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代謝組學如何改變兒童健康?

摘要

在過去的幾年裏,“組學”技術,特別是代謝組學,作為擴展的科學學科和有前途的技術,出現在幾個病理生理過程的特征描述中。

代謝組學能夠以動態的方式檢測細胞、組織、器官和生物體液中的所有低分子量分子,可以提供詳細的表型描繪,代表代謝“快照”。

由於其眾多的優勢,代謝組學可以成為人類健康的基本工具,允許準確評估個體對病理生理刺激的代謝反應,包括藥物、環境變化、生活方式、大量疾病和其他表觀遺傳學因素。

此外,如果目前的代謝組學數據將在更大的樣本上得到證實,這種技術可能在疾病的早期診斷中有用,甚至可能在臨床發病之前,允許對疾病進展進行臨床監測,並有助於執行最佳治療方法,可能預測治療反應並避免過度治療。此外,代謝組學在營養方麵的應用可以為最佳營養方案、最佳嬰兒生長甚至商業產品成分的表征和改進提供重要信息。

從精確的、個性化的人類健康護理的角度來看,這些隻是代謝組學應用的一些領域。

本文綜述了代謝組學在心髒病、聽覺障礙、腎病、成人和兒童癌症、產科、窒息等圍產期疾病、新生兒營養、新生兒敗血症甚至包括自閉症在內的一些神經精神疾病中的臨床應用。

我們的研究小組多年來一直對代謝組學感興趣,進行了廣泛的實驗和臨床研究,包括首次對人類母乳進行代謝組學分析。在未來,可以合理地預測,目前的知識可以應用於日常臨床實踐,並且可以通過廉價和準確的棍棒輕鬆檢測合理的代謝組學生物標誌物,評估患者床上的生物液,改善患者的診斷、管理和預後,並實現個性化用藥。一場夢嗎?也許我是一個夢想家,但我不是唯一一個。

引言:代謝組學的力量

在過去的幾年裏,“組學”技術(包括基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學)越來越受歡迎,並完全改變了科學方法,因為它們通過對大量數據的同步和通常非侵入性分析,在複雜生物係統的描述中發揮了作用。在這些工具中,代謝組學代表了一個不斷增長和擴大的科學學科和一個有前途的研究領域。

代謝組學(Metabolomics,也被稱為Metabonomics)和單詞metabolite(代謝物)的詞根都來自古希臘單詞,metaboli,意思是“改變”。

代謝組學是一種創新的分析分析技術,研究和檢測存在於細胞、組織、器官和生物體液中的全部和全麵的低分子量分子(包括糖、脂類、小肽、維生素和氨基酸),描繪它們的表型。

因此,對生物體液或組織中所有代謝物進行全麵定性和定量分析對人類健康非常有用,可以評估對許多病理生理刺激的特定和個人代謝反應,包括藥物、環境變化、生活方式、疾病和其他表觀遺傳學因素[1].

代謝組學檢測多種代謝物,提供綜合臨床特征和遺傳和非遺傳因素的全麵功能表型,如環境、來自共生生物的代謝物,包括腸道微生物群和異種生物[2].

目前,在PubMed上可以找到超過28.600篇關於代謝組學的文章。它被認為是一項將對世界變化做出貢獻的技術,2018年,在醫學研究上花費的18歐元中,就有1歐元用於代謝組學。

對人的評價應該是整體的,而這隻能通過整合基因組、轉錄組、蛋白質組、代謝組、微生物組、真菌組、病毒組、細菌組、表觀基因組、暴露組、表型組、疾病等來實現。

這些主題代表了應用於醫學和臨床研究的科學技術的發展。在過去的幾十年裏,基於直覺的醫學被基於證據和基於精確的醫學所取代。將人類視為係統生物學的整體觀點、整合方法和“組學”技術在這種轉變中發揮了巨大作用[3.].

這種技術的主要優點是診斷能力高(檢測代謝物濃度的變化和時間內的動態變化),速度快(檢測發生在幾秒鍾而不是幾分鍾或幾小時內的變化)和簡單。此外,它是一種“整體的”(同一平台的不同樣品或組織中同時存在相同的代謝物)和較便宜的科學(不包括儀器的初始成本)。相反,傳統的實驗室方法提供的疾病標記往往表現出低敏感性或較晚出現。

代謝指紋可由多種分析技術生成,包括核磁共振光譜分析(1H-NMR),氣相色譜質譜(GC-MS)和液相色譜質譜(LC-MS),提供與生物體生理狀態或病理狀況潛在相關的代謝信息。

例如,由特定代謝物濃度變化所確定的這些指紋的變化可以使疾病的發病及早發現。代謝組學的一個優點是檢測代謝指紋的快速每日變化,代表代謝“快照”。

最終的表型由環境對個人基因組的影響決定,如飲食、年齡、生活方式、藥物或疾病,從而產生獨特的轉錄組、蛋白質組和高度敏感的代謝組[4].

