妊娠期糖尿病（gestational diabetes mellitus，GDM）是指在妊娠期间首次发生或首次被发现的糖代谢异常，但未达到显性糖尿病的血糖水平 ［ 1 ］ 。近年来，GDM患病人数显著增加，成为妊娠期最常见的妊娠并发症之一。GDM与母儿不良妊娠结局有关，同时增加了母亲产后及子代成年期罹患代谢性疾病的风险 ［ 2 ］ 。我国采用妊娠24~28周75 g口服葡萄糖耐量试验（oral glucose tolerance test，OGTT）作为GDM的诊断依据 ［ 3 ］ 。然而，在孕中期诊断GDM后，采取相应干预措施的时间有限。目前，血液和尿液等体液代谢物的高通量检测及大数据分析，成为GDM早期预测与诊断生物标志物筛选的有力工具 ［ 4 , 5 ］ 。近年来，多项GDM代谢组学研究聚焦到色氨酸代谢通路，提示色氨酸代谢物具有成为GDM新型生物标志物的潜在价值。补充色氨酸代谢物可通过促进胰高糖素样肽-1（glucagon like peptide-1，GLP-1）分泌、调节肝脏脂质代谢、抑制肝脏炎症、促进胰岛素信号传导、诱导白色脂肪组织棕色化及增强肠道屏障等多种途径参与代谢稳态调节。本文就GDM孕妇色氨酸代谢紊乱及补充色氨酸代谢物改善糖脂代谢的机制进行综述。
一、色氨酸代谢通路概述
色氨酸是一种可通过饮食来源获得的必需氨基酸，常见的天然食物来源包括燕麦、香蕉、牛奶、金枪鱼、奶酪、面包、家禽、花生、巧克力等。世界卫生组织将色氨酸的推荐摄入量定为4 mg·kg -1·d -1。迄今为止，尚没有关于膳食中过量色氨酸摄入造成不利影响的报道。色氨酸在胃肠道中有3个主要途径代谢：（1）免疫细胞和肠上皮细胞通过吲哚胺2，3-二氧化酶1（indoleamine 2，3-dioxygenase 1，IDO1）催化色氨酸生成犬尿氨酸及其衍生物；（2）肠嗜铬细胞通过色氨酸羟化酶1催化色氨酸生成5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）及其衍生物；（3）肠道微生物将色氨酸直接代谢为多种分子，如吲哚及其衍生物。色氨酸代谢物可通过肠上皮吸收进入血液，最终从尿液中排出，从而对宿主生理功能产生全身性影响 ［ 6 ］ 。许多吲哚衍生物，如吲哚丙烯酸、吲哚-3-丙酸（indole propionic acid，IPA）、吲哚-3-乙酸（indole acetic acid，IAA）、吲哚-3-甲醛（indole carboxaldehyde，IAld）和吲哚-3-乙醛（indole acetaldehyde，IAAld）等都是芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）的配体。AhR是一种配体依赖性激活的转录因子，在多种细胞类型中表达，主要是肠道细胞、肝细胞和免疫细胞。AhR以无转录活性状态定位于细胞质中，被配体激活后，活化的AhR转位入核，与AhR核转位蛋白结合成二聚体，形成具有DNA结合功能的转录因子。AhR/AhR核转位蛋白二聚体可结合含有二噁英反应元件的DNA启动子区域，调节下游靶基因的表达 ［ 7 ］ 。
色氨酸代谢与阿尔茨海默病、抑郁症、心血管疾病、炎症性肠病、癌症和代谢性疾病等密切相关。在糖尿病及其并发症患者中，包括1型糖尿病、2型糖尿病、GDM以及糖尿病神经病变、肾脏病、眼病及认知障碍等，均观察到异常的色氨酸代谢。色氨酸代谢通路中的关键酶和代谢产物通过影响胰岛β细胞功能、胰岛素抵抗、肠道免疫、血管生成等参与了糖尿病的发生发展 ［ 8 ］ 。
二、代谢组学研究揭示GDM孕妇存在色氨酸代谢紊乱
