旨在识别母婴配对中的共享代谢组学特征，并评估GDM是否修饰该共享代谢组学特征。

研究人员开展了横断面研究，纳入112对母婴配对（68对无GDM，44对伴GDM），得出以下结论：母婴配对显示出由精氨酸、甲硫氨酸、游离肉碱（C0）和乙酰肉碱（C2）组成的共享代谢组学特征，该特征包含参与胎盘和胎儿生长发育以及能量代谢的代谢物，在不论GDM状态如何的情况下均被保留。然而，GDM暴露的母婴配对的共享代谢组学特征额外包括丙氨酸和缬氨酸，提示GDM可能修饰母体与新生儿之间的代谢关系。此外，GDM差异性影响某些单个代谢物的母—婴浓度模式。这些发现为可能参与胎儿编程的代谢过程提供了见解，并支持将母婴配对作为整合生物学系统研究的价值。该研究的重要意义在于首次使用整合多变量模型识别母婴配对中的共享代谢组学特征并评估GDM状态是否修饰该特征，为母—婴代谢关系及其在早期代谢编程中的潜在作用提供了新见解。

关键技术方法方面，研究为在墨西哥总医院开展的横断面研究，于2024年3月至2025年3月在妇科连续招募分娩后24小时内的母婴配对，纳入标准为伴或不伴GDM暴露的母婴配对及母体年龄≥18岁。GDM在妊娠24至28周通过75 g口服葡萄糖耐量试验（OGTT）依据国际妊娠期糖尿病研究组协会（IADPSG）/美国糖尿病协会（ADA）标准诊断。在出生后24小时内采集母婴配对滤纸干血斑样本，使用NeoBase非衍生化试剂盒通过串联质谱法（MS/MS）对游离肉碱、酰基肉碱、精氨酸琥珀酸（ASA）和11种L-氨基酸进行靶向代谢组学定量。采用稀疏偏最小二乘法（sPLS）分析识别共享代谢组学特征，采用线性混合效应模型评估GDM的修饰效应，并计算新生儿与母体（N/M）浓度比值。

研究结果方面，第一，母婴配对特征：共纳入112对母婴配对（68对无GDM，44对伴GDM）。与无GDM的母亲相比，GDM母亲年龄更大，孕前体质指数（BMI）、空腹血糖、甘油三酯和HbA1c浓度更高。新生儿人体测量特征在组间无显著差异。GDM母亲的治疗中，50.0%接受二甲双胍单药治疗，9.1%接受胰岛素单药治疗，18.2%接受二甲双胍和胰岛素联合治疗，22.7%仅通过生活方式干预管理。母体和新生儿代谢物绝对浓度方面，母体丙氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸、乙酰肉碱（C2）、丙酰肉碱（C3）、丁酰肉碱（C4）、十二碳烯酰肉碱（C12:1）和油酰肉碱（C18:1）浓度在非GDM和GDM组间存在显著差异，但经Benjamini–Hochberg错误发现率（FDR）程序多重比较校正后均未保持统计学显著。新生儿代谢物浓度方面，缬氨酸、十二碳酰肉碱（C12）和3-羟基十六碳酰肉碱（C16-OH）在组间存在显著差异，经FDR校正后仅缬氨酸浓度差异保持统计学显著。第二，母婴配对内的共享代谢组学特征：经sPLS分析保留两个Q2为正的成分（成分1：Q2 = 0.066；成分2：Q2 = 0.043）。成分1显示母体和新生儿代谢组学谱之间存在强共结构（r = 0.895）。成分1的共享代谢组学特征代谢物为C2、精氨酸、甲硫氨酸、C3、游离肉碱（C0）和C16-OH，均表现出一致的载荷方向。成分2显示母体和新生儿代谢组学谱之间中等共结构（母体和新生儿成分2得分之间r = 0.399），该成分中的共享代谢物为长链酰基肉碱、C0和己酰肉碱（C6），均具有正且一致的载荷方向。相关圆显示成分1主要以氨基酸和短链酰基肉碱为特征，而成分2主要以长链酰基肉碱为特征。第三，GDM对共享代谢组学特征的影响：分层sPLS分析显示，成分1中识别的氨基酸和短链酰基肉碱特征在GDM和非GDM配对中高度相似（r = 0.908和r = 0.909）。