代謝組學是真正發生的事情,因為代謝物是基因、rna和蛋白質相互作用的最終產物,而基因組學代表了可能發生的事情,而蛋白質組學是正在發生的事情的圖景。可以肯定的是,代謝組學方法相當於在個人垃圾箱中進行調查。

代謝組學應用的創新、有趣和有前途的領域是研究生理狀態和疾病的診斷,識別由於疾病或治療引起的紊亂通路,評估對藥物的反應(藥物代謝組學)和監測營養的影響(營養代謝組學),發現新的和特定的生物標誌物,分類不同的表型和功能基因組學,最後,天然或人造產品成分的表征。

代謝組學還允許研究疾病表型,分子病理生理學和細胞代謝通過代謝剖析。

“組學”工具提供的大數據,通過機器智能技術進行分析,也被稱為醫學的黑匣子,提供所謂的“人工直覺”。

機器技術可以解碼由有限數量的受試者產生的大量數據,並將其與傳統分析方法進行比較[5].從一滴進海洋(古老的生物化學)到海洋進一滴(代謝組學)。

事實上,現代分析技術可以識別出比測量單個參數提供更多信息的模式,就像條形碼比單個數字包含更多信息一樣。

許多作者最近證明了代謝組學與臨床研究之間的強相關性[67].

在代謝組學實驗中,應謹慎選擇實驗環境、實驗對象和樣本類型。樣本需要正確的存儲,處理後進行多元統計分析,其結果被解釋(無標度網絡),以個性化顯著關聯或製定新的假設。可用於產前和圍產期代謝組學分析的樣本采集自母親(羊水、胎盤、血液、尿液、母乳、紅細胞、毛發和陰道分泌物)或新生兒(尿液、血液、唾液、支氣管肺泡液、呼出冷凝空氣、糞便和臍帶)[8].

在代謝組學中,使用無標度拓撲分析複雜係統。從技術上講,網絡通過添加最近的頂點來擴展,頂點優先連接到連接良好的站點。無標度網絡可以使用疾病或病人等重要特征來精確確定。這使得我們能夠理解複雜的代謝組學係統[9].

代謝網絡可以關聯相互關聯的代謝物,揭示新的關鍵途徑[10]和無標度網絡是有用的,以確定意外的病理生理機製。

表征單個樣本的代謝組學指紋(生物流體中整個代謝組的反映)構成了每個受試者的強烈特征,以至於可以以100%的概率識別它。它可以通過對多個樣品的NMR或GS譜進行統計分析得到,並指出每個主體的不變部分特征。代謝組學指紋可以以快速、無針對性和高可重複性的方式獲得,同時檢測幾種代謝物的最小濃度變化的高靈敏度信息。因此,個體代謝表型的存在是代謝組學臨床研究的重點。然而,與病理刺激相關的變化可能很難與生理變化區分開來[1].

綜上所述,代謝組學可以幫助優化個體化治療和營養;評估藥物相關的療效或毒性,識別與疾病發生和進展相關的表型變化,改善早期診斷和預後[1].代謝組學的一個非常有趣和創新的應用是運動組學[11].代謝組學可以提高療效的精密度和準確性,開辟了一人試驗的道路,具有高效低毒的特點[12].

目前,每一種代謝物與相關臨床意義之間的清晰且定義明確的相關性尚不存在,即使我們正在努力創建處理幾種兒科和新生兒疾病和病症的代謝物的特定圖譜[13].

代謝組學在一些器官和病理的參與

下麵,我們僅報告通過代謝組學應用獲得的一些臨床見解。

代謝組學在心血管疾病(包括心肌缺血、梗死和冠心病)研究中似乎很有前景。心血管疾病是世界範圍內導致死亡和殘疾的主要原因。代謝組學可以幫助識別能夠在臨床症狀出現之前早期發現此類疾病風險的生物標誌物,從而實現預防和早期幹預,從而防止致命後果[14].

腸道微生物-宿主串擾似乎是心血管風險因素、飲食和心血管殘留風險之間的差距,通過腸屏障的易位[15].有關這一主題的廣泛檢討最近已出版[16].

參與心血管風險的代謝物通常與腸道菌群有關;即三甲胺n -氧化物(TMAO),最近被認為與動脈粥樣硬化和血栓形成率增加有關。TMAO水平似乎與既往缺血性中風患者的心血管事件風險相關,通過促炎單核細胞的增加[1718].

正如Chalkias及其同事所述,代謝組學也可以應用於心髒驟停,允許檢測與心髒代謝相關的代謝物,這可能會在評估心髒驟停風險增加時產生有用的生物標記物,並可能改善此類疾病的預防和治療[19].

聽覺器官

此外,在特發性突發性感音神經性聽力損失中,代謝組學似乎有助於早期預測臨床結果和對類固醇的治療反應(避免無反應者過度治療)。

最近的一項研究評估了1特發性突發性感音神經性聽力損失患者尿代謝組的H-NMR,並根據類固醇治療後的臨床結果進行分析。在評估的受試者中,一組由健康對照組組成,一組由類固醇後聽力損失未恢複的患者組成,最後一組由治療後恢複的患者組成。應答者和無應答者尿代謝組結果顯著不同,第二組b -丙氨酸、3-羥基丁酸和TMAO較高,檸檬酸和肌酐較低[20.].

