妊娠糖尿病（GDM）是指在怀孕期间首次发现的葡萄糖耐受不良，多数患病孕妇会在分娩后恢复正常，而高达35%的孕妇可能在分娩后2个月内糖耐量受损。有GDM病史的女性在中年时患II型糖尿病(T2D)的风险要高出7倍，且患高血压和心血管疾病的风险也会增高，预测35%-50%的GDM患者会在产后10年内发展为T2D。因此急需开发一种简便准确的方法来预测GDM孕妇的T2D患病风险，以便更深入地理解从GDM到T2D过渡的病理基础。近日，来自加拿大多伦多大学的研究团队利用靶向代谢组学，对1010例患有GDM基线无T2DM的女性进行了巢式病例对照研究，发现未来进展为T2D女性血浆中代谢水平在基线时即发生显著改变，特别是氨基酸(AAs) 和二酰基-甘油磷脂的上调，以及鞘脂和酰基-烷基-甘油磷脂的下调，或可预测GDM发展为T2D的风险，相关成果发表于《PLOS Medicine》。
实验设计
研究人员招募了1035例诊断为GDM的女性，根据基线（产后6-9周）2小时75g 口服葡萄糖耐量试验（OGTT）的结果，以1010例无T2D的女性作为巢式病例对照。在基线时采集空腹血浆样本，然后2年内随访采集两次血样，并进行8年的电子病历跟踪调查，期间有178例女性患上了T2D（图1A）。根据糖尿病状况和随访时间为其中173例T2D患者匹配了485例非T2D的参与者作为对照组，对基线时的血浆样本进行代谢组学分析。基线2年后采集98例T2D患者和239例非T2D对照的空腹血浆样本，同样进行代谢组学研究（图1A，1B）。数据分析包括3部分，如图1C所示。
图1 实验设计路线
研究人员建立了包括20个代谢物（己糖、6个AAs、6个甘油磷脂、2个酰基肉碱、2个鞘脂和3个生物胺）的特征模型（图2A）。此代谢特征获得的AUC、敏感性、特异性、精确率、F1评分和准确率均优于传统的空腹血糖（FPG）和两小时血糖（2hPG）或两者组合等临床参数（图2B）。为避免优先偏差，选择具有中间性能的训练/测试分区并构建ROC曲线，从而比较基于不同参数的模型（图2C）。该代谢物特征获得的AUC为 0.883，优于FPC、2hPG及两者组合。
图2 代谢特征和预测未来T2D患病的模型
基线前瞻性分析--与未来T2D患病相关的代谢变化
在检测的188个代谢物中，有141种通过质控的代谢物参与后续数据分析。PLS-DA结果显示发生T2D组和非T2D对照组之间显著分离。对种族、年龄和BMI矫正后，共获得37种差异代谢物，23种上调和14种下调（图3A，3B），其中己糖增加最为显著，表明己糖代谢是最失调的通路，并且与疾病的发生密切相关。此外，发生T2D组的11种AAs（组氨酸、异亮氨酸、丝氨酸、酪氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、谷氨酸、赖氨酸、色氨酸、苏氨酸和脯氨酸）、酰基肉碱（AC3、AC10和AC16）、二酰基-甘油磷脂和亚精胺上调，谷氨酰胺、犬尿氨酸、鞘磷脂、溶血磷脂酰胆碱（lysoPC26:0除外）和酰基-烷基-甘油磷脂下调（图3C）。KEGG分析发现与非T2D对照相比，在随访期间发生T2D的女性中氨酰-tRNA生物合成途径、BCAA生物合成和精氨酸生物合成上调，有趣的是，精氨酸/脯氨酸途径也上调（图3D）。这些结果表明，AA代谢亢进可能在未来糖尿病发病中起重要作用。
图3 基线时与未来T2D患病相关的代谢物和通路
横断面分析--基线/随访之间与T2D相关的代谢变化