精氨酸、甲硫氨酸、C2和C0构成两组的核心共享代谢物。此外，缬氨酸和丙氨酸仅在GDM配对中贡献于共享代谢组学特征，提示GDM可能修饰母—婴代谢共结构。相比之下，成分2在GDM和非GDM配对之间显示不同的代谢组学共结构，尽管在两种情况下该成分主要由酰基肉碱定义。在非GDM配对中（r = 0.517），共享代谢物为C18:1、C0和硬脂酰肉碱（C18），均具有一致的载荷方向，提示协调的母—婴脂质转移。在GDM配对中（r = 0.687），共享代谢物为辛烯酰肉碱（C8:1）、C3和十四碳烯酰肉碱（C14:1），然而后两个代谢物在母体和新生儿区块之间显示相反的载荷方向，表明母—婴关联呈负相关。第四，GDM状态与贡献于共享特征的代谢物母—婴关系之间的关联：计算所有测量代谢物的新生儿与母体（N/M）浓度比值。经Benjamini–Hochberg FDR程序多重比较校正后，仅缬氨酸的N/M比值在组间存在显著差异。缬氨酸的N/M比值中位数在两组中均低于1，表明新生儿浓度相对于母体浓度较低，但GDM配对的中位比值低于非GDM配对（分别为0.685 vs. 0.809；FDR校正p = 0.0097）。随后拟合线性混合效应模型评估GDM是否修饰贡献于共享特征的单个代谢物浓度的母—婴差异。新生儿-by-GDM交互作用对精氨酸（β = ?0.235，p = 0.068）、甲硫氨酸（β = ?0.306，p = 0.033）、游离肉碱（β = ?0.408，p = 0.062）和缬氨酸（β = ?0.840，p < 0.001）显著，表明GDM修饰了这些代谢物的母—婴关系。估计边际均值显示，GDM暴露的配对表现出更明显的精氨酸和缬氨酸母—婴下降、甲硫氨酸和C14:1增加的减弱，以及游离肉碱无增加，而非GDM暴露配对中观察到增加。与N/M浓度比值分析一致，GDM暴露与未暴露新生儿之间调整边际平均浓度的显著差异仅在缬氨酸中观察到，GDM暴露新生儿中log转换和标准化浓度较低（分别为?0.788 vs. ?0.284；p = 0.004）。边际均值经母体年龄、孕前BMI、出生时胎龄和新生儿性别调整。

讨论部分总结：研究结果表明母婴之间存在稳健的核心共享代谢组学特征，由精氨酸、甲硫氨酸、C2和C0组成，在不论GDM暴露如何的情况下均被一致识别。然而，在GDM母婴配对中，缬氨酸和丙氨酸额外贡献于共享代谢组学特征，提示GDM部分修饰母体与新生儿之间的共享代谢关系。此外，在GDM配对中特异性识别出一个由C8:1、C3和C14:1组成的较弱特征。混合效应模型提示GDM对单个代谢物的效应在母体和新生儿之间不同，表明尽管核心共享代谢组学特征得以保留，GDM差异性影响母婴配对内的特定代谢物。N/M浓度比值分析提供了关于母婴配对内代谢物相对分布的补充证据。尽管若干代谢物的N/M比值根据GDM状态显示差异，但经多重比较校正后仅缬氨酸保持统计学显著。总之，这些发现提供了母体与新生儿之间密切代谢整合的证据，并为早期代谢编程的代谢机制提供了进一步见解。核心共享代谢组学特征中的代谢物在胎儿生长发育中发挥关键作用，支持所观察到的母—婴共享代谢关系的生物学相关性。精氨酸是参与调节胎盘血流、滋养层生长、营养感知和器官发生的氨基酸，是一氧化氮（NO）的前体，NO在滋养层侵袭、血管功能和胎盘发育中发挥关键作用，此外精氨酸作为多胺的前体，对受精、着床、胚胎发育、胎盘血管生成和胎儿生长至关重要。当单独分析精氨酸时，尽管母—婴-by-GDM交互作用显著，但调整边际平均浓度在伴与不伴GDM的母亲之间或GDM暴露与未暴露新生儿之间无显著差异。在母亲中，研究结果与先前荟萃分析一致，显示分娩时精氨酸浓度与GDM无关联。