腎髒

在兒科腎髒疾病領域,2010年,尿代謝組學(與1核磁共振)n= 21名患有腎病(包括腎發育不良、膀胱輸尿管反流、尿路感染和急性腎損傷)的兒童n= 19例健康兒童。結果表明,屬於這兩組的樣本有明顯的分離。因此,代謝組學似乎是一種有前途的、非侵入性的腎髒疾病工具[21].

此外,在極低出生體重(ELBW)的健康成年人中,代謝組學似乎有可能應用於慢性腎髒疾病的早期預測[22].

該領域發表了一些論文,研究了兒童和成人腎髒學中的代謝組學[2324].此外,研究了尿中性粒細胞明膠酶相關脂脂素(uNGAL)和腎損傷分子-1 (KIM-1)作為腎損傷嚴重程度預測因子的作用[25].

癌症

代謝組學在腫瘤學中的應用也取得了可喜的結果[26,甚至在兒科。這類技術可有助疾病表征、監測及治療管理[27].

最後,代謝組學可以指出癌細胞缺氧代謝的標誌物[10].

產科代謝組學

胎兒期和圍產期是新生兒發育的關鍵階段。胎兒所接觸的誘因和條件是影響新生兒發育的基本因素。事實上,正如圍產期規劃的概念所強調的那樣,當一個發育中的有機體暴露於特定的宮內條件,包括過度或不足的營養時,就會實施幾種可能改變其發育軌跡的適應機製和反應;因此,在這樣的脆弱性(或機會)窗口,持續的短期和長期影響新生兒表型。

因此,圍產期早期存在的宮內刺激和因素會影響胎兒和新生兒發育,並導致負麵後果[282930.].

在評估孕前和孕前因素時,早產和分娩,宮內生長受限(IUGR),母體妊娠糖尿病(GDM),先兆子癇(PE),胎兒感染,產後生活中暴露於高氧,可能與DNA表觀遺傳變化有關[31],代謝組學的應用在此類疾病的理解、診斷和治療方麵都具有很大的優勢,是一個很有前景的研究領域[32].

幾種孕產婦並發症的早期診斷預測是一項挑戰,因為這些情況非常複雜,目前仍部分了解[32].

此外,最近的證據強調了胎盤在胎兒生命期間所起的關鍵作用。這種結構可被定義為母體和胎兒之間的代謝界麵,影響新生兒的成熟和代謝[33].

一些代謝組學研究目前可用於常見的妊娠並發症。在產科領域取得進展,可以改善妊娠管理和分娩援助,對孕產婦和胎兒健康、降低費用、剖宮產和住院產生積極影響。

因此,我們報告了代謝組學在人類巨細胞病毒(HCMV)先天性感染、孕產婦肥胖和早產中的應用。

HCMV,一種妊娠期間可能致命的病毒感染,似乎改變了羊水(AF)的代謝特征,與母體和胎兒對這種感染的反應有關。

可以證明,通過房顫的GC-MS分析,將HMCV感染傳播給胎兒的孕婦具有不同的特征(n= 20),而不是感染病毒但未傳播的母親(n= 20)和健康對照組(n= 23)。此外,來自新生兒出生時出現症狀的母親的房顫樣本(n= 9)與獲得HCMV感染但未表現出臨床症狀的新生兒房顫明顯分開,特別是與脂肪酸生物合成相關的代謝物[34].

綜上所述,代謝組學可以描述先天性HCMV感染的母體和胎兒狀態,有助於早期診斷和準確處理[34],我們認為也可用於評價母乳獲得性CMV感染[35].

在母體肥胖(易導致懷孕和胎兒並發症,並可能損害新生兒結局)領域,我們進行了第一個代謝組學研究,評估正常體重的胎盤樣本(n= 20)和肥胖(n= 18)孕婦,常合並GDM。

通過GC-MS檢測抗氧化代謝產物、核苷酸生成、脂質合成和能量生成的顯著差異。具體而言,肥胖母親的胎盤也顯示出一種特殊的脂肪酸分布,這與胎盤代謝的增加有關,並可能反映了導致後來疾病的宮內變化,包括代謝綜合征和心血管疾病[33].

另一項研究指出,代謝組學工具可能檢測到與分娩開始相關的代謝模式。尿液樣本(n= 59),並通過GC-MS和GC-MS分析其代謝鑒別特征1核磁共振。結果,18種代謝物允許在分娩和非分娩(NL)婦女的尿液樣本之間進行區分。

甘氨酸、丙氨酸、丙酮、3-羥基丁酸、2,3,4-三羥基丁酸和琥珀酸是分娩後期的特征。因此,代謝組學還可以幫助區分分娩婦女的尿液樣本,為這種情況的發作提供早熟篩查[36].

