妊娠糖尿?。℅DM）是指在懷孕期間首次發現的葡萄糖耐受不良，多數患病孕婦會在分娩后恢復正常，而高達35%的孕婦可能在分娩后2個月內糖耐量受損。有GDM病史的女性在中年時患II型糖尿病(T2D)的風險要高出7倍，且患高血壓和心血管疾病的風險也會增高，預測35%-50%的GDM患者會在產后10年內發展為T2D。因此急需開發一種簡便準確的方法來預測GDM孕婦的T2D患病風險，以便更深入地理解從GDM到T2D過渡的病理基礎。近日，來自加拿大多倫多大學的研究團隊利用靶向代謝組學，對1010例患有GDM基線無T2DM的女性進行了巢式病例對照研究，發現未來進展為T2D女性血漿中代謝水平在基線時即發生顯著改變，特別是氨基酸(AAs) 和二?；?甘油磷脂的上調，以及鞘脂和酰基-烷基-甘油磷脂的下調，或可預測GDM發展為T2D的風險，相關成果發表于《PLOS Medicine》。
實驗設計
研究人員招募了1035例診斷為GDM的女性，根據基線（產后6-9周）2小時75g 口服葡萄糖耐量試驗（OGTT）的結果，以1010例無T2D的女性作為巢式病例對照。在基線時采集空腹血漿樣本，然后2年內隨訪采集兩次血樣，并進行8年的電子病歷跟蹤調查，期間有178例女性患上了T2D（圖1A）。根據糖尿病狀況和隨訪時間為其中173例T2D患者匹配了485例非T2D的參與者作為對照組，對基線時的血漿樣本進行代謝組學分析?；€2年后采集98例T2D患者和239例非T2D對照的空腹血漿樣本，同樣進行代謝組學研究（圖1A，1B）。數據分析包括3部分，如圖1C所示。
圖1 實驗設計路線
研究人員建立了包括20個代謝物（己糖、6個AAs、6個甘油磷脂、2個酰基肉堿、2個鞘脂和3個生物胺）的特征模型（圖2A）。此代謝特征獲得的AUC、敏感性、特異性、精確率、F1評分和準確率均優于傳統的空腹血糖（FPG）和兩小時血糖（2hPG）或兩者組合等臨床參數（圖2B）。為避免優先偏差，選擇具有中間性能的訓練/測試分區并構建ROC曲線，從而比較基于不同參數的模型（圖2C）。該代謝物特征獲得的AUC為 0.883，優于FPC、2hPG及兩者組合。
圖2 代謝特征和預測未來T2D患病的模型
基線前瞻性分析--與未來T2D患病相關的代謝變化
在檢測的188個代謝物中，有141種通過質控的代謝物參與后續數據分析。PLS-DA結果顯示發生T2D組和非T2D對照組之間顯著分離。對種族、年齡和BMI矯正后，共獲得37種差異代謝物，23種上調和14種下調（圖3A，3B），其中己糖增加最為顯著，表明己糖代謝是最失調的通路，并且與疾病的發生密切相關。此外，發生T2D組的11種AAs（組氨酸、異亮氨酸、絲氨酸、酪氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、谷氨酸、賴氨酸、色氨酸、蘇氨酸和脯氨酸）、?；鈮A（AC3、AC10和AC16）、二酰基-甘油磷脂和亞精胺上調，谷氨酰胺、犬尿氨酸、鞘磷脂、溶血磷脂酰膽堿（lysoPC26:0除外）和酰基-烷基-甘油磷脂下調（圖3C）。KEGG分析發現與非T2D對照相比，在隨訪期間發生T2D的女性中氨酰-tRNA生物合成途徑、BCAA生物合成和精氨酸生物合成上調，有趣的是，精氨酸/脯氨酸途徑也上調（圖3D）。這些結果表明，AA代謝亢進可能在未來糖尿病發病中起重要作用。
圖3 基線時與未來T2D患病相關的代謝物和通路
橫斷面分析--基線/隨訪之間與T2D相關的代謝變化