在新生儿中，基于新生儿血样的证据仍然有限，因为大多数研究使用脐带血。与本研究结果相反，一项在中国人群中开展的研究报告GDM暴露新生儿血中精氨酸浓度较低；然而，另一项与本研究结果一致的研究发现新生儿精氨酸浓度与GDM暴露无关联。甲硫氨酸由于在一碳代谢中的核心作用而与发育编程密切相关。作为S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的前体，甲硫氨酸是通用甲基供体，对DNA和组蛋白甲基化至关重要，从而调节基因表达。通过这些机制，甲硫氨酸参与表观遗传编程，调节从囊胚形成和发育到细胞分化、器官发生和胎儿生长的多个发育过程。在本研究中，甲硫氨酸是母婴配对共享代谢组学特征的一部分，不论GDM状态如何，强调其在母体与新生儿代谢之间的密切关系。在单个代谢物分析中，研究人员发现GDM差异性影响母婴配对内甲硫氨酸浓度。然而，调整边际平均浓度在GDM暴露与未暴露组之间在母体或新生儿中均无显著差异。关于围产期母体和新生儿甲硫氨酸浓度的证据稀少。C0是能量代谢的关键调节因子，对线粒体脂肪酸氧化至关重要，因为它促进长链脂肪酸跨线粒体内膜转运至线粒体基质进行β-氧化。胎儿由于γ-丁基甜菜碱双加氧酶（负责肉碱生物合成最后一步的酶）活性低，合成肉碱的能力有限，因此来自母体的胎盘转移代表胎儿肉碱的主要来源。妊娠末期，母—胎肉碱转移增加，使肉碱在胎儿组织中积累并为产后即刻提供储备。与精氨酸和甲硫氨酸的发现类似，C0浓度的母—婴模式根据GDM状态不同，尽管调整边际平均浓度在GDM暴露与未暴露组之间在母体或新生儿中均无显著差异。先前关于GDM中C0浓度的证据在母体和新生儿中仍然有限且不一致。C2是人血浆中最丰富的酰基肉碱，通过乙酰辅酶A与肉碱之间乙酰基的可逆转移缓冲线粒体乙酰辅酶A/辅酶A比值，在能量代谢中发挥核心作用。该机制通过促进进食时葡萄糖氧化与禁食时脂肪酸氧化之间的转换支持代谢灵活性。尽管乙酰肉碱是不论GDM状态如何的共享代谢组学特征的一部分，但当单独分析时，其浓度与GDM状态无显著关联，C2浓度的母—婴模式也未根据GDM状态显示差异。在母婴配对中，肉碱和C2对共享代谢组学特征的贡献可能反映母体肉碱可利用性、胎盘代谢和胎儿发育期间能量代谢以及宫外生活代谢适应的整合。这些代谢物参与相互连接的代谢途径为其被识别为不论GDM暴露如何的母婴配对共享代谢组学特征提供了生物学合理性。精氨酸和甲硫氨酸参与与子宫胎盘血流、胎盘发育、器官发生和表观遗传编程相关的过程，而C0和乙酰肉碱C2在能量代谢、线粒体功能和代谢适应中发挥核心作用。研究结果表明，尽管精氨酸、甲硫氨酸和游离肉碱在母—婴代谢相互作用中发挥核心作用，GDM可能改变母体和新生儿区室之间的代谢关系。在GDM暴露的母婴配对中，缬氨酸和丙氨酸也贡献于共享代谢组学特征。缬氨酸是支链氨基酸（BCAA），在非妊娠人群中与胰岛素抵抗、T2DM和心血管疾病相关。尽管研究人员未观察到伴与不伴GDM母亲之间调整边际平均缬氨酸浓度的显著差异，先前研究报告GDM孕妇循环缬氨酸浓度高于无GDM者。相比之下，GDM暴露新生儿中缬氨酸浓度的边际均值较低。评估新生儿产后血样的研究有限，通常发现缬氨酸浓度与GDM状态无关联。类似地，脐带血研究的发现有限且不一致，一些报告根据GDM状态缬氨酸浓度无显著差异，而另一些发现GDM暴露新生儿中浓度较低。丙氨酸是生糖氨基酸，在非妊娠人群中较高浓度与胰岛素抵抗和糖代谢受损相关。类似地，孕妇研究报告母体丙氨酸浓度与GDM风险和母体高血糖之间呈正相关。然而，脐带血样本的发现不太一致，一些研究报告GDM暴露者中丙氨酸浓度较低，而另一些发现较高。本研究结果支持丙氨酸在GDM暴露的母婴配对中贡献于共享代谢组学特征；然而，与缬氨酸相反，混合效应模型未提供GDM差异性影响母体与新生儿之间丙氨酸浓度的证据。