《MedComm》：Efficient Plasma and Placenta Metabolic Fingerprints for Preeclampsia Diagnosis: A Multicenter Study
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子痫前期（PE）是导致孕产妇和围产儿死亡的主要原因之一。目前临床仍亟需准确且可及性强的诊断方法，以促进PE的及时识别。本研究应用纳米颗粒增强激光解吸电离质谱（NPELDI-MS）技术，从多中心数据集（109例PE患者和127例非PE参与者，共4个中心）中获取血
子痫前期（PE）是导致孕产妇和围产儿死亡的主要原因之一。目前临床仍亟需准确且可及性强的诊断方法，以促进PE的及时识别。本研究应用纳米颗粒增强激光解吸电离质谱（NPELDI-MS）技术，从多中心数据集（109例PE患者和127例非PE参与者，共4个中心）中获取血浆（n = 236）和胎盘（n = 70）代谢指纹图谱。构建的诊断模型在外部验证中实现了0.941的有效诊断曲线下面积（AUC）。随后，研究注释了19种PE相关代谢物，其诊断性能良好，AUC为0.871。此外，重度PE患者的诊断评分显著高于PE患者，表明该模型具有区分疾病严重程度的能力。研究揭示了相关代谢通路，为PE的潜在治疗策略提供信息，并且对滋养层细胞的生物学验证表明，包括L-丙氨酸（L-alanine）、牛磺酸（taurine）、次黄嘌呤（hypoxanthine）和乳清酸（orotic acid）在内的关键生物标志物能够显著增强迁移能力（p < 0.01）。本研究凸显了代谢分析在PE检测中的潜力，为改善产科临床决策开辟了道路。
子痫前期（Preeclampsia，PE）是全球范围内影响2%–8%妊娠的危险妊娠特异性综合征，也是孕产妇和围产儿死亡的主要原因之一。目前临床诊断PE主要依据妊娠20周后新发高血压伴蛋白尿或终末器官功能障碍，但24小时尿蛋白定量存在患者依从性差（>30%时间误差）、储存不当导致蛋白降解等问题，致使诊断性能不稳定，灵敏度（50%–75%）和特异度（50%–90%）变异较大。此外，能够在明显临床表现出现之前识别PE风险的生物标志物具有更大的临床价值。现有的基于血液的生物标志物如可溶性fms样酪氨酸激酶-1（sFlt-1）、胎盘生长因子（PlGF）和游离DNA（cfDNA）多涉及基因组、转录组或蛋白质组水平的上游分子事件，而代谢生物标志物作为整合遗传、环境和生理影响的下游生物产物，能更直接、更敏感地反映疾病相关的病理生理改变。然而，现有PE代谢组学研究多采用传统核磁共振（NMR）波谱或液相/气相色谱-质谱联用（LC–MS/GC–MS），受限于样本量小、单中心设计、单一生物样本类型分析，且通常需要大量样本制备和冗长的分析流程。为此，研究人员开展了这项多中心研究，旨在建立基于NPELDI-MS的稳健代谢指纹图谱策略和候选代谢生物标志物组合。研究纳入了来自中国两省4个中心的236名受试者（109例PE患者和127例非PE参与者），获取血浆和胎盘代谢指纹图谱，构建PE诊断模型并在独立外部验证数据集中验证，实现了AUC为0.941（95%置信区间（CI）：0.891–0.978）的有效诊断性能。随后注释了19种PE相关代谢物，揭示了相关失调代谢通路，并通过滋养层细胞生物学验证表明关键生物标志物可显著增强细胞迁移能力（p < 0.01）。该研究的意义在于为PE的准确检测提供了有力工具，推动了高通量代谢诊断在产科临床决策中的应用。论文发表在《MedComm》。
在技术方法方面，研究人员主要采用了以下关键技术：以铁纳米颗粒作为基质的NPELDI-MS技术，实现复杂生物样本中低分子量代谢物的直接固相富集和电离，分析速度达2秒/样本，通量达384样本/批次；通过傅里叶变换离子回旋共振质谱（FTICR-MS）进行生物标志物注释，基于人类代谢组数据库（HMDB）进行代谢物注释；采用弹性网络（EN）、套索回归（LR）和岭回归（RR）三种机器学习算法构建诊断模型；利用MetaboAnalyst 5.0进行定量富集分析（QEA），以KEGG数据库为参考进行通路映射；并通过Transwell实验在HTR-8/SVneo和JAR滋养层细胞系上进行功能验证。样本队列来源于中国两省4个临床中心（南通市第一人民医院、常州市妇幼保健院、淮安市第一人民医院、浙江大学妇产科医院）， enrollment时间为2023年1月至2024年12月。
研究结果方面，首先，在PE相关血浆和胎盘代谢指纹图谱的建立中，研究人员利用NPELDI-MS获取了236份血浆样本和70份胎盘组织样本的质谱数据，血浆和胎盘组织在80–1000 Da质量范围内每个谱图产生约130,000个数据点，预处理后分别提取351和430个m/z信号构建代谢指纹图谱，组内余弦相似度均超过0.75，表明基于NPELDI-MS的代谢分析具有高重复性；无监督聚类算法（t-SNE、PCA、UMAP）显示PE组与非PE组间存在一定程度分离但仍有大量重叠，表明简单无监督聚类不足以实现准确诊断，需要先进的机器学习算法。其次，在PE诊断机器学习模型的构建中，基于血浆代谢指纹图谱的三种机器学习算法在发现数据集中AUC为0.932–0.974，外部验证数据集中AUC为0.965–0.992；基于血浆和胎盘共享的22个常见m/z特征构建的模型在发现数据集中AUC为0.938–0.940，验证数据集中AUC为0.902–0.941，AUPRC均超过0.880，凸显了所选代谢特征集的诊断价值。