基于代谢组学研究运动改善慢性病代谢紊乱及机制述评

李 蕾，胡振东，薛 鹏，马 力

（淮北师范大学 体育学院，安徽 淮北 235000）

2011 年1 月WHO 公布：目前全世界约有2.2 亿糖尿病患者；2004 年约340 万人死于糖尿病高血糖引发的后果，预测2005～2030 年期间死亡人数将增加一倍［1］.我国Ⅱ型糖尿病（T2DM）患病率高达9.7%，且呈现上升趋势，已成为世界糖尿病第一大国［2］.糖尿病的防治在中国已成为最重要的公共健康问题之一.

持久的运动所产生的作用比典型的药物治疗更有利.美国糖尿病协会（ADA）对糖尿病和运动之间的关系进行分析和总结，建议作为从根本上全面治疗糖尿病患者都应该有机会从运动中受益，并将其安排在每天的时间日程内［3］.然而实际上，由于运动处方实践指导落后，缺乏专业指导和相关知识，糖尿病患者不确定何种类型及水平的体力活动对其是适宜的，导致运动疗法仍较少被采纳.更重要的是，运动疗法的防治机理仍不完全清楚.已有的研究缺乏整体的、全面的、系统的网络机制的阐释，以偏概全甚至相互矛盾，这与传统的“还原论”思维指导下的实验方法不足有一定关系.如何改变思路，从整体层面上全面深入地探讨和明确运动干预的代谢调控网络及分子作用机制？相比人体研究而言，利用糖尿病动物模型研究运动对糖尿病的干预作用及机制仍具有较大的优势［4］.

1 “代谢组学”产生背景及方法学优势

随着人类基因组计划基因测序的完成，“后基因组时代”早已到来.由于基因的成功测序并不能完全或者直接解释诸多疾病的发生机制，因此，陆续诞生许多相互联系的“组学”，如“功能基因组学”、“转录组学”、“蛋白质组学”以及“代谢组学”［5］.这些组学的迅速发展催生了系统生物学的建立和发展.代谢组最初被定义为一个细胞、组织或器官中的所有小分子代谢组分的集合.代谢组学则因研究对象的不同而有相应不同的名称.代谢组学发展自20 世纪90 年代中期，背景源于生命科学研究主流正在从传统的“还原论”思维（即不断向微观世界深入）向“整体论”思维转变.作为基因表达的终产物——代谢物使得人们能够更好的解释基因的结构与功能的关系，即用系统的策略和方法探索生命现象的本质规律.代谢组学正以其方法学上的优势迅速发展，方兴未艾.

在体内外因素作用下，对生物体内尽可能多的低分子量代谢物（分子量小于1 000）的变化进行检测、鉴定、量化和分类，寻找代谢物类型和数量变化与生理病理变化的相互关系和动态规律［6］.也就是说，由于机体病理生理紊乱所产生的内源性生化物质，它们的比例、浓度及代谢通量的失调都会反映在代谢物成分中.因此，代谢组学反应机体新陈代谢的总体水平，是系统生物学研究的重要组成部分.利用代谢组学方法，研究代谢物图谱的时间变化轨迹，就可以获得相关生物体病理生理过程中机能的完整信息.目前，代谢组学已经广泛地应用到药物研发、分子生物学、营养学、环境科学、疾病诊断、治疗和预防等重要领域.

生命体的基本特征之一是新陈代谢.运动作为一种外来刺激，包括急性运动和慢性运动，均将对机体代谢产生深远的影响，都会引起机体的物质代谢和能量代谢发生反应和适应，这些反应和适应最终都会以代谢产物的形式表现出来.传统的从“基因组”和“转录组”层面研究运动影响机体代谢的思路，即依据实验假设，实验前选定好所要研究的一个或一组指标，观察运动干预条件下这些指标的变化情况，通过统计分析，进而肯定或否定实验假设，从而评价运动的作用或探讨其机制.但这种经典的研究思路忽视了一个重要问题，即生物体是一个多因素控制的动态的、复杂的系统，相互诱导或拮抗会出现于不同组分间，因此通过个别指标来判断运动的效应会以偏概全，甚至会有所谬误.