另一種產科並發症以胎膜早破(PROM)為代表,定義為胎膜在分娩前破裂。它可以確定感染(如絨毛膜羊膜炎和子宮內膜炎)的增加率,以及母親和胎兒本身的其他並發症(胎兒表現異常,新生兒敗血症,腦室內出血)。早prom可發生在任何胎齡(GA),通常與早產有關。

因此,應及時發現PROM診斷,並及早進行充分管理(避免使用不必要的抗生素),降低潛在風險。然而,合理的生物標記物仍然缺乏。因此,用CG-MS研究了與胎膜早破和早產相關的有趣途徑。

一共有n= 38個尿液樣本從一組n= 38名足月孕婦,分為三組:第一組,n= 11個沒有參加舞會和分娩的女性,在第二組,n=第三組有10名未分娩的舞會孕婦,n= 17例有舞會和分娩的孕婦。

因此,9種代謝物的減少與PROM顯著相關(半乳糖、尿酸、3,4-二羥基丁酸、半乳糖醇、丙氨酸、賴氨酸、4-羥基苯乙酸、絲氨酸和羥脯氨酸二肽)。

此外,60種代謝物在第二組和第三組之間有顯著差異。有早prom和分娩組大多升高,而無分娩的早prom組則升高磷酸、乳糖和尿酸;在該組增加的代謝產物中,3,4-二羥基丁酸是脂肪酸氧化的中間體(增加感染以提供能量),葡萄糖醛酸、古酸、糖醛酸和葡萄糖酸與氧化應激有關,順-烏頭酸(三羧酸循環的中間體),麵臨能量需求的增加[37].

對於自發性早產,仍然是新生兒死亡率和短期和長期發病率的部分特征原因,代謝組學在識別敏感的生物標誌物方麵似乎很有前途[38].

早產的潛在長期影響也通過對成年患者(平均年齡24歲)的代謝組學研究進行了評估,在該研究中,觀察到足月出生的受試者與出現ELBW的受試者的不同代謝尿特征[39].

最近,在一項初步調查中,在出生後最初幾個小時收集的樣本中檢測到與出生方式有關的不同尿代謝組,強調了這一因素如何影響新生兒代謝、器官發生並確定長期影響。陰道分娩足月新生兒與剖宮產新生兒相比,其體內二羧酸和克雷布斯循環相關代謝物水平較高,可能與出生時脂肪酸氧化、體溫調節或能量代謝的差異有關。此外,細菌相關的代謝產物也表現出一些變化,這與不同的微生物群定殖有關,根據傳遞模式[40].

最後,代謝組學在重大產科綜合征(PE、GDM和IUGR)領域的研究也可以做出很大的貢獻,改善預防、早期診斷和監測,正如許多作者所報道的[4142].

PE是一種起源於胎盤的妊娠期高血壓疾病,影響約5%至7%的妊娠,可導致幾種胎兒或母體並發症。它可以發生在懷孕的第20周。PE與高血壓、蛋白尿和水腫有關,可導致胎盤損傷和胎兒窘迫。相關的影響也會損害新生兒的長期結局,可能影響他的代謝直到成年。由於這些原因,及早發現有發展PE風險的婦女是可取的[40],目前用於風險預測的生物標誌物是弱結果預測因子。

在PE的代謝組學研究中,我們報道了一些有趣和有前景的結果。Sander及其同事檢測到PE孕婦血清代謝組(妊娠晚期)的顯著變化(n= 32),而健康對照組(n= 5),變化最多的代謝物為羥基己糖酸、二酰基甘油、甘油磷酸肌醇、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸代謝物、膽汁酸和氨基酸代謝產物[43].

此外,Liu小組分析了PE (n= 10)和健康孕婦(n= 10) LC-MS;結果,PE患者的花生四烯酸代謝物和一些二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)的脂氧合酶代謝物水平升高,而EPA和DHA的細胞色素P450代謝物水平下降。白三烯b4,14,15 -二羥基二十碳四烯酸、16-羥基二十二碳六烯酸和8,9-環氧二十碳四烯酸的值是PE發生和發展的重要標誌[44].

根據另一項研究,代謝組學可以幫助區分與早產和足月分娩相關的PE妊娠,評估妊娠12周、20周、28周和36周的孕婦血清樣本(n= 165)和早產兒(n= 29)。在獲得的結果中,4-羥穀氨酸可以代表一種新的早期妊娠疾病預測因子[45].

根據另一項研究,代謝組學胎盤圖譜也可用於識別PE與胎盤功能障礙,甚至與IUGR相關[46].

近期代謝組學研究IUGR [547],甚至與腸道生態失調有關[48]及評估新生兒尿液[4950],在GDM中[515253]目前已在文獻中找到。

在未來,通過使用新的視角,特別是代謝組學,可以更好地研究大型產科綜合征,舊數據。研究應集中於基因組學、生態失調、環境因素(包括飲食、高血壓和炎症因素)之間的相互作用。

總之,在孕產婦和圍產期醫學的不同領域采用代謝組學方法確實有助於對此類疾病的最佳表征和新型生物標誌物的鑒定,即使目前的發現仍需要在更大的隊列中進行進一步驗證[32].

最近對羊水代謝組學研究進行了回顧,描述了幾種病理生理條件下母親和胎兒之間的代謝相互作用,強調了這種技術如何描述胎兒-胎盤代謝[54].

