《Metabolomics》：Urinary volatile organic compounds as potential non-invasive markers for childhood obesity
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背景：儿童肥胖是一种复杂疾病，对多个器官系统产生不利影响，并增加多种健康问题的风险，包括糖尿病、癌症、动脉粥样硬化以及成年期早发心血管疾病。本研究旨在识别正常体重（NW）与超重/肥胖（OW/OB）儿童之间，以及欧裔美国人与非裔美国儿童之间挥发性有机化合物（VO
背景：儿童肥胖是一种复杂疾病，对多个器官系统产生不利影响，并增加多种健康问题的风险，包括糖尿病、癌症、动脉粥样硬化以及成年期早发心血管疾病。本研究旨在识别正常体重（NW）与超重/肥胖（OW/OB）儿童之间，以及欧裔美国人与非裔美国儿童之间挥发性有机化合物（VOCs）的差异。方法：共有159名儿童参与了这项横断面研究。尿液样本经过葡萄糖醛酸酶和硫酸酯酶处理后，采用固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术（SPME-GC-MS）进行分析，以捕获具有不同物理化学性质的广泛尿液挥发物。使用多元线性回归来检验尿液VOCs与BMI z-评分之间的关联，并识别区分NW与OW/OB儿童的VOCs。结果：共识别出65种在NW与OW/OB儿童之间存在差异的VOCs，其中十种在调整种族和社会经济地位后仍为肥胖的显著预测因子。这些化合物的曲线下面积值范围在0.503至0.737之间，敏感性和特异性均高于0.60。结论：关键VOCs，包括苯甲醛、呋喃、己醛、4-庚酮和2-戊基呋喃，与BMI z-评分呈正相关，并可能参与肥胖特征性的低度慢性炎症过程。这些发现凸显了尿液VOCs作为儿童肥胖非侵入性生物标志物的潜力。
儿童肥胖已成为全球最重大的健康挑战之一。在美国，自20世纪80年代末以来，各年龄段儿童肥胖率持续上升。肥胖儿童患代谢紊乱的风险增加，包括胰岛素抵抗、2型糖尿病、血脂异常和非酒精性脂肪肝病。尽管儿童肥胖普遍存在，但社会经济地位较低的儿童受影响尤为严重。研究表明，社会经济地位是比种族或民族更强的儿童肥胖风险预测因子，凸显了经济差异的核心作用。同样，黑人、西班牙裔儿童以及来自经济困难家庭的儿童体重指数值持续较高。理解种族、民族和社会经济地位如何相互作用影响肥胖风险，对于设计促进健康公平的针对性干预措施至关重要。
挥发性有机化合物（VOCs）包括醇类、短链脂肪酸、饱和及不饱和烃类，可通过脂质过氧化、蛋白质氧化和肠道微生物代谢等过程内源性产生，也可来源于外源性环境暴露。在肥胖状态下，活性氧生成增加和细胞色素P450酶活化促进氧化应激，从而形成与疾病相关的VOC特征谱。鉴于肥胖及相关代谢紊乱以慢性低度炎症为特征，这些VOC模式具有重要意义。
虽然呼出气VOC分析在儿童肥胖研究中更为广泛，但尿液VOC研究仍有限。固相微萃取（SPME）等先进分析技术是一种无溶剂预浓缩方法，结合了采样、萃取、浓缩和进样步骤，与毛细管气相色谱-质谱联用技术结合，提高了尿液VOC检测的灵敏度和特异性。该技术能够识别疾病相关的代谢模式。
本研究旨在：（1）比较正常体重与超重/肥胖儿童的尿液VOC谱；（2）在调整种族和社会经济地位后，识别与BMI z-评分相关的VOCs；（3）确定非裔美国人与欧裔美国儿童之间的VOC谱是否存在差异。通过表征多类尿液VOCs，本研究旨在为儿童肥胖的代谢途径和病理生理机制提供新见解。
