《Journal of Physiology》：Multifactorial nature of anabolic resistance in ageing skeletal muscle: A systems modelling study
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肌少症（sarcopenia），即与年龄相关的骨骼肌质量和功能丧失，主要由合成代谢抵抗（anabolic resistance）引起，即进食等合成代谢刺激后肌肉蛋白质合成（MPS）的刺激减弱和肌肉蛋白质分解（MPB）的抑制受损。多种年龄相关损伤已被涉及，但单一
肌少症（sarcopenia），即与年龄相关的骨骼肌质量和功能丧失，主要由合成代谢抵抗（anabolic resistance）引起，即进食等合成代谢刺激后肌肉蛋白质合成（MPS）的刺激减弱和肌肉蛋白质分解（MPB）的抑制受损。多种年龄相关损伤已被涉及，但单一损伤无法解释老年人MPS降低，提示合成代谢抵抗源于相互作用的失调过程。实验研究这些相互作用具有挑战性，促使采用系统方法。在此，研究人员应用了一种人类骨骼肌中亮氨酸介导的信号传导和蛋白质代谢的机制性多尺度动力学模型，以研究合成代谢抵抗机制。参数值根据已发表数据估计。全局敏感性分析确定了MPS和净蛋白质平衡（NB）的关键控制器。对氨基酸喂养的MPS反应的虚拟群体模拟被分类为合成代谢敏感或合成代谢抵抗。研究人员量化了单个和组合的年龄相关损伤，并模拟了恢复合成代谢反应性的治疗干预。敏感性分析显示，控制MPS的细胞内信号传导过程主导NB。喂养模拟表明，这些过程的失调区分了合成代谢敏感和合成代谢抵抗的表型。没有单一的失调机制能重现年龄相关的MPS降低。相反，只有当多种损伤共同作用时，合成代谢抵抗才出现。从多因素失调中恢复MPS需要协调的多靶点治疗策略。这些发现表明，合成代谢抵抗源于营养感知和信号传导中多种相互作用的失调。通过在一个系统框架中量化它们的贡献，这项工作推进了对肌少症机制的理解，并支持设计联合干预措施以恢复老年人的肌肉蛋白质代谢。
**论文解读：衰老骨骼肌合成代谢抵抗的多因素系统建模研究**
**研究背景与问题**
肌少症（sarcopenia）是伴随衰老的骨骼肌质量、力量和功能进行性下降，严重影响老年人健康和生活质量，并增加医疗成本。其核心驱动因素是合成代谢抵抗（anabolic resistance），即进食等合成代谢刺激后，肌肉蛋白质合成（MPS）的刺激减弱，同时肌肉蛋白质分解（MPB）的抑制受损。现有研究已提出多种年龄相关损伤机制，包括：氨基酸经内脏首过摄取增加、氨基酸向肌肉转运减少、胰岛素信号受损、mTOR（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白）和p70S6K（70 kDa核糖体蛋白S6激酶）蛋白水平降低、mTORC1（mTOR复合物1）对蛋白质摄入的敏感性下降，以及慢性炎症导致的MPB持续升高。然而，单一机制无法完全解释老年人MPS降低的现象，提示合成代谢抵抗源于多种机制相互作用的网络效应。当前治疗策略（如营养补充、运动干预、药物）多针对单一机制，长期效果有限。因此，亟需系统量化各机制的相对贡献，为多靶点联合干预提供依据。
**研究目的与意义**
本研究旨在利用计算建模方法，系统评估衰老相关合成代谢抵抗的多因素机制。研究人员基于先前开发的亮氨酸介导信号传导与肌肉蛋白质代谢动力学模型（McColl & Clarke, 2024），通过敏感性分析、虚拟人群模拟和靶向机制模拟，识别关键控制参数，阐明多机制协同作用如何导致MPS降低，并模拟不同治疗策略的恢复效果。该研究发表于《Journal of Physiology》，为理解肌少症机制和设计多靶点联合治疗方案提供了重要框架。
**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键方法（忽略具体试剂和质粒构建步骤）：
1. **动力学模型**：基于非线性常微分方程（ODEs）构建，包含mTOR信号模块、亮氨酸动力学模块、消化系统模块和胰岛素分泌模块，模拟健康成人摄入亮氨酸后肌肉蛋白质代谢动态。
2. **多参数敏感性分析（MPSA）**：利用拉丁超立方采样生成100，000个参数集，通过保守实验范围筛选，得到2663个生理学上合理的参数集（虚拟健康人群），再通过多元回归和p-1敏感性分析（逐个移除参数）评估各参数对MPS、MPB和净蛋白质平衡（NB）的影响。
3. **虚拟人群分类**：基于Mitchell等人年轻成人MPS反应的下限（0.25 g亮氨酸合成进入肌肉蛋白）设定合成代谢抵抗阈值，将MPSA得到的4060个参数集分为合成代谢敏感组（n=3333）和抵抗组（n=727），并进行Kolmogorov-Smirnov（KS）检验比较两组参数分布。