代謝組學在圍產期窒息中的作用

代謝組學在圍產期窒息中的潛在作用是一個有趣的話題,很好地描述了個體間巨大差異的概念和個性化方法的需求。

圍產期窒息是新生兒死亡或預後受損的最常見原因之一,可能導致嚴重殘疾、腦癱和神經發育不良[55].在幾項研究中對這一主題進行了深入調查,推測窒息新生兒尿液中特定代謝擾動的潛在發生。在這些研究的第一個,尿液樣本收集和評估從n= 3名足月男性窒息新生兒。這些患者,盡管具有相同的早期癲癇發作的臨床表現和實驗室特征(Ph值6.8和EB - 22 mEq/l),但經曆了三種完全不同的結果。三分之一的患者在出生後48小時內死亡,一名患者在出院時發生急性腎、肝衰竭和腦癱,最後一名患者完全康複出院,臨床情況良好。因此,同樣的治療(低體溫)不能在所有窒息新生兒中產生最佳的治療方法,因為每個個體的特征存在巨大差異。

對這些新生兒在出生時和低胎期結束時的尿代謝組進行分析1H-NMR和結果顯著不同,反映了三種不同的新生兒結局。具體而言,甘氨酸、纈氨酸、馬來酸和山梨醇等介質與窒息的關係各不相同,而葡萄糖、天冬氨酸、天冬酰胺、鳥氨酸、葡萄糖酸和l -賴氨酸主要受腎損害的影響[23].

另一項研究,評估n= 14名新生兒(n= 6箱,n= 8對照組)通過同一平台,我們證明了出生後48小時窒息相關的代謝尿變化也很明顯。低氧血症和酸中毒主要決定與能量需求、腎損傷和氧化應激有關的代謝物的變化(乳酸、葡萄糖、氧化三甲胺、蘇氨酸、3-羥基索戊酸)[56].

最後,進行性改變尿代謝組n= 12例新生兒窒息,與臨床病情進展相符。通過GC-MS對出生時、低體溫期間和結束時、出生後一周和一個月的尿液樣本進行評估[57),1核磁共振(55].其中牛磺酸、次牛磺酸、U1710、乳酸、賴氨酸、甘露醇和泛醌變化最大[57].

幸存者的尿代謝組明顯不同於出生後8天內死亡的新生兒,這些差異在出生時就已經存在。這些修飾可以指示不可逆的與窒息相關的擾動,由代謝指紋指示,如乳酸、牛磺酸和其他代謝物[5557].

此外,能量不足、三羧酸(TCA)循環的變化和乳酸的增加是負預測因子,而它們在出生後時間內的下降可能是存活嬰兒有氧代謝和內穩態恢複的指標,結果最好[57].

最後,在出生1個月時,窒息新生兒尿路中乳酸、肌醇、甜菜堿增加,而檸檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、丙酮、二甲胺、穀氨酰胺、丙酮酸、精氨酸和乙酸減少[55].這些數據強調,確定表征每種代謝物的真實存活閾值可能非常有用。

在圍產期窒息豬模型中,還應用尿代謝組學研究了複蘇期間不同氧濃度(18、21、40和100%)的影響。在該研究中,21%的氧氣與最佳結果和代謝效應相關,強調代謝組學也可以幫助監測治療方法和氧氣補充的效果[58].

這些發現指出,每個患者的特點是個體間的高變異性;也許有些患者會因過度治療而死亡或產生副作用,而另一些患者則會從更積極的治療方法中受益。

事實上,目前的醫學是基於詳細的方案,根據患者的平均水平進行校準。然而,研究表明,患者的平均水平並不存在,精準醫療的發展可能對每個個體都有益。

如果這些結果得到證實,代謝組學可以幫助識別圍產期窒息的早期標誌物,描述這種情況隨時間的演變,並最終與新生兒預後高度相關。

新生兒營養中的代謝組學

新生兒營養是一個主要的相關主題,是影響早期新生兒發育和影響短期和長期結果的最重要因素之一,由於母乳(BM)相關的圍產期規劃的力量。事實上,在生命的最初幾周,BM能夠改變新生兒新陳代謝的命運[59].

BM含有水(88%)營養物質(脂類、碳水化合物、蛋白質、維生素、礦物質)、生長因子(GFs)等生物活性成分、激素、細胞因子、趨化因子、免疫球蛋白(Ig)等抗菌化合物、特定微生物組和BM相關細胞(包括上皮細胞、免疫細胞和多能幹細胞(SCs)) [606162].

BM代表了新生兒營養的理想生物液,特別是如果早產,能夠根據新生兒的需要,特別是在GA或哺乳階段,修改其成分[6364].

BM成分中,BM寡糖(HMO)可塑造新生兒腸道微生物群,影響免疫係統發育,預防感染,降低壞死性小腸結腸炎(NEC)率[656667].

BM中的HMOs組成高度依賴於母體遺傳因素,因為母體可以分為分泌子(Se +)及非界別(Se -)根據α-1-2- focusyltransferase (FUT2)的表達,由Se基因。代謝組學研究證明了BM和Se +而且Se -第一組的聚寡糖、2α-聚焦酰乳糖、乳-二岩藻四糖、乳- n -岩藻五糖和乳- n -二岩藻四糖含量較高。因此,新生兒的Se -母親可以從特定的HMOs補充劑中受益,以避免NEC和其他感染[68].

