妊娠期糖尿病（GDM）估计影响全球10-25%的妊娠，是指在妊娠期间起病或首次发现的葡萄糖耐受不良。一项前瞻性队列研究表明，GDM女性的2型糖尿病发病率高于非GDM女性。此外，GDM母亲所生婴儿的体重和患传染病的风险高于非GDM母亲所生婴儿。因此，研究GDM与非GDM产妇母乳成分的差异对于揭示GDM对母婴健康的影响具有重要意义。既往研究表明，GDM导致了母乳代谢组的变化，进而改变了新生儿的生长轨迹。他们还发现，GDM相关代谢物存在于整个哺乳阶段(初乳中有12种GDM相关代谢物，过渡乳中有39种GDM相关代谢物，成熟乳中有28种GDM相关代谢物)，这表明GDM可能对婴儿时期的母乳成分产生影响。这与作者之前的研究一致，即GDM影响人乳脂肪球膜蛋白组成，提示产后持续存在胰岛素抵抗、葡萄糖稳态失衡和葡萄糖代谢不良。遗憾的是，目前尚无关于GDM成熟母乳代谢组学的独立研究报道。该研究发表在《Food Chemistry》，IF：8.5。
采用无监督PCA评估样本的总体分布和分析过程的稳定性。样本在前两个主成分中的分布(分别为GC-MS和LC-MS方差的48.3%和44%)(图2A，B)。GDM和非GDM女性的成熟母乳代谢物被聚类成两个不同的组，表明其代谢物谱存在显著差异。两两OPLS-DA显示了GDM和非GDM女性的母乳代谢物之间的明显分离(图2C，D)。在GC-MS OPLS-DA中，GDM与非GDM孕妇的R2X、R2Y和Q2的值分别为0.479、0.993和0.896。LC-MS OPLS-DA中，GDM组与非GDM组的R2X、R2Y、Q2值分别为0.583、0.981、0.813。采用七折交叉验证和200反应排列测试(RPT)检验模型的预测能力和过渡拟合。OPLS-DA模型的验证结果如下：GC-MS (R2 = 0.921 > 0.5, Q2 =−0.361 < 0)，LC-MS (R2 = 0.785 > 0.5, Q2 =−0.623 < 0)表明OPLS-DA模型具有优秀的稳定性和无过渡拟合(图2E-F)。
OPLS-DA模型的VIP值(VIP>1)和t检验(p<0.05)被用来区分GDM和非GDM组的母乳代谢物和识别DEM。根据这些选择标准，共识别出268个DEM(84个GC-DEM和184个LC-DEM)(图3A)。DEM主要为脂质和类脂分子(32.84%)，在维持正常细胞形态和生理功能中起重要作用(图3B)。脂肪酰基、甘油磷脂和丙醇脂是主要的脂质和类脂分子，分别占61.3%、15.9%和6.8%(图3B)。
在268个DEM中，与非GDM女性相比，在GDM女性的MHM中，208个DEM(43个GC-DEM，165个LC-DEM)上调(log2(FC)>1)和60个DEM(41个GC-DEM，19个LC-DEM)下调(log2(FC)<1)(图3C)。图3D显示了GDM和非GDM女性中前50个显著的DEM (p<0.05)的热图分析。其中45个在GDM孕妇中相对丰度较高。GDM组中丰度较高的DEM多为脂类及类脂分子[亚油酸、顺式-9-棕榈油酸、棕榈烯酸、二十碳二烯酸、肉豆豆酸、顺式gondoic酸、油酸、月桂酸、花生四烯酸、草酸、2-羟基丁酸、9R-HODE、牛磺酸、鞘磷脂(SM)、磷脂酰乙醇胺(PE)、磷脂酰胆碱(PC)、LysoPE(18:0)、LysoPE(18:2)、LysoPC(16:0)、LysoPC(18:2)]。这些分子参与脂质代谢和能量提供。之前的一项研究也表明，GDM女性的血浆和胎盘中的脂质和脂样分子(如不饱和脂肪酸和甘油磷脂)显著增加。