代谢组学是对生物体内代谢中间产物或最终产物（相对分子质量<1 000的小分子代谢物）进行定性或定量分析，检测结果可反映体内生理、病理变化以及饮食、药物、毒理等外部因素的影响，且可与基因组学或蛋白质组学等联合分析，更全面地反映机体代谢特征 ［ 9 ］ 。代谢组学检测策略通常分为非靶向性和靶向性，关键步骤包括样本的收集和预处理、代谢物的提取和纯化、代谢物的定性和定量检测（常采用氢核磁共振、质谱等技术）、数据的处理和分析，最终揭示关键代谢通路，识别潜在生物标志物，加深对生理变化和疾病机制的理解 ［ 10 ］ 。通过研究血液、尿液等各种类型的生物样本，已经识别出诸多与GDM病理生理机制密切相关的色氨酸代谢物。高通量代谢组学和大数据技术的进步，也推动了GDM生物标志物挖掘领域的飞速发展，有助于实现GDM的早期预测和诊断。
1.血液：血液样本是GDM代谢组学研究中最常用的生物样本，具有可实时反映全身的生理和病理状态、相对稳定等特点。Lu等 ［ 11 ］ 收集了30例GDM孕妇和30名健康孕妇（孕前体重指数、年龄和产次匹配）妊娠早、中、晚期的血清样本，并采用非靶向代谢组学和机器学习联合分析。研究表明，孕早期和孕晚期显著变化的血清代谢物富集在色氨酸代谢通路。樊娜娜等 ［ 12 ］ 留取妊娠7~13周孕妇血清样本，根据孕中期OGTT结果分为GDM孕妇28例和健康孕妇62例。结果显示，GDM孕妇妊娠早期血清L-色氨酸水平降低，相关性分析表明其与妊娠中期空腹血糖、糖化血红蛋白、空腹胰岛素以及稳态模型评估胰岛素抵抗指数（homeostasis model assessment of insulin resistance，HOMA-IR）呈负相关。构建的受试者特征（receiver operating characteristic，ROC）曲线显示妊娠早期血清L-色氨酸预测GDM的曲线下面积（area under the curve，AUC）为0.750。
Aleidi等 ［ 13 ］ 的研究也得到类似的结果，他们对20例GDM孕妇和20名健康孕妇妊娠24~28周血清样本的非靶向代谢组学检测，提示色氨酸代谢在GDM孕妇中明显失调，包括IAAld、5-羟基色氨酸、L-犬尿氨酸、5-甲氧基色醇、N-乙酰色氨酸、N-乙酰羟色胺、5-甲氧基色氨酸在内的多种色氨酸代谢物显著改变。IAAld所属的吲哚代谢物可刺激肠道L细胞分泌GLP-1，促进胰岛β细胞增殖和胰岛素分泌 ［ 14 ］ ；抑制肠道炎症，维护肠道屏障完整性，增强黏膜免疫 ［ 15 ］ ；作用于肝脏、脂肪和胰腺组织的AhR，通过肠-肝轴、肠-脂肪轴和肠-胰轴调控代谢稳态 ［ 16 ］ 。因而，色氨酸-吲哚代谢通路紊乱可能参与GDM的病理生理机制。
2.尿液：与血液相比，尿液作为GDM代谢组学检测载体具有特殊优势，如易于收集，可以无创获取；单次采集量较大，可供多次检测；样本预处理相对简单 ［ 17 ］ 。López-Hernández等 ［ 18 ］ 对24例GDM孕妇和11名健康孕妇的横断面研究显示，孕晚期尿液中L-色氨酸升高，通路富集分析提示色氨酸代谢通路在两组间发生显著改变。
Leitner等 ［ 19 ］ 采集14例GDM孕妇和18名健康孕妇妊娠12~26周的血浆和尿液进行联合代谢组分析。血浆非靶向代谢组学提示L-色氨酸是两组差异代谢物中最重要的一种。尿液色氨酸靶向代谢组学进一步证实，色氨酸-5-HT代谢通路在GDM患者中发生显著改变，尿液中5-HT、L-色氨酸、5-羟基吲哚乙酸（5-hydroxyindole acetic acid，5-HIAA）和N-乙酰羟色胺升高，5-甲氧基色胺和褪黑素降低。在由体重指数和11种血浆代谢物组成的诊断模型中，加入5种尿液色氨酸代谢物（5-HT、5-HIAA、L-色氨酸、褪黑素和6-羟基褪黑素）可使GDM诊断效能进一步提升，AUC为0.99。鉴于5-HT可刺激妊娠期胰腺β细胞增殖，偶联小GTP酶Rab3a和Rab27a诱导胰岛素分泌，这些发现支持5-HT升高是对GDM代谢紊乱的一种补偿机制 ［ 20 , 21 ］ 。
