短期低能量供应状态下的代谢特征

《Physiological Reports》：Metabolic signature of short-term low energy availability

代谢组学揭示低能量可用性代谢特征及β-羟丁酸筛查价值，

　　低能量可用性（LEA）对运动员的健康和运动表现可能产生不利影响。然而，传统的识别方法往往依赖于临床症状的评估，如闭经或骨应力性损伤，这些症状通常在LEA的长期影响下才会显现，从而导致识别和干预的延迟。因此，寻找早期生物标志物以实现LEA的及时检测和预防，成为当前研究的一个重要方向。本研究通过大规模代谢组学分析，探索了在高度控制的实验室条件下，短时间（3–5天）暴露于LEA或高能量可用性（HEA）的受试者在血清代谢组中的差异，旨在发现可能用于早期筛查的生物标志物。

研究采用核磁共振（NMR）光谱技术，对血清中的250个代谢物和代谢物比例进行高通量定量分析。该方法能够提供高度可重复且定量准确的代谢组概况，尤其适用于检测与能量挑战相关的脂质和低分子量代谢物。研究对象为受过训练的成年人，分为两组：一组通过限制能量摄入并增加有氧运动（EX组）达到LEA；另一组仅通过限制能量摄入（REST组）实现LEA。在两个研究中，受试者均在干预前和干预后采集空腹血样，并在干预期间保持各自的饮食和运动状态。研究还采用了一种统计方法，即广义估计方程（GEE），以评估代谢物浓度在干预前后的变化，并考虑时间、条件和状态之间的交互作用。

结果显示，在LEA条件下，受试者的血清代谢组发生了显著变化。例如，甘油三酯（TG）和总脂肪酸（TFA）浓度明显下降，而酮体（如β-羟基丁酸，β-HB）浓度显著升高。β-HB的浓度在LEA组中比HEA组高11.3倍，表明在能量和碳水化合物不足的情况下，肝脏会增加β-HB的合成，以作为心脏和大脑等关键器官的替代能量来源。此外，研究还发现，LEA显著影响了氨基酸代谢，其中丙氨酸浓度下降，而支链氨基酸（BCAA）浓度上升。这些变化可能与能量缺乏时蛋白质分解的增加以及肌肉中BCAA代谢的抑制有关。

值得注意的是，尽管EX组和REST组在实现LEA的过程中存在差异（如EX组增加了有氧运动），但这些代谢变化在两个组中表现出相似的模式，说明LEA的代谢特征在一定程度上是稳定的。β-HB在两种条件下均显示出对LEA的强预测能力，其浓度高于0.09 mmol/L时，可以很好地预测LEA的存在。这一发现支持了β-HB作为LEA筛查的潜在生物标志物。然而，由于个体差异和测量技术的不同（如静脉血与毛细血管血），β-HB的阈值可能需要进一步验证。此外，研究还指出，尽管β-HB在LEA中显著升高，但在EX组中，由于运动过程中的代谢转化，其浓度可能与REST组有所不同。

在脂蛋白分析方面，研究发现LEA导致非常低密度脂蛋白（VLDL）颗粒大小的显著变化。VLDL的直径在LEA条件下减少，而HEA条件下则增加。这一变化可能反映了能量限制对脂蛋白代谢的调控作用。同时，VLDL相关的代谢物（如胆固醇酯、游离胆固醇和磷脂）浓度也出现了下降趋势，表明LEA可能通过促进脂解作用，导致脂肪分解增加，从而降低血清中的脂质水平。此外，研究还发现，LEA对高密度脂蛋白（HDL）的三酰甘油含量产生了显著影响，特别是在EX组中，这种影响更为明显。这可能与运动过程中游离脂肪酸的氧化增加有关，进而减少了可用于HDL颗粒合成的三酰甘油含量。

研究还探讨了代谢物变化与能量代谢之间的关系。例如，丙酮酸（pyruvate）浓度的下降可能表明能量代谢中糖酵解途径的活性降低，而β-HB的升高则反映了脂肪酸氧化的增强。这些变化提示，在LEA条件下，身体可能会更多地依赖脂肪作为能量来源，同时减少对碳水化合物的依赖。此外，研究发现，LEA还可能影响氨基酸代谢，例如丙氨酸浓度的下降可能与肝脏中糖异生过程的增强有关，而BCAA浓度的升高则可能与肌肉中BCAA氧化的抑制有关。

尽管研究结果表明β-HB是LEA的最强预测指标，但其作为生物标志物的临床应用仍需进一步验证。例如，在自由生活环境中，等能量的低碳水化合物饮食或外源性酮体补充剂可能会影响β-HB的浓度，从而干扰其作为LEA标志物的准确性。因此，未来的研究需要考虑这些潜在的混杂因素，并探索β-HB在不同人群中的适用性。此外，研究还指出，代谢组学作为一种全面分析代谢物的方法，能够揭示LEA的代谢特征，为早期检测提供新的视角。

本研究的局限性包括干预条件的持续时间不同（EX组为5天，REST组为3天），以及在干预前缺乏统一的饮食控制。尽管这些因素可能对结果产生一定影响，但研究认为，由于关键的内分泌调节因子（如瘦素）在不同持续时间的LEA暴露下表现出相似的行为，因此代谢变化在两个研究中仍然具有可比性。未来的研究应进一步探讨这些代谢变化在长期LEA暴露下的稳定性，并评估它们在预测长期健康影响方面的潜力。此外，代谢组学在实际应用中的推广还需要考虑样本采集和分析的标准化问题，以确保其在不同实验室和测量技术下的可重复性。

综上所述，本研究为LEA的代谢特征提供了新的见解，并支持代谢组学作为早期检测工具的潜力。β-HB的显著升高和其在不同条件下的预测能力，为运动员和其他高能量需求人群的LEA筛查提供了重要的线索。然而，为了更全面地应用这些发现，未来的研究需要进一步验证这些代谢物在不同环境下的表现，并探索其在临床实践中的可行性和有效性。