即使是BM微生物,也被稱為母體“乳菌群”,似乎也會影響新生兒結局[69].

因此,了解BM的組成及其作用是現代研究的中心問題。根據每個新生兒的特點提供個性化的營養是可取的。從這個角度來看,代謝組學代表了一個理想的工具來分析BM和不同類型的商業配方奶(FM)的成分,使他們的改進盡可能類似BM成分。

此外,代謝組學的結果在檢測BM中的藥物和汙染物方麵也很有前景,有助於確定其在特定條件下或母體暴露環境毒物時的安全性[7071].

我們的研究小組於2012年進行了第一個評估BM成分的代謝組學研究。BM從n孕26 ~ 36周新生兒產婦20例n= 3位足月分娩母親,分娩時間為產後1 ~ 13周。在同一研究中,還對FM樣品進行了分析。結果,BM和FM(通過分析的樣品)之間發生了明顯的分離1H-NMR和GC-MS)。事實上,在BM中發現了更高的乳糖濃度,而在FM中發現了更高的麥芽糖濃度。一些差異也反映了FAs的特征,如油酸和亞油酸在FM中更高。

雖然在少量樣品中,GA的相關性被突出,特別是在碳水化合物方麵;即,乳成熟過程中乳糖含量增加[63].

對不同營養方案對新生兒代謝影響的分析得出了有趣的結果。比較三組新生兒出生後第一周尿代謝組(GC-MS),分為適合胎齡(AGA)、適合胎齡小(SGA)和適合胎齡大(LGA)。這項研究強調了早期營養對新生兒代謝途徑的影響。事實上,盡管出生時AGA組的尿代謝組較LGA組和SGA組有明顯的區別,但在出生後1周,尿樣本主要受營養影響,母乳喂養的新生兒與純FM喂養的新生兒有明顯的區別[59].

研究還表明,這種與營養相關的顯著代謝差異可以持續長達4個月的生命。變化最大的代謝物(通過1H-NMR測量)是與能量代謝、抗氧化作用、神經調節和大腦發育、表麵活性劑合成有關的代謝物;此外,還檢測到HMOs含量和腸道微生物產生的代謝物的變化。這些發現強調了早期營養對新生兒發育的影響[72].

最近,一項獨特的關於多發性骨髓瘤的研究收集了多胞胎早產母親的資料(n= 19對及n= 5個三胞胎),出生後20個w,早產多胞胎的BM蛋白含量高於與GA匹配的單胎,盡管乳糖含量較低。早產兒多胞胎BM蛋白含量較高,可滿足這類脆弱人群的營養和發育需求[73].

在初步調查比較代謝組學概況n= 15種不同的FM包括n= 6個有機生物配方與BM相比,有機生物配方中蛋氨酸含量顯著高於常規FM(約3倍)[74].考慮到蛋氨酸是一種參與甲基化的表觀遺傳中介,這一結果非常有趣。

病理情況下,BM可幹擾新生兒發育,損害多個器官的功能[75].

在這方麵,我們最近關注了重大產科綜合征- gos (PE, GDM和IUGR),指出在這種情況下,BM代謝組可能會通過未知的機製發生改變,包括母體缺乏特定代謝物,並可能涉及炎症觸發因素。這種改變的骨髓成分將影響新生兒發育,導致受GOS影響的母親所生兒童的不良長期結果,因此暴露於改變的宮內環境[75].

在大鼠模型中,也已證明,母體肥胖和非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)影響後代代謝,容易導致代謝異常、胰島素抵抗、肥胖和NAFLD本身,可能是通過BM(事實上,在這些母體中檢測到的瘦素含量高於健康對照組)[76].

最後,BM包含幾個細胞群,包括上皮細胞、免疫細胞和幹細胞(SCs),稱為人母乳來源的SCs (BMSCs) [77787980818283].

這些細胞在妊娠期和哺乳期參與乳腺增殖,並根據哺乳期表達不同的特異性標記物[848586]和出生時的GA [8788].

BMDSCs對新生兒結局的最大潛力取決於新生兒攝入後通過新生兒腸道進入循環的能力,在那裏它們可以存活並轉移到大腦和其他新生兒器官,影響其發育[8990].

由於BMDSCs能夠分化為幾種細胞係,包括神經細胞和神經SCs [7991],通過母乳喂養轉移BMDSCs可以促進新生兒大腦和其他器官的成熟,尤其是早產兒[869293].

代謝組學與敗血症

敗血症可能由病毒、細菌或真菌引起,是新生兒發病和死亡的常見原因,特別是如果影響到高度易感的早產兒。“早發型”敗血症(EOS)發生在出生後72小時內,而“晚發型”敗血症(LOS)發生在出生後72小時至6天之間。雖然敗血症是一種危及生命的疾病,但目前的生物標誌物缺乏診斷準確性。基於可靠、準確的介質對此類疾病進行早期、合理的診斷,可改善其管理和預後。目前,血液微生物培養允許的敗血症診斷經常被延遲[94].