随后，研究人员对随访样本（98例T2D病例和239例非T2D对照）进行横断面分析来鉴定T2D相关代谢物。与非T2D组相比，T2D组共鉴定出27种差异代谢物(P<0.05)，其中9种上调和18种下调（图4A，4B），包括碳水化合物（葡萄糖和果糖）、脂类（磷脂和鞘脂）、氨基酸类（支链氨基酸、芳香族氨基酸和甘氨酸）。KEGG通路分析发现，与基线时相似，AA代谢受到很大影响。氨酰-tRNA生物合成通路在T2D组中最富集，还有BCAA生物合成和降解通路，值得关注的是，葡萄糖-丙氨酸循环通路（氮进入尿素循环并生成葡萄糖）上调（图4C）。此外，研究人员比较了基线时和随访之间差异代谢物的水平，如图4D所示，在基线时的大多数差异调节代谢物在随访时保持着它们的变化趋势。
图4 随访时与未来T2D患病相关的代谢物
纵向分析--与从GDM向T2D过渡有关代谢物
研究人员通过纵向分析追踪了从基线到随访个体2年内T2D进展相关的代谢物动态变化，选择337名参与者，其中98名在随访期间发生了T2D（进展者）（图5A），239名没有发展为T2D（无进展者）。通过多元线性回归模型鉴定了两组间10种差异代谢物（己糖、5种AAs、1种生物胺和3种磷脂）显示与糖尿病的进展有关（图5A）。追踪每个个体内每个代谢物的相对浓度变化，每个代谢物随时间的推移形成一个轨迹（图5B）。具体而言，在糖尿病进展期间，己糖和犬尿氨酸的δ值升高，而其余8种代谢物的δ值降低。与横断面分析（基线和随访）相比，这里发现的差异失调的代谢物相对较少，表明在整个T2D进程中，大多数代谢变化都保持在基线。
图5 纵向分析中与T2D进展相关的代谢物
建立从GDM进展到T2D的代谢谱--基线/随访横断面和纵向整合分析
选择基线/随访横断面和纵向分析中所有差异代谢物，建立从GDM向新发T2D过渡期间的综合代谢谱。在基线和随访中，己糖、大多数AAs(BCAAs和芳香AAs)、酰基肉碱(AC3和AC10)、生物胺(亚精胺)和二酰磷脂酰胆碱在T2D中均升高；相比之下，谷氨酰胺、甘氨酸、鞘磷脂、赖氨酸和酰基烷基磷脂酰胆碱的水平与T2D呈负相关(图6A)。与基线和随访的横断面研究不同，在纵向研究中只有10种代谢物受到差异调节。纵向分析显示，在过渡期间，己糖和生物胺犬尿氨酸的δ值增加，而组氨酸、丝氨酸、甘氨酸、精氨酸和瓜氨酸则减少(图6A)，磷脂lysoPC a C18:0, lysoPC a C18:1, PC ae C34:2的δ值也降低，这表明在进展为T2D的GDM女性中，基线时存在碳水化合物、AA、酰基肉碱和脂质的代谢异常(图6B)。
图6 GDM向T2D过渡的整合代谢网络
小结
本研究从基线/随访横断面和纵向代谢谱分析揭示了一些代谢途径和特定代谢物（己糖是唯一显著增加的代谢物）与有GDM病史的女性发展到T2D有关，能够在女性产后早期预测从妊娠糖尿病发展为II型糖尿病的代谢特征，其预测未来T2D能力的AUC为 0.883，优于临床参数（空腹血糖和2小时血糖、HOMA-IR、糖尿病家族史和产前GDM治疗类型）。代谢失调，特别是氨基酸代谢失调在糖尿病发病的数年前就已存在，并可在患有GDM的女性产后早期，发展为T2D之前被发现。而这或许可以成为一种新的精准预测T2D的方法，使糖尿病的发现提早10年。
参考文献
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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