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文章导读：

本文引用格式：花少栋, 封志纯. 代谢组学在新生儿呼吸系统疾病的研究进展 [J] . 中华围产医学杂志,2017,20 (06): 472-474. DOI: 10.3760/cma.j.issn.1007-9408.2017.06.016

随着对代谢组学研究的深入，学者们认识到基因和蛋白质的变化不一定会反映在生物体表型上，小分子代谢产物的产生和变化是基因表达的最终结果，能更直接、适时、准确地反映生物体的生理病理状态[1]。代谢组学是以基因组表达调控下游的小分子代谢产物为研究对象，且不以提前假设作为指导，不寻找预定的代谢产物，可将健康人群和患病人群区别，使得代谢组学的研究及应用更加广泛。在对疾病的早期诊断及生物标记物研究中，代谢组学不断发挥优势，成为临床医学研究者关注的焦点。

代谢组学技术通过非侵入性方法采集样本，实现对某种疾病的快速诊断和预后分析，对于新生儿尤其是低出生体重儿更加安全和方便。目前，代谢组学专注于代谢产物的鉴定和代谢产物浓度的检测，主要研究围产期疾病和生后疾病，包括窒息、胎儿生长受限、母源性炎症、脑损伤、肺部疾病、心血管疾病、肾病、代谢性疾病、脓毒症、坏死性小肠结肠炎等[2]。而代谢组学在新生儿呼吸系统疾病的应用研究相对较少，故对此进行综述。

目前代谢组学检测技术平台主要有核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）技术、气相色谱质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、液相色谱质谱联用（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）、傅里叶变换红外光谱法和毛细管电泳质谱联用法等，其中高分辨NMR，特别是1H-NMR和质谱是目前最流行的技术。1H-NMR和LC/GC-MS主要用于对外源性和内源性代谢产物进行定量检测。对于某些代谢产物，在疾病过程中可以同时捕获到的，而这些代谢产物可以反映疾病的代谢状态。目前，已发现约20 000种代谢产物，其中约8 500种为内源性，11 500种为外源性[3]，这些代谢产物可反映一个生物系统的生理或病理状态[4]，为疾病的发生过程提供一个体内物质代谢变化的综览。代谢组学的分析能力强，具有物质浓度变化大、高通量的特点，且代谢表型能体现生物体系实时的变化。此外，与转录组学、蛋白质组学相比，代谢组学有以下特点：（1）研究对象主要是糖类、脂类、氨基酸、核酸等内源性小分子化合物（相对分子质量＜1 000）；（2）标本（血浆、尿液、粪便、唾液、组织匀浆、头发等）多由无创或损伤较小的方式取得，且仅需较少标本即可检测痕量物质；（3）可从整体上对生物体的结构、功能等进行研究。

1.脓毒症诱导的急性肺损伤（acute lung injury，ALI）：对于患有危重症的新生儿，肺是其最易受损伤的器官。脓毒症诱导的ALI是一种复杂且严重的疾病，发病率和病死率均高，目前药物治疗无效。而1H-NMR技术可明确脓毒症诱导的ALI发病过程中相关的病理生理学机制（如氧化应激、能量代谢、内环境稳定、凋亡和内皮屏障功能），还可为建立实验模型和临床研究提出新颖的假设。

2009年Lin等[5]利用1H-NMR技术检测发现，脓毒症组大鼠血清中乳酸、丙氨酸、乙酸、乙酰乙酸、羟基丁酸、甲酸代谢产物谱均高于对照组。Izquierdo-Garcia等[6]对大鼠器官组织、体液中的代谢产物谱研究发现，与对照组相比，脓毒症组大鼠肺组织中丙氨酸、肌酸、磷酸乙醇胺和肌醇浓度增加，支气管肺泡灌洗液（bronchoalveolarlavage fluid，BALF）中肌酸增加但肌醇减少，血清中丙氨酸、肌酸、磷酸乙醇胺及乙酸乙酯增加而甲酸降低；而利用以上代谢产物构建的预测模型来诊断大鼠脓毒症，其敏感性和特异性均达到100%。Stringer等[2]采用1H-NMR技术研究发现，对照组和脓毒症肺损伤组患者在总谷胱甘肽、腺苷、磷脂酰丝氨酸和神经磷脂代谢方面比较差异有统计学意义，肌醇水平与急性生理学评分及机械通气天数呈负相关，总谷胱甘肽水平与急性生理学评分呈正相关。以上结果已被证实为脓毒症或其他危重症特征的代谢标记物，未来可直接针对这些代谢组学结果进行研究[2]。