4. **靶向机制模拟**：从文献中提取7种年龄相关损伤的共识和最差情况折叠变化（fold change），分别或联合调整模型参数，模拟其对MPS、MPB和NB的影响，并模拟代偿性信号（elevated postabsorptive phospho-p70S6K）的作用。
5. **治疗策略模拟**：将失调参数恢复至健康值，评估单靶点或多靶点联合恢复MPS和NB的效果。
**研究结果**
**1. 多参数敏感性分析识别合理参数集**
MPSA筛选出2663个合理参数集，其中控制亮氨酸转运入肌肉（k6）和亮氨酸转氨化为α-酮异己酸（KIC）（k10）的参数变化范围受限，表明模型对这两个参数敏感。
**2. 多元回归指示最影响肌肉蛋白质代谢的参数**
p-1敏感性分析显示：MPS主要受其近端调控参数（如p70S6K介导的MPS、亮氨酸转氨化）影响；MPB主要受Akt介导的MPB和蛋白质初始浓度影响；NB则主要受MPS相关参数（如p70S6K介导的MPS）控制，表明MPS是NB的主导因素。
**3. 朴素方法揭示合成代谢抵抗贡献机制**
在去除MPS约束后，MPSA生成4060个参数集，其中727个被分类为合成代谢抵抗。KS检验发现10个参数在两组间显著不同（q<0.05），包括p70S6K介导的MPS、亮氨酸转氨化、p70S6K初始浓度、mTORC1初始浓度、p70S6K去磷酸化、亮氨酸介导的mTORC1信号、mTORC1介导的p70S6K活性、p70S6K介导的mTORC1抑制、首过内脏提取和肝脏葡萄糖生成。这些参数大多与MPS近端调控相关，提示年龄相关合成代谢抵抗涉及广泛的mTORC1-p70S6K信号失调。
**4. 靶向模拟揭示合成代谢抵抗的多因素基础**
- **共识估计**：单独模拟各机制时，仅mTORC1敏感性降低大幅降低MPS，接近老年人MPS水平；降低mTOR和p70S6K蛋白水平中度降低MPS；首过内脏提取增加轻度降低；而氨基酸转运和胰岛素信号影响极小。当所有机制联合模拟时，MPS下降至低于老年人水平；但加入代偿性信号（elevated postabsorptive phospho-p70S6K）后，MPS恢复至健康水平。NB变化与MPS类似，但联合模拟加代偿性信号后NB仍略有不足。
- **最差情况估计**：mTORC1敏感性降低更剧烈地降低MPS；首过内脏提取和mTOR/p70S6K水平降低也显著降低MPS；联合模拟时MPS极低，代偿性信号部分恢复但MPS仍低于老年人水平。
- **MPB升高模拟**：单独增加50% MPB参数使MPS略有升高（因游离亮氨酸增加），但MPB升高更多，导致NB降低；联合所有机制时，MPB升高进一步恶化NB。
**5. 治疗策略模拟**
- **无代偿性信号**：在共识估计下，单独恢复mTORC1敏感性可完全恢复MPS和NB；恢复p70S6K水平也有效。但当所有机制联合失调时，单靶点恢复均无效，需联合恢复首过内脏提取、mTORC1敏感性、mTOR和p70S6K水平才能接近完全恢复。最差情况模拟结果类似。
- **有代偿性信号**：在最差情况下，代偿性信号本身可部分恢复MPS和NB，但未达健康水平。当联合失调（mTOR/p70S6K水平降低+mTORC1敏感性降低）时，恢复p70S6K水平可完全恢复MPS和NB；当所有六种机制联合失调时，需联合恢复mTOR和p70S6K水平及mTORC1敏感性，或联合恢复首过内脏提取和mTOR/p70S6K水平，才能完全恢复MPS和NB。
**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究的模拟结果支持合成代谢抵抗的多因素本质：单独机制无法解释MPS降低，而多种机制协同作用时才能重现年龄相关MPS缺陷。代偿性信号（老年骨骼肌中磷酸化p70S6K升高）可能部分抵消mTORC1敏感性降低和蛋白水平下降，但代价是缩小了餐后信号动态范围，从而限制后续更大刺激的反应。治疗策略模拟表明，单靶点干预仅在单一机制失调时有效，而多机制联合失调时需多靶点联合策略。
**研究结论**：研究人员报告了一种新颖的建模方法，以高效研究年龄相关合成代谢抵抗的关键变量。初始敏感性分析揭示了合成代谢抵抗组中控制mTORC1活性的反应广泛失调，以及mTORC1和p70S6K水平降低。模拟假定机制表明，这些机制并非孤立作用，而是协同抑制MPS。基于这些结果，研究人员模拟了恢复肌肉代谢的治疗干预。当仅模拟单一损伤时，靶向mTORC1信号近端机制（如mTORC1敏感性、mTOR或p70S6K水平）可有效恢复MPS和NB。但当所有机制同时受损时，单靶点策略无法完全恢复MPS。在这种更现实的条件下（反映研究人员认为老年人中可能发生的情况），需要多因素治疗策略来恢复进餐诱导的合成代谢反应。这些发现推动了关于合成代谢抵抗组合机制的新假说，并为未来实验研究和治疗策略以减轻进餐介导的合成代谢抵抗提供了见解。此外，该框架还可应用于其他以类似失调为特征的肌肉丢失模型，如不活动诱导的合成代谢抵抗，或不同机制（如恶病质中MPB升高）的模型。