一项纵向队列研究收集了27例GDM孕妇和34名健康孕妇妊娠早、中、晚期的尿液标本进行非靶向代谢组学检测。代谢富集分析和通路过表达分析结果均提示色氨酸代谢通路发挥重要作用。IAAld（AUC 孕中期=0.805，AUC 孕晚期=0.830）、5-HT（AUC 孕早期=0.827，AUC 孕中期=0.839，AUC 孕晚期=0.812）和5-羟基犬尿氨酸（AUC 孕早期=0.858，AUC 孕中期=0.804，AUC 孕晚期=0.831）展现出作为GDM生物标志物的良好潜力 ［ 22 ］ 。对尿液中色氨酸代谢物在整个妊娠期的变化进行追踪发现，相较于健康孕妇，大多数色氨酸代谢物在GDM孕妇的尿液中升高，包括5-羟基犬尿氨酸等。既往研究发现，GDM低度炎症状态可激活IDO1，引起色氨酸-犬尿氨酸通路上调并介导妊娠期胰岛素抵抗 ［ 23 ］ 。 IDO1基因敲除或药理抑制可使妊娠小鼠犬尿氨酸与色氨酸比值降低，AhR配体增加，增强肠道屏障，改善胰岛素抵抗 ［ 24 ］ 。
三、补充色氨酸代谢物改善糖脂代谢的可能机制
妊娠期色氨酸代谢发生重编程，表现为犬尿氨酸途径上调，吲哚途径和5-HT途径下调 ［ 25 ］ 。越来越多的研究表明，补充色氨酸代谢物可通过多种机制改善代谢性疾病，为GDM的治疗提供了新的研究视角。
1.增加GLP-1分泌，促进胰腺β细胞增殖：Wang等 ［ 26 ］ 研究表明，全肠外营养诱导的小鼠糖代谢恶化可被IAA补充显著改善，表现为糖耐量和胰岛素敏感性提升，肝糖原合成增加。AhR激动剂（Ficz）直接腹腔注射也可达到相同的糖代谢改善作用，并增加血浆GLP-1水平与回肠末端和结肠中GLP-1染色阳性细胞的数量；而AhR抑制剂消除这些有益影响，提示IAA-AhR信号通路在调控GLP-1的产生中发挥关键作用。人肠类器官暴露于IAA不仅促进了GLP-1分泌相关基因 Islet1、 Gcg和 Gip的表达，而且增加了促进肠道干细胞向L细胞分化的基因 Ngn3和 Foxa2的表达。此外，IAA还降低了引导肠道内分泌细胞远离L细胞样表型的基因 Pax4的表达，增加了促进肠道干细胞增殖的基因 Ki67和 Lgr5的表达。杨凤英 ［ 27 ］ 的研究发现，腹腔注射吲哚可增加 db/db小鼠结肠GLP-1表达，并恢复胰岛形态学结构，促进胰岛新生，重塑α/β细胞平衡，减轻胰腺巨噬细胞浸润，也证实了吲哚代谢物是连接肠道与胰腺的重要信号分子。
2.调节肝脏脂质代谢，抑制肝脏炎症，促进胰岛素信号传导：Min等 ［ 28 ］ 研究显示，通过补充IPA或IAA缓解了西式饮食诱导的小鼠肝脏脂肪变性和炎症反应，改变了肝脏中与脂质代谢和炎症相关基因的水平，包括炎症因子 Tnf-α和趋化因子 Cxcl10降低，脂肪酸β-氧化相关基因 Cpt1a、 Ppar-α和 Acox1增高，脂质合成和转运相关基因 Fasn、 Acc1和 Cd36降低。同时，IPA或IAA补充抑制内毒素刺激的肝脏Toll样受体4的表达，从而抑制了巨噬细胞活化和核因子-κB信号传导。Du等 ［ 29 ］ 的研究表明，5-HIAA可恢复高脂饮食喂养小鼠的胰岛素敏感性，降低肝脏和脂肪组织重量。肝脏AhR-结节性硬化症复合物2（tuberous sclerosis complex gene 2，TSC2）-哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1）可能是导致上述作用的潜在机制，即5-HIAA激活肝脏AhR，促进TSC2表达，抑制mTORC1通路，最终促进肝脏胰岛素信号传导。
