多囊卵巢綜合征的代謝組學研究進展＊

常 惠，張躍輝，沈文娟，Chi Chiu Wang，王喜軍，吳效科＊＊

（1. 黑龍江中醫藥大學博士后流動站 哈爾濱 150040；2. 黑龍江中醫藥大學附屬第一醫院 哈爾濱 150040；3. 香港中文大學 香港 999077）

多囊卵巢綜合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）是女性常見的內分泌疾病，主要以閉經、不孕、高雄激素血癥為臨床表現，伴有糖尿病、心血管疾病的遠期并發癥，青春期主要表現為無排卵性閉經、月經稀發、肥胖、多毛、痤瘡；到了生育年齡，不孕是困擾大多數PCOS 女性的主要癥狀，由此影響家庭和睦；到了圍絕經，其2 型糖尿病、心血管疾病、子宮內膜癌及代謝綜合征等問題是該病嚴重的并發癥。因此，PCOS困擾女性一生，嚴重的危害女性健康。目前，PCOS 的病因尚不明確，診斷標準不統一。本文就PCOS 的診斷標準及代謝組學在PCOS 中的應用進行綜述，旨在服務于臨床PCOS的診斷和治療。

1 PCOS的診斷標準

PCOS 是一種女性常見的內分泌代謝疾病，其發病率為5-10%[1]。1935 年首次被提出PCOS，主要以多囊形態變化，月經稀發或者閉經、不孕、多毛為主要表現。PCOS 患者常常伴隨著不孕，并且伴有不良的妊娠結局、代謝、心血管和社會心理因素[2]。目前PCOS沒有確切的治療措施，其病理機制也尚不明確。PCOS的臨床表現主要包括無排卵或者稀發排卵引起的閉經或者月經失調，雄激素過高引起的高雄激素血癥和多毛和超聲下的卵巢呈多囊樣改變。此外，PCOS 患者存在明顯的糖脂代謝異常，表現為代謝綜合征發病率升高3-5倍，妊娠期流產、糖尿病和高血壓病等升高2-3 倍，遠期的心腦血管等慢病發病率顯著增加。而且，PCOS 的癥狀嚴重程度不同，主要受年齡、體重、種族和環境因素的影響[3]。因此，PCOS 是生殖與代謝并存的慢性非傳染性疾病的代表性模型。目前PCOS 的診斷標準主要包括以下5種（圖1）。

1.1 1990年NIH診斷標準[4]

①高雄激素的臨床表現和/或高雄激素血癥；②慢性無排卵；③除外高泌乳素血癥和甲狀腺疾病、先天性腎上腺皮質增生等其他內分泌疾病。

1.2 2003年Rotterdam診斷標準[5]

①高雄激素的臨床或者生化改變；②稀發排卵或者無排卵；③超聲發現卵巢呈多囊樣改變。符合上述三項中的任何兩項，診斷為PCOS。

圖1

1.3 2006年AES診斷標準[6]

①臨床或者生化的高雄激素血癥為必需條件；②稀發排卵或無排卵，和/或卵巢成PCO 改變；③排除其他內分泌疾病。

1.4 2007年日本診斷標準[7]

①月經異常，包括閉經、月經稀發或無排卵；②卵巢呈多囊樣改變：超聲可見雙側卵巢呈小卵泡，至少一側卵巢內卵泡大小為2-9 mm，數目在10 個以上。③血清雄激素升高，或基礎LH 水平升高而FSH 正常。三項均具備者診斷為PCOS。

1.5 2011 年中華醫學會制定《PCOS 診斷和治療專家共識》[8]

①月經稀發、閉經或不規則子宮出血；②臨床或者生化的高雄激素血癥；③超聲下發現的卵巢呈PCO改變。①為必需條件，②③具備一項即可診斷為PCOS。然而，盡管PCOS 診斷標準是有爭議的，但仍然被各種指南廣泛采納，并且被婦產科醫生和其他專科醫生廣泛使用[4,9,10]。從表1 中可以看出，PCOS 的診斷標準隨著時間的推移范圍被擴大。

PCOS 診斷標準的擴大，使PCOS 的發病率升高，從原來的4-6.6%升高到21%[11]，這一增長伴隨著PCOS 臨床表型的增多，以及肥胖，疾病診療意識，測試的敏感性提高[12]。過度診斷往往導致癥狀較輕的PCOS 的增多。事實上，在好多非PCOS 的人群中也常常伴有卵巢的多囊樣改變[13]。痤瘡和月經稀發也是許多青春期女孩向成年發育的常見的特征[14]。而且，月經不規律和輕度升高的游離睪酮在年輕女性中占很大比例[15]。而且，非高雄表型的長期缺乏導致下丘腦性閉經[16]。因此，介于PCOS 的高度異質性[17]，很難提供一種適合所有PCOS特征的診斷標準。