因此,代謝組學方法可以通過定義新的敏感生物標誌物,為膿毒症的診斷,明確其致病機製和預後提供新的機會,正如Lee及其同事所述[95].

代謝組學可以揭示膿毒症相關的代謝途徑,如缺氧、氧化應激和能量需求增加(影響葡萄糖水平和脂肪酸的氧化代謝)[9496].

此外,預防和治療策略可以受益於對宿主及其微生物組之間相互作用的全麵理解,在敗血症的進展中發揮關鍵作用[95].

上麵簡要回顧了一些文獻中可用的研究,顯示出有希望的結果,即使它們需要在更大的樣本上進一步確認。

在第一項研究中,將在單一時間點從膿毒症新生兒(包括EOS和LOS)收集的尿液樣本與健康對照(1H-NMR和GC-MS),強調對能量代謝物的影響(包括葡萄糖、麥芽糖、乳酸、醋酸酯、酮體中間體的增加,以及對抗氧化劑的影響)[97].

此外,在另一項研究中,指出了受真菌敗血症影響的早產新生兒的不同尿況,而不是健康對照(GC-MS)。在觀察到的結果中,一些蛋白水解相關的氨基酸表明高代謝和高分解代謝狀態增加,代謝物d -絲氨酸是抗真菌治療反應的良好預測因子,在治療期間減少[98].

在一項Serafidis及其合作者的研究中,通過1H-NMR和LC-MS通過分析診斷時、3天後和10天後收集的樣本,可以明確區分膿毒症新生兒和非膿毒症新生兒。代謝物變化在症狀結束時消失,為預後和治療提供了有希望的信息[99].

Stewart及其同事的研究小組證明,代謝組學應用也可以在糞便樣本上得到有趣的結果;事實上,他們表明腸道微生物組參與了LOS的發病機製。通過比較一組健康新生兒和受LOS影響的嬰兒,雙歧杆菌(具有保護作用)在第一組中含量更高,同時還有益生元低聚糖、棉子糖、蔗糖和乙酸。有趣的是,通過血液培養分離出的相同細菌物種在腸道微生物群落中占主導地位,這是細菌從腸道轉位進入循環的結果,首次證明了新生兒敗血症對腸道生態失調的依賴[One hundred.].

最後,代謝組學也應用於小兒敗血症,在隊列n= 60例感染性兒科患者(包括n= 7名新生兒);血清代謝組與對照組比較n= 40名健康兒童對照,結果顯示乳酸、葡萄糖、肌酐、2-氧異戊酸、2-羥基索戊酸和2-羥基丁酸升高,蘇氨酸、乙酸、2-氨基丁酸和己二酸降低[101].

綜上所述,代謝組學可以從早期診斷和定製化管理的角度提供早熟和準確的膿毒症標誌物,可能反映疾病進展、治療相關療效和毒性[98102103104].

代謝組學和神經精神障礙

自閉症譜係障礙(ASD)包括一組神經發育障礙,其特征是語言發育延遲或受損,社交互動困難,以及重複和刻板的行為。這種疾病的發病機製表現出高度異質性,包括遺傳因素、環境風險因素、社會經濟地位、孕產婦和新生兒感染、產前營養、免疫失調、孕產婦接觸潛在有毒藥物、配方喂養和表觀遺傳成分(包括DNA甲基化)之間的相互作用,盡管迄今為止尚未完全了解其確切機製。盡管近年來ASD發病率迅速上升,但其診斷仍主要基於臨床體征,缺乏敏感的生物標誌物。代謝組學最近成為一種很有前途的工具,可以更好地描述這類疾病的特征,允許對敏感的生物標記物進行個性化,對其進行監測,並可能引入創新的治療方法。

特別是與ASD相關的代謝產物主要涉及氨基酸代謝、膽固醇代謝、葉酸異常、抗氧化狀態、煙酸代謝和線粒體代謝。來自腸道菌群的一些代謝物也可能發揮重要作用,可能會影響ad兒童的行為、代謝模式和免疫反應[105106107108]、色氨酸、維生素B6、嘌呤代謝途徑、苯丙氨酸和酪氨酸生物合成、TCA循環中間化合物[108].

幾項研究評估了自閉症兒童的代謝特征;上麵回顧了其中一些。

通過最近的兩項研究,通過與腸-腦軸的相互作用和腸粘膜屏障的缺乏,檢測到氧化機製和腸道微生物組在ASD易感性中的參與。

通過對尿液樣本的分析n= 21 ASD vs .他們n= 21名健康的兄弟姐妹(年齡在4至17歲之間),不同水平的氧化代謝物,碳水化合物代謝中間體,細菌衍生的代謝物表明增加梭狀芽胞杆菌spp.在腸道被檢測。此外,神經遞質的前體芳香族氨基酸和神經係統的關鍵激素如兒茶酚胺和血清素也出現了變化。這些結果證明,飲食是ASD發病過程中影響腸道微生物群的相關表觀遺傳因素[109110].