3.诱导白色脂肪组织棕色化，改善胰岛素抵抗：补充IAA可逆转高脂饮食喂养小鼠的糖脂代谢紊乱，表现为胰岛素抵抗改善，皮下白色脂肪细胞缩小，并诱导白色脂肪组织棕色化，棕色化相关基因 Ucp1、 Pgc1α、 Prdm16及 Cidea水平显著上调 ［ 30 ］ 。然而，IAA直接刺激并不能诱导白色脂肪细胞棕色化基因表达改变。当肝脏 AhR敲低时，上述代谢获益消失，提示IAA补充诱导的代谢改善可能依赖于肝脏AhR。成纤维细胞生长因子21（fibroblast growth factor-21，FGF21）是AhR的一个靶基因，主要在肝脏中表达，在调节胰岛素敏感性和白色脂肪组织棕色化中发挥重要作用 ［ 31 , 32 ］ 。补充IAA上调高脂饮食喂养小鼠肝脏和血清FGF21水平，并被肝脏 AhR敲低抑制。因此，IAA-肝脏AhR轴可能通过FGF21调控全身代谢稳态，具体机制还需要进一步验证。
4.增强肠道屏障，减轻全身炎症：多项研究均证实补充色氨酸代谢物可降低肠道黏膜通透性，阻止肠源性内毒素进入血液循环。IPA或IAA处理可使人克隆结肠腺癌细胞（Caco-2）的跨上皮电阻值显著增加，IAA补充显著降低反映全身炎症水平的循环内毒素水平 ［ 26 ， 28 ］ 。
四、补充色氨酸代谢物对糖脂代谢的影响
补充色氨酸代谢物对糖脂代谢的有益作用主要在动物模型中得到了验证，但尚缺乏对妊娠期这一关键“窗口期”干预的研究。仅两项研究探究了妊娠期补充色氨酸代谢物对子代的影响，发现慢性肾脏病母鼠妊娠期补充色氨酸可降低子代12周龄时的收缩压 ［ 33 ］ ；野生型母鼠妊娠期补充吲哚-3-甲醇降低了子代发生坏死性小肠结肠炎的风险 ［ 34 ］ 。妊娠期补充色氨酸代谢物对GDM孕妇及其子代的影响及机制有待进一步研究。此外，还需要在人群层面验证补充色氨酸代谢物改善代谢的有效性与安全性。
五、总结与展望
由于种族、研究规模、样本类型、采集孕周、检测分析技术等的差异，不同GDM代谢组学研究的结果不一致。大多数研究规模较小，仅采集妊娠期间某一时间段的生物样本。血液和尿液的成分容易受到饮食、运动、药物治疗等各种因素的干扰。因此，GDM代谢组学研究中受试者招募，样品处理和储存程序，代谢物检测和分析，以及结果的阐述和评估都需要标准化流程。未来有必要在大规模的前瞻性队列研究中进行色氨酸靶向代谢组学分析，对GDM孕妇色氨酸代谢通路的变化进行全面动态监测，验证色氨酸代谢物作为GDM预测或诊断标志物的有效性，探索紊乱的色氨酸代谢通路对GDM孕妇及其子代的影响。随着代谢数据库、生物信息学分析平台和人工智能技术的快速发展，将GDM孕妇血液、尿液、粪便及唾液等不同生物样本联合分析，或整合代谢组学、蛋白质组学、基因组学及转录组学等多组学数据，为充分揭示代谢物在体内的代谢轨迹，寻找GDM的生物标志物，阐明GDM的病理生理学机制和发现新的治疗靶点提供了帮助。
综上，现有的研究证据表明，色氨酸代谢物在GDM发生发展中具有重要作用，可作为GDM早期预测和诊断的生物标志物。目前补充色氨酸代谢物干预对糖脂代谢的改善作用得到初步验证，未来需要在GDM中进一步探索其有效性和机制，尤其是对子代代谢的影响，为阻断代谢性疾病代际恶性循环提供新的靶点。
利益冲突 所有作者声明无利益冲突
参考文献略
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