再次，在代谢生物标志物组合的注释中，研究人员从22个候选特征中注释了19种代谢物构建生物标志物组合，包括牛磺酸（Tau）、L-丙氨酸（Ala）、琥珀酰亚胺（Sucm）、5-氨基-2-甲氧基苯酚（5A2MP）、L-缬氨酸（Val）、吡哆胺5'-磷酸（PMP）、组氨酸（His）、次黄嘌呤（Hx）、尿石素C（Uro-C）、乳清酸（OA）、D-丙氨酰-D-丙氨酸（D-Ala-D-Ala）、L-3-羟基犬尿氨酸（3-HK）、D-核糖5-磷酸（R5P）、L-胱硫醚（Cysta）、2-羟基氯丙酰胺（2HCPA）、1-甲基肌苷（1-MetIno）、甘露醇（Man）、环褪黑素（cMel）和单异丁基邻苯二甲酸（MiBPA）；基于EN算法的诊断模型在发现数据集中灵敏度达84.5%（95% CI：73.1%–91.6%），特异度达74.0%（95% CI：60.4%–84.1%），AUC为0.844（95% CI：0.764–0.914），外部验证数据集中灵敏度达84.3%（95% CI：72.0%–91.8%），特异度达76.6%（95% CI：66.0%–84.7%），AUC为0.871（95% CI：0.805–0.931）；置换检验（1000次置换）p < 0.01，决策曲线分析（DCA）显示该模型在广泛阈值概率范围内净获益优于全部治疗或无治疗策略；该生物标志物组合的诊断效能显著优于现有生物标志物（sFlt-1、PlGF、sFlt-1/PlGF比值，p < 0.001）及任何单一代谢物（DeLong检验p < 0.05）；重度PE（sPE）患者的预测评分显著高于PE患者（p = 0.003），表明模型具有区分疾病严重程度的能力。定量富集分析鉴定了10条与PE相关的代谢通路（超几何检验p < 0.05），包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，硒化合物代谢，初级胆汁酸生物合成，牛磺酸和亚牛磺酸代谢，缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解，缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成，泛酸和辅酶A生物合成，维生素B6代谢，嘌呤代谢和色氨酸代谢。功能验证方面，研究人员选择在血浆和胎盘中表现一致下调的4种代谢物（L-丙氨酸、牛磺酸、次黄嘌呤和乳清酸）进行验证，结果表明在特定浓度（1.0 mM L-丙氨酸、10.0 mM牛磺酸、100 μM次黄嘌呤和500 μM乳清酸）干预下，HTR-8/SVneo和JAR细胞的迁移能力显著增强（Student's t检验p < 0.01），表明这些代谢物可促进绒毛外滋养层细胞的迁移能力。
讨论部分总结：PE是导致孕产妇和围产儿死亡的主要原因之一，现有诊断标准基于高血压和蛋白尿等临床体征，存在观察者误差且预测不良结局能力较差，假阳性结果引发不必要的医源性负担，假阴性则漏诊需要加强监测的高危患者。虽然新兴血液生物标志物（如sFlt-1/PlGF）提高了准确性，但其聚焦上游通路可能遗漏PE病理生理固有的细微代谢变化。越来越多的证据支持PE不仅是血管性疾病，也是代谢性疾病。既往PE代谢组学研究受限于数据集设计和分析平台。在分析平台方面，传统代谢组学平台需要大量样本制备且分析通量有限，研究人员采用的NPELDI-MS通过纳米颗粒尺寸选择性富集实现2秒/样本的快速分析速度和384样本/批次的高通量，多中心样本组内余弦相似度超过0.75，解决了多中心代谢组学研究的关键重复性问题。在数据集设计方面，既往PE研究多采用单中心、单样本类型设计，本多中心研究纳入4个临床中心的参与者并同时采集血浆和胎盘组织，衍生的19种代谢物组合在发现数据集（2个中心）中AUC为0.844，在独立验证数据集（另2个中心）中AUC为0.871，证实了人群普遍性，且显著优于现有PE生物标志物（DeLong检验p < 0.001）。在通路机制方面，研究揭示了PE中10条关键代谢通路的显著扰动，牛磺酸在血浆中下调，其在抗氧化防御、渗透调节和膜稳定中起关键作用，可能对PE的氧化应激、内皮功能障碍和脂质处理异常有重要贡献，其促进绒毛外滋养层细胞迁移的作用也在细胞系实验中得到验证；缬氨酸作为支链氨基酸与胰岛素抵抗和内皮功能障碍密切相关；R5P在戊糖磷酸途径中的失调可能与NADPH产生改变和核苷酸合成底物供应有关，影响机体正常能量供应和氧化还原平衡，促进PE的发生发展。研究结论：研究人员利用NPELDI-MS建立了多中心PE相关代谢指纹数据库，包含236名受试者的血浆和胎盘样本，注释了19种代谢物的生物标志物组合，在发现数据集和独立验证数据集中分别实现了AUC为0.844（95% CI：0.764–0.914）和0.871（95% CI：0.805–0.931）的诊断效能，定量富集分析揭示了PE相关失调通路，为PE发病机制提供了机制性见解。本研究推进了PE的高通量代谢诊断，具有显著的临床转化潜力。然而，PE相关代谢改变的生物学机制尚待阐明，这些生物标志物在更早妊娠阶段的预测价值需在前瞻性纵向研究中评估，在常规临床实施前还需进一步前瞻性验证、实验室间标准化、自动化数据处理和成本效益评估。