“代谢组学”的方法研究具有以下的优势：首先，不预先选定要测定的指标，而是“全景式”的扫描所有的代谢物.由于代谢物是基因和蛋白的“终端产物”，可以体现和放大基因和蛋白的微小变化，包含“生物标记物”（biomarker）信息，不仅使检测更加容易，而且可以反映细胞环境、营养状态、其他外界因素以及运动的影响.其次，代谢物的种类远远少于基因和蛋白的数量，物质的分子结构简单得多.再次，代谢组学精髓在于告诉你已经发生什么，而基因组学和蛋白质组学只能告诉你可能发生了什么.

2 代谢组学在糖尿病研究中的应用

糖尿病是一种以糖代谢紊乱为主的内分泌代谢性疾病，通常表现为整体的物质代谢紊乱，是代谢组学方法非常适宜的研究对象.目前这方面国内外已有关于糖尿病诊断、治疗以及机制研究的报道.区别于临床上通过测定血糖水平来诊断糖尿病，运用代谢组学方法可以寻找到糖尿病的早期生物标记物，为其早期诊断提供更可靠依据.Yang［7］采用毛细管气相色谱代谢组学方法研究发现，T2DM 患者血清脂肪酸水平较正常人群显著升高.Li［8］利用二维色谱/时间飞行质谱发现糖尿病5 个潜在生物标记物：葡萄糖、2-羟基丁酸、亚油酸、棕榈油酸和磷酸，提示了脂肪酸水平的增加可能与糖尿病病理生理状态有关联.笔者以“metabonomics，type 2 diabetes mellitus”为关键词，在Pubmed 上搜索2013年和2014年中发表的相关论文共9 篇.如，Lu 等［9］撰文综述了近年来利用代谢组学技术手段对II 型糖尿病患者进行研究的新成果.通过代谢组学方法还可以深层次认识其发病机制和进展，以及检测出患者药物治疗后体内小分子代谢物的变化，从而为评价药物疗效提供重要参考依据.如，上海中医药大学Zhu［10］等利用GC-TOF/MS 技术对麦冬提取物MDG-1治疗II 型糖尿病小鼠的作用机制进行了系列研究.可见，代谢组学使糖尿病机制的研究从生物体内在的差异（基因组、蛋白水平）扩展到机体与环境之间的相互影响和作用，使研究更具系统性、动态性和准确性.

3 “运动代谢组学”的提出

代谢调节问题是运动人体科学研究领域的重点之一，但整体调节的具体机制尚未阐明.Müller 曾将代谢应激（metabolic stress）作为信号转导的有效影响因素，提出改变代谢状态可以防治胰岛素抵抗和动脉粥样硬化等生活方式疾病并重获内稳态（homeostasis）［11］.这种观点无疑为开展运动调节机体代谢的机制研究提供可借鉴的思路和研究策略［12］.目前，有学者［13-14］认为可以把“代谢组学”方法和手段运用于运动人体科学领域，称为“运动代谢组学”（sportomics）.“运动代谢组学”通过谱学技术检测运动代谢的低分子量代谢物，用模式识别的方法评估运动干预对运动人体代谢模式的影响，并发现相关的生物标志物，阐述运动发挥作用的代谢调控网络及其分子机制［13-14］.

4 运动影响代谢调节的研究现状

Dan’ko IuI 于1968 年首次提出运动疗法有可能恢复机体内环境的稳定［15］.运动成为调节代谢的强有力的手段.就其研究内容而言，最初主要是对单纯的血液生化指标进行检测，后来发展到对整个生物信号转导系统的研究.例如，肌肉收缩及相关的能量代谢研究（胰岛素依赖的信号通路和非依赖的信号通路AMPK［16-17］等）、钙传导通路研究（Ca2+依赖激酶的激活能诱导过氧化物酶体增殖激活受体辅助激活因子-1，即PGC-1 的表达）、氧化应激及其调节（运动激活JNK和P38 活性）等.在上述的细胞信号转导研究中，发现运动和药物的干预机制是有所不同的（见表1）.因此认为传统的使用激动剂和/或阻滞剂的研究策略不一定适用于运动对代谢信号途径的组成调节机制的研究［12］.