隨后，研究人員對隨訪樣本（98例T2D病例和239例非T2D對照）進行橫斷面分析來鑒定T2D相關代謝物。與非T2D組相比，T2D組共鑒定出27種差異代謝物(P<0.05)，其中9種上調和18種下調（圖4A，4B），包括碳水化合物（葡萄糖和果糖）、脂類（磷脂和鞘脂）、氨基酸類（支鏈氨基酸、芳香族氨基酸和甘氨酸）。KEGG通路分析發現，與基線時相似，AA代謝受到很大影響。氨酰-tRNA生物合成通路在T2D組中最富集，還有BCAA生物合成和降解通路，值得關注的是，葡萄糖-丙氨酸循環通路（氮進入尿素循環并生成葡萄糖）上調（圖4C）。此外，研究人員比較了基線時和隨訪之間差異代謝物的水平，如圖4D所示，在基線時的大多數差異調節代謝物在隨訪時保持著它們的變化趨勢。
圖4 隨訪時與未來T2D患病相關的代謝物
縱向分析--與從GDM向T2D過渡有關代謝物
研究人員通過縱向分析追蹤了從基線到隨訪個體2年內T2D進展相關的代謝物動態變化，選擇337名參與者，其中98名在隨訪期間發生了T2D（進展者）（圖5A），239名沒有發展為T2D（無進展者）。通過多元線性回歸模型鑒定了兩組間10種差異代謝物（己糖、5種AAs、1種生物胺和3種磷脂）顯示與糖尿病的進展有關（圖5A）。追蹤每個個體內每個代謝物的相對濃度變化，每個代謝物隨時間的推移形成一個軌跡（圖5B）。具體而言，在糖尿病進展期間，己糖和犬尿氨酸的δ值升高，而其余8種代謝物的δ值降低。與橫斷面分析（基線和隨訪）相比，這里發現的差異失調的代謝物相對較少，表明在整個T2D進程中，大多數代謝變化都保持在基線。
圖5 縱向分析中與T2D進展相關的代謝物
建立從GDM進展到T2D的代謝譜--基線/隨訪橫斷面和縱向整合分析
選擇基線/隨訪橫斷面和縱向分析中所有差異代謝物，建立從GDM向新發T2D過渡期間的綜合代謝譜。在基線和隨訪中，己糖、大多數AAs(BCAAs和芳香AAs)、?；鈮A(AC3和AC10)、生物胺(亞精胺)和二酰磷脂酰膽堿在T2D中均升高；相比之下，谷氨酰胺、甘氨酸、鞘磷脂、賴氨酸和?；榛字Ｄ憠A的水平與T2D呈負相關(圖6A)。與基線和隨訪的橫斷面研究不同，在縱向研究中只有10種代謝物受到差異調節?？v向分析顯示，在過渡期間，己糖和生物胺犬尿氨酸的δ值增加，而組氨酸、絲氨酸、甘氨酸、精氨酸和瓜氨酸則減少(圖6A)，磷脂lysoPC a C18:0, lysoPC a C18:1, PC ae C34:2的δ值也降低，這表明在進展為T2D的GDM女性中，基線時存在碳水化合物、AA、酰基肉堿和脂質的代謝異常(圖6B)。
圖6 GDM向T2D過渡的整合代謝網絡
小結
本研究從基線/隨訪橫斷面和縱向代謝譜分析揭示了一些代謝途徑和特定代謝物（己糖是唯一顯著增加的代謝物）與有GDM病史的女性發展到T2D有關，能夠在女性產后早期預測從妊娠糖尿病發展為II型糖尿病的代謝特征，其預測未來T2D能力的AUC為 0.883，優于臨床參數（空腹血糖和2小時血糖、HOMA-IR、糖尿病家族史和產前GDM治療類型）。代謝失調，特別是氨基酸代謝失調在糖尿病發病的數年前就已存在，并可在患有GDM的女性產后早期，發展為T2D之前被發現。而這或許可以成為一種新的精準預測T2D的方法，使糖尿病的發現提早10年。
參考文獻
Mi Lai et al., Amino acid and lipid metabolism in postgestational diabetes and progression to type 2 diabetes: A metabolic profiling study. 2020. PLOS Medicine.
https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1003112
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