更重要的是，不同的PCOS 表型和不同的診斷標準在一定程度上將預測不同的生殖結局[18]。不同表型的PCOS 與并發癥以及治療療效之間的聯系沒有區別[19]。目前的治療選擇是否對PCOS 的不同表型產生療效，尚不明確。我們期待采用多技術、多途徑了解PCOS 的病因和特點，如代謝組學技術在PCOS 中的應用，以期待為PCOS的診斷標準作出修訂或者補充。

2 代謝組學在流行病學研究中的應用

代謝組學是近年加入組學技術平臺的，組學技術平臺還包括基因組學、轉錄組學和蛋白組學。代謝組學是對生化過程的所有的代謝物進行收集研究[20]，通過分析生物樣本代謝過程中產生的多個小分子代謝產物，主要考察生物體系受刺激或擾動后其內源性代謝產物的變化，從而研究生物體系的代謝途徑。基因組學是檢測與疾病相關的基因的變異，這些變異只占疾病風險的一小部分。這可能是因為疾病發生的機制不同，環境因素的影響，以及基因交互影響的復雜性。然而轉錄和蛋白組學基因的表達，能夠反應一系列代表細胞功能的基因產物。代謝圖譜能夠反應瞬間的生理過程。代謝圖譜包含大量的信息，能夠預測預測復雜的全球個體表型的復雜調控效應，反應疾病的狀態和研究基因變異和環境作用的結果。因此，代謝組學被廣泛的應用于流行病學研究中，在許多疾病中來確定風險特征，如風濕性疾病[21]和心臟病[22]。目前，一些代謝組學研究發現一些重要的代謝物和PCOS 表型相關的特定的代謝，但大多數研究是小規模的，而且是靶向性的代謝物和定性的[23-25]。

代謝組學研究作為基因表達的下游技術，與基因組學和蛋白質組學相比更能真實的反應PCOS 的表型。在臨床代謝組學研究中，通過代謝組學技術檢測臨床樣本，利用大數據分析方法篩選出特異性強和高靈敏度的代謝物群作為疾病的潛在診療標志物，進一步通過基因組學和蛋白質組學探索引起代謝標志物變化的分子基礎，最終通過分子生物學手段揭示疾病的發病機制。Thomas 等[26]利用液相色譜質譜（LCMS）的代謝組學方法研究了糖尿病發展進程中代謝物的改變情況。對2422 例血糖正常的參與者隨訪12年，有201 例發展為糖尿病。研究者檢測了基線水平氨基酸、胺類及其他極性代謝物，發現異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的改變與糖尿病的發展有顯著的相關性，聯合后三個氨基酸的升高能夠預示未來糖尿病的高發率。2014 年，Mathé 等[27]先通過前期篩選對469 例肝癌患者和536 例健康人群尿液樣本的代謝物進行非靶向代謝組學分析。通過對吸煙相關代謝物的檢測，發現可以很好的將吸煙人群和非吸煙人群區分開，驗證了分析方法的可行性。在綜合考率臨床基本信息及治療等多方面因素后，鑒定出四個差異代謝物影響肝癌患者的存活率。后期驗證80例肝癌患者和78 例健康人，并通過靶向代謝組學，驗證了這四種代謝物與疾病的相關性。最終回歸到腫瘤組織檢測這四種代謝物的含量也有所升高。2017年Celiktas 等[28]利用蛋白質組學、代謝組學、PCR 分析、免疫組化等多重實驗研究方法對肺腺癌的診斷生物標記物篩選，并對肺腺癌相關蛋白LKB1 和CPS1 功能機制進行深入而細致的研究，結果表明在肺腺癌中，CPS1是一個極具應用潛力的治療靶點和預后的生物標記物。

課題組團隊開展了從口服藥物含藥血清中分析鑒定藥物體內直接作用物質的系統研究工作，完成了茵陳蒿湯、六味地黃丸等11個方劑的體內成分的系統研究，代謝組學成功應用到中醫藥領域。基于中藥復方給藥形式的特殊性及方證對應療效的專屬性，以證候為起點，從方劑入手，開拓性的建立了系統的關聯“證候診斷-方劑效應評價-體內直接作用物質分析”的方法[29]。