成分2中识别的共享代谢组学特征在GDM暴露与未暴露母婴配对之间完全不同。在未暴露配对中，该特征主要以长链酰基肉碱为特征，包括C18和C18:1以及C0。相比之下，在GDM暴露配对中，该特征包含不同链长的酰基肉碱，包括短链C3、中链C8和长链C14:1。酰基肉碱和C0浓度可能反映脂肪酸氧化通量和线粒体底物利用。酰基肉碱积累，特别是伴随C0可利用性降低时，与不完全脂肪酸氧化和线粒体功能障碍相关。最近，酰基肉碱被认识到具有超越脂肪酸氧化的作用，包括表观遗传调控、炎症、免疫稳态、内分泌调节和神经调节。然而，需要更多证据来阐明单个酰基肉碱的具体生物学功能。因此，GDM暴露与未暴露配对中观察到的酰基肉碱特征可能反映超越脂肪酸氧化的代谢过程差异。尽管伴与不伴GDM妇女之间所选代谢参数存在显著差异，GDM母亲未表现出常规代谢控制标志物的显著改变，这可能反映妊娠期间接受的临床管理。然而，在GDM暴露与未暴露母婴配对中识别出不同的共享代谢组学特征。这些发现提示GDM相关的代谢改变可能超越常规临床生物标志物（包括葡萄糖、糖化血红蛋白和脂质）所捕获的范围。此外，它们提出了额外的代谢途径（未被常规血糖和血脂控制标志物完全反映）可能贡献于母—婴代谢关系并可能参与早期代谢编程的可能性。GDM的药物治疗可能影响了本研究的发现。先前分析母体和脐带血样本的研究报告，与接受胰岛素或饮食管理的妇女及其新生儿相比，接受二甲双胍治疗的妇女及其新生儿中丙氨酸浓度较高。此外，实验研究表明胰岛素增加胎盘系统A氨基酸转运体的活性，而二甲双胍降低滋养层细胞中大中性氨基酸转运体（LAT3和LAT4）的表达。然而，这些效应在临床治疗条件下是否转化为胎儿营养暴露的变化仍不确定。考虑到本研究中治疗组样本量小，研究人员无法可靠评估药物治疗对所观察代谢组学特征的潜在贡献。据研究人员所知，这是首次使用整合多变量模型识别母婴配对中的共享代谢组学特征并评估GDM状态是否修饰该特征的研究。研究结果为母—婴代谢关系及其在早期代谢编程中的潜在作用提供了新见解，值得在纳入更广泛代谢物 panel 的更大规模研究中进一步探究。在解释结果时，应考虑一些局限性。第一，研究纳入来自单一研究中心的非概率样本，可能限制研究结果的普遍性。第二，相对较小的样本量可能影响所识别代谢组学特征的稳定性，特别是在GDM分层分析中。第三，代谢物 panel 限于氨基酸和酰基肉碱，仅构成母—婴代谢组的一部分。最后，横断面设计无法建立因果关系。尽管存在这些局限性，本研究具有若干优势。配对的母婴设计使研究人员能够直接研究配对内的代谢关系。此外，使用整合多变量方法能够识别捕获母体和新生儿代谢谱协方差的共享代谢组学特征。混合效应模型的互补使用进一步使研究人员能够表征GDM如何差异性影响母体和新生儿区室中单个代谢物浓度。此外，使用出生后24小时内采集的新生儿血样而非脐带血，为表征新生儿向宫外生活早期过渡期间的代谢谱提供了独特机会，此时它可能仍反映母体代谢和胎盘影响。该方法解决了文献中主要依赖脐带血样本的重要空白。研究结论部分：母婴配对显示出由精氨酸、甲硫氨酸、C0和C2组成的共享代谢组学特征。该特征包含参与胎盘和胎儿生长发育以及能量代谢的代谢物，在不论GDM状态如何的情况下均被保留。然而，GDM暴露的母婴配对的共享代谢组学特征额外包括丙氨酸和缬氨酸，提示GDM可能修饰母体与新生儿之间的代谢关系。此外，GDM差异性影响某些单个代谢物的母—婴浓度模式。这些发现为可能参与胎儿编程的代谢过程提供了见解，并支持将母婴配对作为整合生物学系统研究的价值。需要更大样本量和更广泛代谢物 panel 的纵向研究来更好地表征配对内的代谢相互作用并评估其与晚年心脏代谢风险的关联。