2.脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）诱导的肺损伤：呼出的气体中包含全身系统及肺部的代谢信息，可作为一种非侵袭性工具，用于检测与诊断肺损伤。有研究将成年雄性大鼠机械通气6 h后，静脉或气管内滴入LPS，呼出气体用电子鼻监测，每小时用GC-MS检测1次。结果表明，在LPS激发后3 h呼出气体成分取得很好的分离，同时己醛、十五烷和6,10-二甲基-5,9-十一双烯-2-酮浓度减少，而气管内滴入LPS后壬酸浓度增高，LPS静脉滴入后壬酸浓度降低[7]。以上说明LPS诱导的肺损伤能很快改变肺呼出气的代谢成分，而静脉和气管内给予LPS后部分变化是重叠的。

3.急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）：Schubert等[8]对37例ARDS患儿呼出气中的9种代谢产物进行检测发现，19例呼出气中有低水平的异戊二烯。Evans等[9]对ARDS患者和健康者的肺灌洗液进行代谢组学研究发现，ARDS患者较健康者有更高水平的氨基酸和葡萄糖产物及低水平的脂质代谢产物。 

4.机械通气诱导的ALI：机械通气虽可以挽救生命，但还可引起肺损伤或加剧肺损伤，称为机械通气相关性肺损伤（ventilator-induced lung injury，VILI）。对于VILI的出现或进展的判断，既未有特殊的生物标记物也没有诊断工具[10]。Izquierdo-García等[11]应用定量核磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）和质谱法研究机械通气诱导的ALI的生物标记物发现，与对照组大鼠相比，机械通气组大鼠肺组织中有更高浓度的乳酸和更低浓度的葡萄糖和甘氨酸，BALF中的葡萄糖、乳酸、醋酸盐、3-羟基丁酸盐和肌酸的浓度升高；血清中磷脂酰胆碱、油酸酰胺、鞘氨醇、十六碳烯醛和赖氨酸的浓度升高，但溶血磷脂酰胆碱、鞘氨基醇的浓度降低。以上与Serkova等[1]报道一致。说明VILI肺组织中葡萄糖的减少和乳酸水平的升高与葡萄糖应用的增加和有氧代谢的改变是一致的，同时BALF中乳酸的升高表明正常细胞的能量代谢受到损伤。 

约30%的极低出生体重早产儿可能发生BPD，生后2年应该是肺部发育的关键[3]。虽然大多数BPD患儿由于肺部病变原因死亡减少，但有部分患儿在进入儿童期和青春期后，会持续存在呼吸道症状。早产儿慢性肺部疾病的特点是气道发育的改变，平滑肌的过度增生，血管稀疏及肺泡化的减少，而症状加重的表现为哮鸣。而哮喘具有气道的高反应性和低气道阻力，是气道的炎症所致，通常与遗传性过敏症相关。

1.呼出气冷凝物（exhaled breath condensate，EBC）及BALF代谢变化：对于患有慢性肺部疾病的年长早产儿，既无诊断哮喘的病理生理学资料，也没有可操作的方法去区分以慢性肺部疾病为基础的下呼吸道疾病及哮喘。Carraro等[12]利用代谢组学技术研究EBC发现，与健康对照组相比，慢性肺部疾病组早产儿青少年期的磷酸卵磷脂代谢产物增加，而磷脂酰丝氨酸代谢产物减少。而在成人和儿童哮喘的研究中，鉴定出不同的代谢产物，其中磷脂酰胆碱在BPD青少年的EBC中是升高的，但在哮喘鼠模型的BALF中是降低的。以上不仅说明BPD与哮喘的气道代谢产物不同，还表明哮喘患儿本身病理损害的不均一性。BPD青少年表面活性物质脂质分子在代谢组学上的差异，可为了解BPD发病机制提供新的视野。而表面活性物质组成的改变可能是早产儿慢性肺部疾病发生的基础，且影响超过婴儿期。