甘油磷脂正逐渐成为预测GDM向2型糖尿病转变的重要指标。在一项纳入1010名不同种族和民族的GDM女性的研究中，178名GDM女性被随访长达8.4年，并被诊断为2型糖尿病。结果表明，2型糖尿病与6种二酰基甘油磷脂呈正相关。甘油磷脂如LysoPC(16:0)通过增加3个T3-L1脂肪细胞的质膜上的葡萄糖转运体4型(GLUT4)来摄取葡萄糖和降低血浆葡萄糖水平来参与葡萄糖代谢。GDM孕妇高甘油磷脂水平提示胰岛素抵抗、糖稳态失衡和糖代谢不良可能持续至产后。
确定的DEM富集于110条代谢通路。富集最显著的前10条通路(p < 0.001)是亚油酸代谢(7个)、近端小管碳酸氢盐回收(5个)、半乳糖代谢(7个)、癌症中心碳代谢(6个)、不饱和脂肪酸的生物合成(8个)、ABC转运蛋白(10个)、gaba能突触(3个)、坏死性凋亡(3个)、脂肪酸生物合成(6个)、精氨酸生物合成(4个)(图4A)。之前一项关于GDM女性血浆代谢物的研究也表明，这些代谢通路中的血浆代谢物显著富集。
亚油酸代谢参与机体生理功能和病理过程的维持。亚油酸代谢紊乱会导致炎症、肥胖和2型糖尿病。亚油酸分别通过∆-6-去饱和酶、∆-6-延长酶和∆-5-去饱和酶的作用转化为γ-亚麻酸(GLA)、二氢-γ-亚麻酸(DGLA)，并进一步转化为花生四烯酸(图4B)。在本研究中，作者发现GDM妇女的MHM中花生四烯酸水平显著升高，这与较大样本量(GDM母亲：n=29，非GDM母亲：n=34)初乳中脂肪酸的水平一致。花生四烯酸代谢会通过脂氧合酶(LOX)、环氧化酶(COX)、细胞色素P450(CYP450)的作用形成前列腺素、白三烯和环氧二十碳三烯酸。前列腺素通过刺激脂肪细胞中VI型胶原α3链(Col6a3)基因的表达，促进白色脂肪组织纤维化，导致脂肪分解，最终导致脂肪沉积和胰岛素抵抗。同时，环氧二十碳三烯酸已被证明会对胰岛β细胞造成损伤(高达30%)，并减少胰岛素分泌。GDM孕妇MHM中花生四烯酸及花生四烯酸代谢物水平升高提示胰岛素抵抗和糖代谢不良，可能是GDM向2型糖尿病转变的潜在原因。
亚油酸还可以在细胞色素P450 1A2 (CYP1A2)、细胞色素P450 2C (CYP2C)、细胞色素P450 (CYP2J)、细胞色素P450 (CYP2E1)、细胞色素P450 (CYP3A4)的催化下转化为12,13-epome，并通过可溶性环氧化物水解酶的作用进一步氧化为12,13-diHOME (图4B)。diHOME可促进棕色脂肪组织对游离脂肪酸的摄取，增强外周葡萄糖摄取并降低血浆葡萄糖浓度。本研究发现GDM孕妇MHM中12,13-diHOME水平显著降低，提示12,13-diHOME可能在GDM的发病机制中发挥作用。低水平的12,13-diHOME会升高游离脂肪酸并增加胰岛素分泌，这也支持GDM女性更有可能发展为2型糖尿病的事实。
此外，亚油酸还可以通过环氧合酶-2 (COX-2)、12-脂氧合酶(ALOX12)或CYP450转化为9R-HODE(图4B)。结果显示，GDM孕妇MHM中9R-HODE水平显著升高。高水平的9R-HODE通常伴随着氧化应激的增加，这被认为导致GDM和2型糖尿病的发生。
亚油酸极易氧化，产生活性氧簇，导致线粒体损伤。线粒体损伤导致能量信号功能紊乱，这可能导致婴儿饥饿和增加喂养。Wu等表明，与非GDM妇女母乳喂养的婴儿相比，GDM妇女母乳喂养的婴儿在1岁时的体重更高(p<0.05)(GDM母亲：n=50，非GDM母亲：n=50)。
脂肪酸生物合成途径在维持细胞结构中起着至关重要的作用，并参与细胞信号转导和调节。在脂肪酸生物合成途径中，乙酰辅酶a和丙二酰辅酶a通过脂肪酸合成酶的催化被转移到脂肪酸中。作者的结果显示，GDM妇女的MHM中脂肪酸(癸酸(C10:0)，月桂酸(C12:0)，肉豆蔻酸(C14:0)，棕榈酸(C16:0)，顺式-9-棕榈油酸(C16:1)和油酸(C18:1))显著上调(p<0.05)。虽然机制尚不清楚，但高水平的游离脂肪酸尤其是不饱和脂肪酸会损害胰岛素分泌(多不饱和脂肪酸>单不饱和脂肪酸>饱和脂肪酸)。