**关键研究方法**：研究招募了6-10岁非裔美国人和欧裔美国儿童。采用世界卫生组织指南测量身高和体重，根据疾病控制与预防中心生长图表计算体重指数并分类。尿液样本在无菌容器中收集并预处理。VOC分析采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术，使用二乙烯苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷纤维，并采用温和酶解法增强挥发性化合物。色谱分离在Restek Stabilwax-DA色谱柱上进行。数据处理使用MS-DIAL软件，化合物鉴定结合自动质谱去卷积鉴定系统和美国国家标准与技术研究院谱库，并通过对照标准品验证。统计分析包括描述性统计、Wilcoxon秩和检验、多元线性回归、逻辑回归、偏最小二乘判别分析和随机森林模型，以评估VOCs与肥胖的关联。
**研究结果**：
- **总体特征与VOC谱**：研究纳入159名儿童，包括98名正常体重和61名超重/肥胖参与者。超重/肥胖儿童的体重、体重指数和BMI z-评分显著更高。共检测到721个代谢物特征，代表酮类、烃类、醛类、醇类、酸类、萜烯、呋喃、烷醛、含氮/硫化合物、酯类和醚类等多种化学类别。
- **VOC谱区分能力**：偏最小二乘判别分析显示正常体重与超重/肥胖组尿液VOC谱存在可视化分离，表明两组具有不同的VOC谱。模型验证通过置换测试确认了显著性。变量重要性投影评分识别出包括苯甲醛、己醛、2-壬酮、4-庚酮、2-戊酮、呋喃、2-戊基呋喃、癸酸丁酯、γ-十二内酯和2-甲基-2-十二醇在内的关键VOCs。
- **组间差异VOCs**：Wilcoxon秩和检验识别出39种在超重/肥胖儿童中显著更高的VOCs，以及26种在正常体重儿童中显著更高的VOCs。详细特征信息见补充材料。
- **VOCs与BMI z-评分的关联**：多元线性回归和二元逻辑回归分析显示，在未调整模型中，九种VOCs与BMI z-评分呈显著正相关，其中苯甲醛关联最强。四种VOCs呈显著负相关。调整种族后，苯甲醛仍是最强正预测因子。进一步调整社会经济地位后，十种VOCs与肥胖呈显著正相关，三种呈显著负相关。
- **预测性能评估**：受试者工作特征曲线分析评估了尿液VOCs对儿童肥胖的预测潜力。苯甲醛预测准确性最高，其次为己醛、2-戊基呋喃、香叶醇和γ-十二内酯。其他具有预测价值的VOCs包括4'-(2-甲基丙基)苯乙酮和呋喃。
- **种族间差异**：Wilcoxon秩和检验评估了欧裔美国人和非裔美国人组内的VOC关联。总体而言，呋喃、己醛、4-庚酮、2-戊基呋喃、苯甲醛和γ-十二内酯在超重/肥胖儿童中显著更高，而2-乙基-1-己醇、2-壬酮、2-甲基-2-十二醇、癸酸丁酯和3-甲基苯酚显著更低。具体种族模式显示，在欧裔美国参与者中，己醛、4-庚酮、木馏油酚、4'-(2-甲基丙基)苯乙酮和苯甲醛在超重/肥胖儿童中显著更高；在非裔美国参与者中，6-甲基-5-庚烯-2-醇、2-戊基呋喃和香叶醇显著更高。