3 PCOS的代謝組學研究

關于PCOS 代謝組學的研究，主要集中在PCOS 伴發的胰島素抵抗、痰濕證型和排卵障礙患者代謝物的檢測和代謝途徑的研究。

3.1 PCOS胰島素抵抗的特點

胰島素抵抗是PCOS 的重要特征，2 型糖尿病是PCOS 患者遠期的重要并發癥之一。英國諾丁漢大學醫學院[30]對所有已發表的關于IGT 或2 型糖尿病生物標記物的代謝組學研究進行了檢索，鑒定出PCOS 發展成IGT 或2 型糖尿病風險的代謝生物標記物可能包括亮氨酸、異亮氨酸、檸檬酸、葡萄糖、肌酐、纈氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸和高密度脂蛋白等9種代謝標記物。喬杰團隊研究[31]表明，PCOS 患者血清中乳酸、長鏈脂肪酸、甘油三酯和低密度脂蛋白水平升高，而葡萄糖、磷脂酰膽堿和高密度脂蛋白水平降低。纈氨酸、亮氨酸水平升高，甘氨酸水平下降可使胰島素敏感性增強，而纈氨酸、亮氨和甘氨酸被認為是產生遠期糖尿病風險的潛在生物標記物。一項研究[32]二甲雙胍治療多PCOS 的代謝組學研究，PCOS 患者存在糖脂和氨基酸代謝異常，PCOS組存在63種代謝差異物，二甲雙胍治療前后存在27 中代謝差異物，PCOS 主要存在丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝、檸檬酸循環、丙酮酸代謝等通路的改變，二甲雙胍能改善牛磺酸和亞牛磺酸代謝、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝等通路。

對93 例PCOS 和對照組進行GC-MS 分析，發現肥胖型PCOS 患者卵泡液中棕櫚酸、油酸均高于正常型PCOS 患者，兩組胚胎碎片得分均與其FF 中油酸含量呈正相關[33]。Ebru 研究表明，NMR 代謝組學研究發現，糖皮質激素造模的PCOS 模型動物中，血中氨基酸（纈氨酸、酪氨酸和脯氨酸）及其中間體（2-羥基丁酸、4-氨基丁酸和牛磺酸），和腎臟中的TCA 循環代謝（檸檬酸，富馬酸，琥珀酸）和戊糖磷酸鹽（PP）通路產物（肌苷和尿嘧啶）顯著改變的，在8-16 周。腎臟中NADH,NAD+,NAD+/NADH,和NADH 氧化還原，說明線粒體的氧化應激增加。這些代謝物異常與氨基酸代謝異常有關，增加細胞質聚丙烯，進而增加線粒體活性，導致更多氧化態，確定了與腎臟線粒體代謝功能障礙相關的生物標志物，這些標志物可能是PCOS女性氧化應激的早期預測生物標志物[34]。A Couto Alves 研究145 例PCOS 患者和687 例對照組進行NMR代謝組學分析，發現PCOS 具有有害的代謝物，低密度脂蛋白進行不同的分類，4 個脂質分類與PCOS 有關，腰圍大的PCOS 患者具有更高的高密度脂蛋白、Apo A1 和白蛋白值，低密度脂蛋白、血清脂類與雄激素相關[35]。álvaro Anzai 使用代謝組學的方法發現，PCOS非酒精性脂肪肝的患者中，支鏈氨基酸代謝受損有機氧離子轉運蛋白ELOVL2，SLC22A4 和SLC16A9 活性受損有關[36]。lice Y. Chang 對比20 例肥胖的PCOS 和18 例肥胖的健康對照組，發現PCOS 顯著的代謝變化不僅僅與雄激素相關的代謝途徑、肥胖和代謝綜合征相關，在PCOS中，必需氨基酸和BCAA的濃度增加，說明與胰島素抵抗具有相關性[37]。

3.2 痰濕型PCOS的代謝特點

關于PCOS 痰濕證代謝組學的研究國內主要是山東中醫藥大學團隊和黑龍江中醫藥大學侯麗輝教授團隊。山東中醫藥大學劉家義團隊研究表明[38]，PCOS痰濕證患者代謝物1-甲基組氨酸、檸檬酸、乙醇、甘油磷酸膽堿、低密度脂蛋白L1、脂質L6 降低，乙酰乙酸、極低密度脂蛋白L5、脂質L7、乳酸、賴氨酸、N-乙酰糖蛋白、蘇氨酸上升13中代謝物升高，與健康人比較，提示這13種代謝物可能是PCOS痰濕證潛在的生物標志物。因此說明PCOS 痰濕證患者血清代謝組分的變化主要表現為三羧酸循環障礙、糖代謝緩慢、脂肪動員加強。