代谢组学分析能区分有BPD病史的青少年与健康人群，在婴儿期和儿童期有反复呼吸道梗阻的BPD患儿，常有持续的气道功能异常、持久的气流受限。BPD患儿的特征性变化为不饱和的磷酸卵磷酯化学结构相似于纤溶酶-磷脂酰丝氨酸，而健康者则是不饱和的磷酸卵磷酯被规则的磷脂酰丝氨酸替代。表面阴离子，如磷脂酰丝氨酸，可选择性地与表面活性蛋白B相互作用，在酰基链包裹表面活性物质磷脂，从而辅助稳定肺泡表面生物膜。推测?；舅岷铣傻囊趵胱恿字苡跋毂砻婊钚晕镏实纳镂锢硌卣?。以上表明，度过婴儿期早期阶段后，BPD患儿肺组织中异常的表面活性物质的组成将持续较长时间，影响可能持续超过新生儿期，而其可导致哮喘患儿气道阻塞，同时在持续气道血流限制的BPD患者中起作用，故纠正异常的脂质排列对于预防和治疗BPD的肺功能障碍也许是未来的治疗目标[13]。

2. 尿液的代谢组学研究：尿液包含丰富的与疾病相关的信息，采集为非侵入性操作，简便易行，是较为理想的儿科和新生儿科研究样本。细胞代谢活性同代谢条件是相关的，可产生特征性的代谢产物。气道机能异常能引起广泛的细胞应激，可反映在尿液样本上。Fanos等[3]用非损伤的方法收集36例早产儿生后24~36 h尿液样本后分析发现，与对照组相比，BPD组中肌醇、乳酸盐、?；撬?、三甲胺均升高，而葡萄糖酸盐则减少，推断肌醇与胎肺成熟相关。尿中乳酸盐的升高，表明新生儿出生时，呼吸系统受到不良应激，以及线粒体能量代谢衰竭可导致尿（血和脑脊液）中乳酸盐异常的积累。说明BPD是一种先天性（遗传学和子宫内胚胎学）的疾病。因此，BPD可能与异常呼吸胚芽、异常血管树发育及肺泡发育阻滞相关。 

对于ARDS的生物学变化方面，可同时检测各种生物液体（如灌洗液、血浆和尿液）的代谢，对疾病的发生、发展及转归提供重要的理论基础。但是灌洗液中的代谢产物，不一定能真实反映血浆情况，也并不能反映肺脏中独立的代谢过程，因此，对于ARDS高?；颊叩难芯渴枪丶?。因ARDS与ALI的早期阶段有显著不同，故对于ARDS不同阶段的研究也许能在ARDS的发病机制上提供全新的视野。而对于鉴定高?；颊呤欠窕岱⑸鶤RDS，早期阶段的部分生物标记物是有用的。代谢产物的鉴定不仅能作为生物标记物，也可能作为ARDS治疗的潜在靶点[14]。

代谢组学在ALI研究中的局限性：（1）研究仅是损伤后的一个时间点；（2）未提出一个激活或抑制通路在VILI的致病作用；（3）由于损伤的原发部位在肺部，故血清中的代谢改变能反映血清中脂蛋白相关的脂代谢，不一定能反映肺中代谢和信号通路的改变；（4）动物实验模型是在夸大VILI损伤的形式下完成的，因为大潮气量通气并不适用于人类[6]。

在疾病的过程中，组织的代谢变化是晚于系统的代谢变化。人类呼出的气体包含数千种易挥发的有机化合物，均来自呼吸系统生理病理过程，故目前研究应用电子鼻鉴别ALI与无肺损伤的患者，准确率达92%[15]，可能满足临床诊断的需要。此方法具有以下特点：操作为非侵袭性；装置为便携式；数据可持续及时获得；不依赖单个的生物标记物。进一步的病理生理学研究需要将气体气相层析和质谱法补充到有机化合物的鉴别中，故Bos等[15]提出增加定量“呼吸组学”到代谢组学中。

不远的将来，代谢组学不仅可细致地描绘出新生儿肺损伤不同时期的特征性代谢产物图谱，并能准确预判ALI，而且能描绘新生儿期各种呼吸系统疾病的代谢图谱，使及时、有效、有针对性的干预和治疗成为可能。