**讨论与结论**：本研究的关键发现是超重/肥胖儿童表现出与正常体重儿童不同的尿液VOC谱；社会经济地位是肥胖患病率的重要协变量；且VOC谱存在种族差异。尿液VOC模式的变化常与肠道微生物失调相关，后者与肥胖和其他胃肠道疾病有关。肥胖已知与微生物多样性减少和细菌基因表征改变相关。此外，在肥胖个体中，VOCs改变与氧化应激有关，其中脂肪组织中活性氧过度产生导致脂质过氧化和细胞损伤。VOCs也可来源于外源性暴露，如饮食和环境因素。
本研究中识别的几种尿液VOCs可能作为儿童肥胖的潜在生物标志物。苯甲醛成为最强预测因子之一。内源性苯甲醛可通过多种代谢途径形成，包括脂质过氧化、碳水化合物代谢、抗坏血酸自氧化、胺氧化酶活性、细胞色素P450酶活性和髓过氧化物酶催化反应。其他研究提示苯甲醛可能是氧化应激、心血管疾病和癌症的生物标志物。
研究还发现超重/肥胖儿童中呋喃和2-戊基呋喃水平升高。呋喃通过多不饱和脂肪酸的脂质过氧化产生，形成反应性醛类，进而环化为呋喃结构。微生物代谢和饮食来源进一步促进呋喃形成。己醛是另一种在超重/肥胖儿童中上调且与BMI z-评分呈正相关的VOC，是亚油酸氧化的次级产物，也是氧化应激调节的重要介质。在氧化应激下，自由基促进脂质过氧化和随后的己醛产生。己醛解毒由醛脱氢酶介导，其抑制可导致醛类积累，增加突变和致癌风险。此外，己醛被认为是肥胖相关代谢失调的生长调节因子和信号分子。
酮类也似乎发挥生物学作用，在正常体重与超重/肥胖儿童之间观察到显著差异。研究发现超重/肥胖儿童中4-庚酮、γ-十二内酯和4'-(2-甲基丙基)苯乙酮水平升高，而2-壬酮和1-(2,6,6-三甲基-1,3-环己二烯-1-基)-2-丁烯-1-酮水平降低。酮类是尿液代谢物的主要类别，与肥胖中的肠道微生物失调有关。4-庚酮是一种常见的尿液挥发物，可能来源于增塑剂衍生物3-氧代-2-乙基己酸的在体脱羧。4-庚酮水平升高在糖尿病、肾脏疾病和各种癌症中均有报道。
关于醇类，观察到超重/肥胖儿童中6-甲基-5-庚烯-2-醇、香叶醇和木馏油酚水平显著更高。香叶醇是水果和草药中的天然化合物，广泛用作调味剂，尿液中较高水平可能反映了含香叶醇的加工食品消费增加。6-甲基-5-庚烯-2-醇通过脂质过氧化产生，由肥胖诱导的氧化应激驱动。这些结果与先前研究一致，表明肠道微生物物种（如拟杆菌）可产生醇类，这可能解释了超重/肥胖儿童中某些醇类VOCs的丰度。木馏油酚是一种甲氧基苯酚，可能由肠道微生物代谢植物性饮食中的木质素或多酚产生。相反，3-甲基苯酚和2-甲基苯酚在正常体重儿童中更丰富，这可能反映了较高的蛋白质饮食，因为微生物代谢酪氨酸会产生酚类化合物。
总体而言，研究人员确定了苯甲醛、呋喃、己醛、4-庚酮和2-戊基呋喃为与BMI z-评分呈正相关的关键VOCs，支持了先前研究，即特定的尿液挥发性化合物参与了肥胖的代谢特征。此外，数据显示VOC谱存在种族差异，表明代谢和环境因素可能以不同方式影响欧裔美国人和非裔美国儿童的肥胖风险。
研究局限性包括缺乏饮食和环境暴露数据，以及横断面研究设计，这限制了因果推断能力，并难以确定几种已识别的VOC生物标志物是否来源于饮食摄入、环境暴露或其他外部来源。本研究中分析的尿液样本本质上是异质的，因为它们来自儿童。因此，从单时间点尿液样本得出的敏感性和特异性估计不太可能代表最佳性能。未来研究将通过纳入更大队列、实施受控饮食条件和纵向样本收集来解决这些局限性。然而，一个主要优势是使用非侵入性尿液采样，为儿科人群提供了一种简单实用的替代侵入性诊断方法。
本研究识别了超重/肥胖与正常体重儿童之间不同的尿液VOC谱，其中苯甲醛、呋喃、己醛、4-庚酮和2-戊基呋喃等化合物与BMI z-评分呈正相关。种族和社会经济地位影响了肥胖风险，凸显了尿液VOCs作为早期检测和理解儿童肥胖的有前景的非侵入性生物标志物。