半乳糖代谢是一种重要的能量代谢途径，涉及半乳糖转化为葡萄糖、乳糖和其他糖中间体，这些糖中间体可能被用于多种代谢过程。如图4C所示，d-半乳糖可以在半乳糖变位酶和半乳糖激酶1的催化下转化为α-d-半乳糖-1-磷酸(α-D-galactose-1P)。α-d-半乳糖-1p可进一步转化为α-d-葡萄糖1-磷酸(α-d-葡萄糖-1p)和尿苷二磷酸半乳糖(UDP-半乳糖)。UDP-半乳糖随后被代谢形成UDP-葡萄糖和α-d-葡萄糖-1p。最后，α-d-葡萄糖-1p被转移到α-d-葡萄糖6-磷酸(α-d-葡萄糖-6p)，参与糖酵解途径。作者的研究表明，在GDM妇女的MHM中UDP-半乳糖显著上调。之前也有类似的研究结果，表明GDM女性的尿液和血浆中半乳糖代谢通路发生改变，UDP上调。
ABC转运蛋白是一种常见的膜结合蛋白，主要参与离子、糖、脂类、固醇、肽、蛋白质和药物等多种底物的主动转运。ABC转运蛋白参与脂质代谢，脂质代谢紊乱与代谢性疾病发病机制相关。因此，ABC转运体代谢紊乱通常与肥胖、2型糖尿病、动脉粥样硬化和冠状动脉疾病等代谢性疾病相关。在本研究中，作者发现10种DEM富集在ABC转运蛋白通路上，包括l-谷氨酸、l-谷氨酰胺、甘油、l-组氨酸、肌醇、d-木糖、木糖醇、脱氧胞苷、4-三甲基氨基丁酸和二甲基二糖。其中l-谷氨酸可以激活β细胞的NMDA亚型受体和α细胞的AMPA/kainate亚型受体，降低胰岛素(图4D)，增加胰高血糖素分泌，进一步加重胰岛素抵抗。在妊娠早期GDM妇女的血清代谢组中也发现了l-谷氨酸，表明l -谷氨酸可以作为GDM的潜在生物标志物，对早期诊断和干预具有重要意义。
对富集于亚油酸代谢、脂肪酸生物合成、半乳糖代谢和ABC转运蛋白通路的DEM进行Pearson相关分析(图5)。富集于亚油酸代谢的所有DEM与脂肪酸生物合成通路均呈显著正相关。这些高丰度的DEM预示着亚油酸代谢障碍和脂肪酸生物合成障碍导致的葡萄糖代谢不良在产后持续存在。亚油酸与花生四烯酸和9R-HODE呈显著正相关。此外，多不饱和脂肪酸[顺式-9-棕榈油酸(C16:1)和油酸(C18:1)]之间呈显著正相关。产后亚油酸和多不饱和脂肪酸水平的显著升高需要降低，以改善糖代谢，防止GDM妇女向2型糖尿病转变。亚油酸和多不饱和脂肪酸的代谢可能是预防和缓解GDM症状研究的重要靶点。
利用GC-MS和LC-MS平台进行非靶向代谢组学分析，以揭示GDM和非GDM女性MHM中的差异表达代谢物。共鉴定出268个GDM MHM中低丰度的dhome，高丰度的亚油酸、花生四烯酸、9R-HODE和l-谷氨酸，表明GDM的亚油酸代谢、脂肪酸生物合成、半乳糖代谢和ABC转运蛋白通路存在障碍。这些代谢物水平的异常表明产后糖代谢不良可能持续较长时间。需要制定缓解策略，以改善糖代谢，防止GDM妇女转变为2型糖尿病，并确保婴儿健康和最佳生长。本研究样本量有限。然而，这项研究的结果将为更大规模的关于GDM生理病理和GDM母亲和婴儿健康的前瞻性队列研究铺平道路。
Yao D, Shen C, Zhang X, Tang J, Yu J, Tu M, et al. Untargeted metabolomics study of mature human milk from women with and without gestational diabetes mellitus. Food Chem. 2024 Jul 30;460(Pt 3):140663. doi: 10.1016/j.foodchem.2024.140663.
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