冷环境健康男性3,000米跑步表现相关血清代谢特征：氨基酸、氮与磷脂代谢及应激-氧化还原过程

《Frontiers in Physiology》：Serum metabolic signatures associated with running performance in healthy men living in a cold environment: insights into amino acid and energy metabolism

　　

背景：长期暴露于寒冷环境可能带来与身体表现相关的独特代谢需求；然而，居住在寒冷环境中的个体与身体表现相关的代谢特征仍不完全清楚。研究人员旨在表征居住在寒冷地区的健康成人中与身体表现差异相关的血清代谢组学特征。方法：在178名居住在寒冷地区环境的健康男性中，141名具有可用血清代谢组学数据的参与者被纳入，并根据3,000米跑步表现分为良好组（≤14分钟13秒，n = 76）和较差组（>14分钟13秒，n = 65）。空腹血清样本进行非靶向超高效液相色谱–串联质谱（UPLC–MS/MS）分析。差异丰度代谢物采用 limma 框架中协变量调整线性模型鉴定，并将四肢骨骼肌质量指数（ASMI）作为连续协变量纳入。差异丰度代谢物定义为 Benjamini–Hochberg 错误发现率（FDR）校正 P < 0.05 且 |log₂FC| > 0.25。使用主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）探索整体代谢谱，随后进行京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析。结果：共纳入141名28–40岁男性。在调整 ASMI 后，良好组与较差组之间鉴定出10种差异丰度代谢物。6种代谢物在良好组中显示较高的校正丰度，包括皮质醇（cortisol）（FDR = 0.031，log₂FC = 0.321，95% CI：0.155至0.488），而4种代谢物在较差组中显示较高的校正丰度，包括谷氨酸（glutamic acid）（FDR = 0.013，log₂FC = ?0.262，95% CI：?0.380至?0.145）。观察到氮代谢（nitrogen metabolism）（P值 = 0.011）、精氨酸生物合成（arginine biosynthesis）（P值 = 0.026）、丁酸代谢（butanoate metabolism）（P值 = 0.028）和组氨酸代谢（histidine metabolism）（P值 = 0.030）的名义显著富集；然而，FDR校正后没有通路保持显著。结论：跑步表现差异与涉及氨基酸和氮代谢、磷脂代谢以及应激和氧化还原相关代谢过程的独特血清代谢模式相关。这些发现可能提供关于跑步表现个体间差异的代谢假设，并识别供进一步研究的候选代谢通路。

研究背景与问题：身体表现是健康状态与福祉的功能指标，涵盖心肺适能、肌力和身体能力等。较高身体表现与较低心血管疾病和死亡风险相关（Cooper et al.；García-Hermoso et al.；Veronese et al.；Laukkanen et al.）。代谢组学（metabolomics，系统分析小分子代谢物的方法）可表征与身体表现差异相关的小分子特征（Schranner et al.）。既往研究已发现循环代谢物与步速、握力、心肺适能和步行能力等相关（Marron et al.；Nierenberg et al.；Kistner et al.），涉及脂质、氨基酸和其他能量相关通路。循环代谢谱受环境温度影响；急性冷暴露与能量消耗和棕色脂肪组织活动增加相关（Huo et al.），代谢组学研究显示急性冷暴露可改变循环代谢通路，尤其氨基酸代谢、丙酮酸代谢和三羧酸（TCA）循环（Kovani?ová et al.）。然而，居住在寒冷环境的健康成人中与身体表现相关的代谢谱仍不清楚。因此，研究人员调查寒冷地区健康成人3,000米跑步表现差异相关的血清代谢组学特征，并在调整四肢骨骼肌质量指数（ASMI，四肢骨骼肌质量除以身高平方）后评估代谢物差异，旨在表征代谢模式并识别候选代谢物和通路。其意义在于提供跑步表现个体间差异的代谢假设及进一步研究的候选通路。

关键技术方法（约230字）：研究基于寒冷环境居住的178名健康男性队列，最终纳入141名具有完整ASMI和代谢组数据的参与者。空腹血清行非靶向超高效液相色谱–串联质谱（UPLC–MS/MS，分离并高分辨检测代谢物的技术）分析，使用Q-Exactive高分辨质谱，正负离子数据依赖采集，代谢物注释参照HMDB和KEGG。特征检测、保留时间校正和峰对齐使用XCMS，同位素加合物注释使用CAMERA。统计采用limma框架协变量调整线性模型，ASMI为连续协变量，Benjamini–Hochberg错误发现率（FDR，多重检验校正指标）校正，|log₂FC| > 0.25；并开展主成分分析（PCA，无监督降维）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA，有监督判别）、KEGG富集及敏感性分析。样本队列来源为寒冷环境居住健康男性，最冷月平均温度?10°C至0°C，每年90~145天日均≤5°C。