侯麗輝教授團隊研究[39]表明，代謝組學方法鑒定出與小檗堿治療相關的差異代謝物，包括2 個磷脂酰膽 堿（phosphatidylcholine，PC）（PC（32∶0）和PC（34∶1））、1 個鞘磷脂（sphingomyelin，SM）（SM（d18:1/15:0））、芥子酸酰胺（erucamide）和硬脂酸（stearic acid）。這幾個差異代謝物均為脂類，與治療前相比，治療后血清中的含量都顯著性升高。此外，小檗堿治療后6種中長鏈肉堿（carnitine）：carnitine 10∶0、carnitine 10∶1、carnitine 12∶0、carnitine 12∶1、carnitine 14∶1 和carnitine 14∶2下降。這些數據表明小檗堿可以改善超重/肥胖型PCOS 患者的脂類代謝，而這些脂質通路與胰島素抵抗有關，結合生化小檗堿改善胰島素抵抗。另外一項研究[40]運用代謝組學的方法評估補腎化痰復方對PCOS 的作用，30 例PCOS 患者，13 例胰島素正常組（NI），17例高胰島素（HI）組，治療后賴氨酸，苯酚硫酸鹽，苯丙氨酸降低，鳥氨酸，脯氨酸，甜菜堿，乙酰膽堿升高，說明補腎化痰復方通過降低炎癥反應和氧化應激。

3.3 PCOS排卵障礙代謝特點

課題組基于PCOS 大樣本、多中心、隨機對照試驗（PCOSAct）項目，在1000 例PCOS 受試者發現，排卵障礙的PCOS 患者，使用克羅米芬促排卵后活產率顯著高于對照組[41]，目前尚無PCOS患者克羅米芬用藥后代謝組學的相關研究，而研究發現[42]PCOS患者中排卵功能障礙者往往伴有絲氨酸、蘇氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸和鳥氨酸水平升高。也有研究發現[43,44]，卵母細胞的成熟障礙和排卵障礙患者與亞油酸水平升高相關，其作用機制可能是亞油酸阻礙了卵母細胞成熟和發育的潛能。亞油酸可以增加致炎因子的活性，促進了PCOS 患者潛在的慢性炎癥的發生。在牛卵卵泡液研究中發現，發育潛能較好的卵母細胞與總脂肪酸和棕櫚酸含量顯著降低，而亞麻酸含量顯著升高[45,46]。推測RIF 組氨基酸代謝異常的原因：①卵子發育成熟所需的蛋白質合成沒有對照組旺盛，導致卵泡液中的必需氨基酸濃度升高；②部分氨基酸含量升高, 破壞了卵子內、外部的滲透壓平衡，影響了卵子質量和胚胎的進一步發育；③卵泡液丙氨酸顯著升高可能是其卵子產生過量的氨（氨的濃度達到一定水平時就會抑制胚胎發育）合成丙氨酸所致；④氨基酸轉運系統存在障礙，卵子不能有效地把卵泡液中的氨基酸快速地轉運到細胞內，并利用這些氨基酸合成卵子發育所需要的物質[47]。

行IVF的PCOS患者卵泡液中糖蛋白、醋酸鹽和膽固醇顯著升高，乳酸、谷氨酰胺、丙酮酸和丙氨顯著降低，而且Pearson 相關性分析發現，ART 結局與NRM 代謝物相關（組氨酸與優質胚胎率負相關，谷氨酰胺與優質胚胎率呈正相關）。說明PCOS 卵泡液中血脂異常，輕度的炎癥，糖代謝紊亂，丙酮酸和氨基酸代謝異常[48]。對4 例肥胖的PCOS 的D3 的胚胎進行分析，發現飽和脂肪酸是降低的[49]。代謝組學和體外研究發現，雄激素活化酶AKR1C3能夠增加雄激素的合成，產生更多的脂肪和胰島素抵抗，造成PCOS 患者的脂肪毒性[50]。

4 結語

綜上所述，隨著代謝組學技術的興起與成熟，該技術已經廣泛應用到婦產科疾病的治療機制的研究方面，對疾病標志物的識別具有重要貢獻。利用代謝組學技術對PCOS 的代謝物譜進行檢測，從代謝途徑評價PCOS 與正常人群的代謝物特點，是對PCOS 機制研究的重要突破。本文綜述近年基于代謝組學對PCOS 的研究進展，基于課題組前期研究結果，下一步我們擬分析1000例PCOS患者克羅米芬組與對照組以及用藥前后代謝物的變化，研究PCOS 不孕患者排卵障礙的機制及克羅米芬促排卵后的療效機制，以期為克羅米芬治療PCOS 排卵障礙提供代謝組學證據，為臨床中PCOS的治療和診斷提供一定的參考意義。