在ASD兒童中梭狀芽孢杆菌,Alistipes, Akkermansia, Caloramator, Sarcina屬的減少普雷沃氏菌,E. siraeum而且出現雙歧杆菌,並隨之改變尿中馬尿酸、對羥基苯乙酸、3-(3-羥基苯基)3-羥基丙酸、丙酸[108].

Orozco及其同事也對ASD兒童的血漿代謝組進行了評估,他們描述了與神經發育損傷相關的有趣的代謝改變,同時考慮到ASD與其他發育遲緩原因之間的潛在重疊,包括唐氏綜合征和特發性發育遲緩[111].

此外,由於ASD在男性中的患病率較高,我們還應用代謝組學的方法對男性和女性患者的尿路進行了研究,分析了這種性別差異可能的分子原因,並試圖找到與受試者性別潛在相關的診斷ASD的敏感生物標誌物。詳細地說,作者證明了女性腺嘌呤、2-甲基鳥苷、肌酐、7 -羥睾內酯水平顯著升高,而肌酸水平下降;因此,他們認為肌酐:肌酸比值是女性ASD的潛在標誌[112].

與ASD相關的代謝組學擾動不僅可以在血液、尿液或唾液中檢測到,甚至可以在受影響患者的小腦或皮層樣本中檢測到。在Kurochin等人的研究中,他們比較了ASD患者和健康對照組前額葉皮層灰質中的1366種代謝物,揭示了不同的特征和代謝途徑,為不同的分析策略開辟了道路[113].

最後,一些藥物(包括薩力度胺和最近強調的對乙酰氨基酚)對ASD發展的潛在致病作用應進一步研究[108].

代謝組學在神經精神疾病中的臨床應用前景最近進行了綜述。分析了兒童急性發作性神經精神障礙(PANS)的目前證據,這是一種以突然的強迫症狀為特征的臨床條件,密切依賴於感染觸發因素和潛在的感染後免疫介導機製。在這方麵,應用代謝組學方法研究了一名患有PANS的10歲女孩的病例。我們在克拉黴素治療前後對她的尿代謝組進行了評估,大環內酯類藥物具有抗菌活性並可能作為免疫調節劑。在這種藥物治療過程中,她的臨床表現有了很大的改善,症狀有所減輕,尿代謝組學途徑也有了明顯的改變,特別是與蛋白質生物合成相關的代謝物、能量代謝、腦功能相關的氨基酸以及與腸道定植相關的微生物產物[114].

代謝組學似乎也有希望提供代謝信息,提高早期識別,並可能改變先天性代謝錯誤(IEMs)的治療和預後,最近的綜述。通過一種基於代謝組學和基因組數據整合的新方法,尿液、血液或其他生物體液中受特定基因失活選擇性影響的一組代謝物可以提高我們對各種遺傳條件下與疾病相關的代謝物的認識[115].

代謝組學對神經精神疾病的研究和應用似乎是不久的將來一個有前途的工具,有可能識別特定的生物標記物,從胎兒生命的早期階段開始,影響圍產期規劃到成年期的神經發育[116117118].

結論

代謝組學在醫學上得到了廣泛的研究,迄今為止,PubMed上有超過28.600篇相關論文。在過去的幾年裏,在產科、圍產期、新生兒和兒科領域發表了許多文章和評論。

代謝組學通過檢測特異性和敏感的生物標誌物,在幾種胎兒、圍產期、兒科和成年期疾病的早期診斷中成為一種非常有前途的工具。此外,代謝組學可以幫助監測疾病進展,優化治療和評估相關副作用,從量身定製的管理角度來看。

在接下來的幾年裏,我們將朝著兒科的個性化整體方法邁進。即使上述技術尚未在當前的臨床應用中得到驗證,也可以合理地預測,現有的結果可以在更大的患者群體中得到證實,並通過更緊密的協議和研究標準化。

在未來,我們希望代謝組學傳感棒可以被納入臨床實踐,可能準確和廉價,快速研究新生兒生物液,並在患者的床上引入創新和個性化的治療管理。

然而,可以預測,代謝組學將在不久的將來改變兒科,代表著一種進化和革命。可以說,代謝組學可以從小的代謝物帶來大的想法,我們希望它可以為患病的新生兒和兒童提供更多的機會,突出什麼是健康,並揭示如何保持和捍衛健康,改善福祉和預防疾病。一場夢嗎?也許我是一個夢想家,但我不是唯一一個。

數據和材料的可用性

不適用。

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確認

不適用。

資金

作者聲明,本研究沒有從任何資助機構,商業或非營利部門獲得特定的資助。

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貢獻

VF對論文進行了概念化,並對手稿進行了批判性的修改。FB參與了文獻綜述並撰寫了初稿。兩位作者都閱讀並批準了最終的手稿。

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Bardanzellu, F, Fanos, V.代謝組學如何改變兒童健康?兒科J醫院46, 37(2020)。https://doi.org/10.1186/s13052-020-0807-7

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關鍵字

  • 新生兒學
  • 產科
  • 圍產期窒息
  • 母乳喂養
  • 膿毒症
  • 自閉症
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