表1 药物治疗和运动疗法的干预机制比较

目前对运动机制的基础研究主要涉及到运动影响细胞信号转导中基因转录或关键蛋白的表达.由于受到传统的单靶点作用的药物研究模式的影响，运动干预的效应研究也采用流程图式的方式，通过寻找其中的变化指标，进而模仿药物的促进或阻断来研究某些变化节点.如李蕾等［18-19］研究发现，运动延缓高脂诱导大鼠胰岛素抵抗形成的机制涉及到脂肪细胞因子脂联素和AMPK 蛋白表达的变化，因而结论中从脂肪因子和能量代谢层面揭示运动干预的可能调节机制.

研究表明，运动既能增强P38MAPK 等因子的活性从而启动氧化应激信号组的调节［20］，也启动Ca2+相关信号组的调节进而激活PCG-1 的表达［21］，又能启动能量调节器关键蛋白AMPK 信号组的调节［22］，而且，AMPK和P38MAPK 通路又都对PGC-1 有调节能力［23］.可见，运动干预机制呈现出“多靶点”、“散在的”、“密切对话”、“突出整体”等特点，现有的研究方法尚不足以对其中特定的信号组的功能状态进行有效的评定.这也进一步证明，打破传统思维方式，借鉴运动代谢组学的新思维和技术手段，有望将运动干预的调节机制研究深入下去.

研究运动干预的效应关键在于研究运动干预的累积效应，特别是慢性运动干预的效应及其随时间推进所呈现出的不同阶段的干预效应轨迹.笔者以“exercise，metabonomics”为关键词，在Pubmed 上搜索近5年发表的论文共62 篇.在基于代谢组学技术研究运动对机体代谢影响的相关文献中，涉及急性运动对机体代谢影响的文献偏多.如，2010 年 Enea 等、Lehmann 等、Lewis 等和Rasmussen 等的研究［24-27］；2011 年 Oberbach 等［28］的研究；2012 年 Nieman 等、Le Moyec 等、Brugnara 等的研究［29-31］；2013 年 Hodgson等、Knab 等的研究［32-33］.而涉及慢性运动对机体代谢影响的研究则很少［34］.仅有的文献如，2013年San⁃tos-Soto 等、Pechlivanis等、Neal 等的研究［35-37］；2014年Campbell 等［38］的研究.在研究设计上，已有研究主要以基态的横向比较研究居多，而缺乏长期纵向的追踪观察研究.

目前，代谢组学研究运动问题一般包括收集样品，包括尿液、血液和组织样本；技术试验阶段，主要技术手段有一维氢谱核磁共振（1H-NMR）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）；数据处理和信息分析阶段，包括数据提取、峰对齐和去噪技术、代谢化合物谱库以及多/单维数据统计方法，如无监督的方法，主要是主成分分析（principal component analysis，PCA），和有监督的方法，主要是偏最小二乘法-判别分析（partial least squares discriminant analysis，PLS-DA）.上述方法学的简介可见，运动调节代谢机制研究中引入代谢组学的思维和技术手段，无论从取材易获得性、数据高通量性、统计方法的可视性等方面均具有传统方法所无法比拟的优势.