研究结果：
3.1 研究参与者特征：通过基线比较，良好组与较差组相比，每日步数和ASMI更高，脂肪质量和体脂率更低（均P < 0.05）；年龄、教育水平、婚姻状态、当前吸烟、BMI、去脂体重等未显示显著组间差异。
3.2 PCA和PLS-DA模型性能与验证：通过多元分析，PCA未见良好组与较差组清晰分离；PLS-DA显示部分区分，第一和第二成分分别解释2.92%和2.61%的代谢物丰度矩阵方差。嵌套五折交叉验证显示分类准确率为58.9%，平衡准确率58.2%，敏感性67.1%，特异性49.2%，AUC为0.660；1,000次置换检验显示观察到的分类误差低于置换模型，经验P = 0.042。
3.3 3,000米跑步表现相关代谢物鉴定：通过协变量调整线性模型，在636种内源性代谢物中鉴定出10种差异丰度代谢物。较差组中较高的代谢物包括谷氨酸（glutamic acid）、3-[3-(sulfooxy)phenyl]propanoic acid、PI(16:0/16:0)和2-呋喃甲酰甘氨酸（2-furoylglycine）；良好组中较高的代谢物包括N-氯苯丙氨酸（N-chlorophenylalanine）、皮质醇（cortisol）、L-2-氨基-3-(1-吡唑基)丙酸（L-2-amino-3-(1-pyrazolyl)propanoic acid）、8-羟基腺嘌呤（8-hydroxyadenine）、哌嗪-2,3-二酮（piperazine-2,3-dione）和苯丙氨酸甜菜碱（phenylalanine betaine）。敏感性模型中，10种代谢物关联方向一致，4种在所有模型保持显著，其余6种显著性随调整模型变化。
3.4 血清代谢通路富集分析：通过KEGG富集分析鉴定出11条通路，其中4条名义富集：氮代谢（P = 0.011）、精氨酸生物合成（P = 0.026）、丁酸代谢（P = 0.028）和组氨酸代谢（P = 0.030）；FDR校正后无通路保持显著。

讨论部分总结：4.1 与跑步表现相关的氨基酸和氮代谢：良好组ASMI调整后谷氨酸较低。谷氨酸位于氨基酸代谢中心，并通过转化为α-酮戊二酸与TCA循环相连；运动可改变肌肉谷氨酸可利用性及循环摄取，尤其训练个体。研究人员指出，较低静息血清谷氨酸可能与谷氨酸稳态或组织处理改变一致，但循环谷氨酸反映产生、组织摄取、器官交换和氮代谢平衡，解释仍属推测。精氨酸生物合成和氮代谢名义富集提示组间氨基酸相关代谢差异，Castro et al.等运动代谢组学发现精氨酸生物合成等与有氧训练适应和最大功率增益相关；但横断面设计不能确定这些差异反映长期训练适应、固有代谢特征或未测因素。4.2 磷脂重塑与运动表现：良好组PI(16:0/16:0)较低，提示磷脂代谢和膜脂重塑差异。磷脂酰肌醇是重要膜磷脂和磷酸肌醇信号前体（Dickson and Hille；Rossignol et al.）。既往干预研究报道有氧运动后循环磷脂酰肌醇物种改变，部分甘油磷脂变化与心肺适能改善相关（Felder et al.；Zhang et al.）。但仅凭循环浓度不能确定机制，降低不应解释为膜功能有利或不利。4.3 应激、氧化还原和嘌呤相关代谢关联：皮质醇是下丘脑–垂体–肾上腺轴激活释放的主要糖皮质激素，参与能量动员、葡萄糖代谢和蛋白周转（Kraemer et al.；Pérez-Castillo et al.），良好组较高可能提示内分泌或代谢调节差异，但受多因素影响，不能作为跑步表现直接标志。8-羟基腺嘌呤为氧化修饰腺嘌呤衍生物，良好组较高；核酸碱基氧化修饰可由活性氧和其他氧化过程产生（Hiramoto et al.；Hori et al.），但生物学意义不确定。N-氯苯丙氨酸为氯化苯丙氨酸衍生物，可能形成于氧化氯化反应（Freuze et al.），良好组较高，但其与运动表现的关系仍不明确。这些代谢物不应解释为氧化应激或内分泌功能的直接标志。4.4 饮食和微生物组相关代谢信号：2-呋喃甲酰甘氨酸在较差组较高，是营养代谢组学中咖啡消费候选生物标志（Heinzmann et al.）；3-[3-(sulfooxy)phenyl]propanoic acid为芳基硫酸盐代谢物，在较差组较高，但饮食或微生物来源不确定；苯丙氨酸甜菜碱在良好组较高，甜菜碱类与全谷物或麸皮摄入和肠道微生物代谢相关（Koistinen et al.）。因未直接评估饮食和肠道微生物组，这些解释仍为探索性。4.5 代谢差异的通路层面解释：丁酸代谢来源的短链脂肪酸与肠–肌轴相关，可能影响骨骼肌能量代谢和炎症信号；组氨酸参与肌肽合成，肌肽是运动时重要肌肉内缓冲物（Perim et al.）。但通路富集不证明相应通路在任一组中功能激活或抑制，且名义显著需进一步验证。总体血清代谢特征并非在某一表现组中一致升高或降低，应解释为表现相关代谢签名而非因果决定因素。4.6 局限性：横断面设计不能建立跑步表现与血清代谢谱之间的时序关系；队列仅限男性；样本量有限，主模型仅调整ASMI，敏感性分析调整年龄、体力活动、ASMI加年龄、ASMI加体力活动及ASMI加吸烟后方向一致，但仍不能完全排除残余混杂，尤其未评估饮食和心肺适能（VO₂max）。需更大样本和更全面混杂评估进一步验证。

研究结论翻译：在这项横断面研究中，研究人员调查了居住在寒冷地区健康成人的血清代谢组学特征。在考虑骨骼肌质量后，分析确定了与良好组和较差组跑步表现差异相关的独特代谢模式。研究人员的发现提示，跑步表现与氨基酸和氮代谢、磷脂代谢以及应激、氧化还原和饮食相关代谢过程相关。这些观察可能为该人群中与跑步表现相关的代谢特征提供假设，而其具体生理作用和机制需要进一步研究。