5 运动干预治疗糖尿病的临床研究现状

运动改善血糖代谢.高血糖是糖尿病的标志，包含持续性高血糖和波动性高血糖两个方面.研究表明，运动有利于稳定初诊T2DM 患者的血糖［39］；中等强度的有氧运动可以有效降低糖化血红蛋白（HbA1c）［40］；T2DM 患者无论是否伴随饮食变化，运动均可以显著降低HbA1c，降低幅度接近英国前瞻性糖尿病研究中常规药物治疗和胰岛素强化治疗的结果［41］.慢性炎症因子如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素6（IL-6）、C 反应蛋白（CRP）等不但直接参与胰岛素抵抗，而且与糖尿病大血管并发症的危险因素密切相关.多项研究表明，运动者与不运动者相比血浆中TNF-α、IL-6、CRP 等炎症介质显著下降，可达20%-60%［42］.运动改善脂质代谢.许多临床荟萃研究证实，运动疗法能使糖尿病患者的空腹血糖（FPG）、餐后血糖（PPG）、TC、TG 明显降低，增加HDL/LDL 比值，促使血浆粘度、红细胞聚集指数、红细胞压积下降，红细胞变形指数升高，明显改善血液流变性的作用［43］.包括定量能量消耗运动处方在内的生活方式干预，可以显著改善T2DM 患者的糖、脂代谢，降低医疗费用.对初发T2DM 患者饮食和运动干预时间越早，患者糖脂代谢和体质改善越明显［44］.

近年来，运动疗法的国际趋势是基于循证医学，采用大样本、大规模、多指标、长期性，前瞻性的研究方法，根据研究的需要采用单盲或双盲法，以提高长期生存的患者的生活质量为研究最终目标，以寻求运动治疗方法.未来、合理的运动处方、糖尿病实用、客观、可量化的指标的进一步研究仍然继续.例如，如何具体定量运动强度观察指标，寻求其它能在运动中更加直接监测到的指标等，这其中或许就可以利用基于代谢组学研究中筛选出的生物标记物作为直接简易的检测指标.

6 运动干预慢性疾病机制的研究展望

代谢紊乱是慢性疾病的病理基础，代谢组学的方法非常适应于慢性疾病的机制和转归的研究，当然也是研究运动干预慢性疾病代谢调控机制的有力手段.传统的以“还原论”思维指导的实验研究结论往往各执其词，缺乏整体的、全面的、系统的机制网络.已有的基于代谢组学方法的实验设计多以无干预的横断面研究为主，缺乏长期的纵向研究.基于动物模型的运动干预治疗慢性疾病的代谢组学研究更是少见.因此，拟采用动物模型，基于系统生物学的研究思路和代谢组学的技术手段从整体水平对运动干预机制进行研究，实现对运动干预后代谢物的轮廓监测和靶向分析，同时寻找若干运动干预后特异性变化的小分子代谢物（生物标志物），分析其所在代谢通路的增强或减弱，构建运动与机体代谢路径及病理生理变化之间的联系.以上将对深入探讨运动改善慢性病作用及机制等运动人体科学问题提供新的研究策略［13］.

在运动人体科学领域，人们对大多数运动干预的关键机制尚不清楚，学者们在各自熟悉的领域潜心研究，却可能并不清楚方向是否准确和可行.如果把人体的代谢网络比作都市的交通网络，“代谢组学”更像是一种“航拍”技术，它不作任何假设，针对运动与不运动两种状态进行代谢物的全谱检测，帮助人们找出运动干预相关的一组差异物，从差异物所在的代谢通路上寻找关键的代谢酶（限速酶），再寻找代谢酶的上游调控基因.因此，代谢组学的“导航”作用结合分子生物学的协同研究，可以起到事半功倍的作用.例如，对于代谢组学分析出的特征代谢物，除了将它们作为代谢产物，分析它们在体内的代谢途径以探讨机制之外，还可以以它们为底物，结合体外细胞培养进行分子生物学研究和验证；或联合全基因组关联研究阐明因果机制［25］.

更重要的是，基于运动改善慢性代谢性疾病群的研究可能为新药研发提供新思路.运动具有毒副作用小，整体效果广谱的特点，Burke 等［45］建议可以模拟运动的影响路径开展药物研发工作，以寻找更有效的治疗方法和靶标，并将其命名为“gymnomimetics”.这一愿景的实现，首先需要对运动改善慢性病的机制及相关生物标记物有更清晰的认识.

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