人口老龄化的代谢组学时钟：跨队列验证及其与衰弱和认知功能的关联

《GeroScience》：A metabolomic clock of population ageing: cross-cohort validation and associations with frailty and cognitive function

　　

研究人员通过使用广谱液相色谱-质谱联用（LC–MS）代谢组学技术，对来自英国Airwave研究（N=960）和爱尔兰老龄化纵向研究（TILDA，N=1335）的2295名参与者（年龄20–89岁）的3686份血浆样本进行了跨队列生物学年龄评估。核苷类物质N₂,N₂-二甲基鸟苷（N₂,N₂-dimethylguanosine）、C-糖基色氨酸（C-glycosyltryptophan）、胆汁酸葡萄糖醛酸苷（bile acid glucuronides）以及抗氧化剂ζ-胡萝卜素（zeta-carotene）与时间年龄（chronological age）、衰弱（frailty）和死亡率（mortality）均存在关联。去甲肾上腺素能代谢物3-甲氧基-4-羟基苯乙二醇硫酸酯（3-methoxy-4-hydroxyphenylglycol sulphate）和寡糖唾液酸乳糖（sialyllactose）与年龄和死亡率均呈强相关。研究人员开发了一种代谢组学时钟（metabolomic clock），该时钟在测试样本中对时间年龄具有高度预测性（r=0.92）。代谢组学年龄加速（metabolomic age acceleration）在两次研究访视间呈强相关（r>0.6）。在完全调整模型中，代谢组学年龄加速每增加一个标准差（约5年），死亡风险增加43%，轻度认知障碍（mild cognitive impairment, MCI）风险增加27%，衰弱评分增加风险提高10%。此处识别的代谢物可能连接衰老与年龄相关脆弱性，应在机制研究中进一步探讨。代谢组学时钟具有转化应用潜力，可作为广义年龄相关疾病风险的预后和反应标志物。

**论文解读：人口老龄化的代谢组学时钟——跨队列验证及其与衰弱和认知功能的关联**

**研究背景与目的**

衰老是一个渐进的病理生理过程，是几乎所有常见慢性疾病（包括癌症、糖尿病、神经退行性疾病和心血管疾病）的主要风险因素。尽管寿命在过去两个世纪中增长快于健康寿命，但个体间功能衰退速率存在差异，可通过生物学年龄评估来捕捉。高通量组学技术，特别是代谢组学，因其与衰老核心过程（如细胞间通讯和营养感知）的固有联系，在评估衰老表型方面具有巨大潜力。然而，现有的代谢组学衰老时钟大多基于核磁共振波谱（NMR）数据，仅覆盖最丰富的代谢物，遗漏了关键代谢通路；而基于广覆盖非靶向液相色谱-质谱联用（LC–MS）的时钟虽预测性能强，但缺乏代谢物注释，限制了可解释性。此外，由于对非标准化分析方法的过度依赖，跨研究适用性评估仍具挑战。为此，本研究旨在通过广谱LC–MS代谢组学，在两个全国性队列中跨队列评估衰老，识别与时间年龄、衰弱和死亡率相关联的代谢物，开发并验证代谢组学时钟，并探讨加速代谢组学衰老与风险因素、死亡及认知功能的关系。

**主要技术方法**

研究人员采用超高效液相色谱-质谱联用（UPLC–LC–MS）反相色谱法，结合脂质组学和小分子分析谱，对来自英国Airwave职业队列（N=960，基线年龄20–68岁）和爱尔兰老龄化纵向研究（TILDA，N=1335，基线年龄50–89岁）的共3686份血浆样本进行非靶向代谢组学分析。数据经XCMS处理，通过数据库搜索、串联质谱实验及标准品比对，最终提取569个相对定量代谢物。使用bootstrap聚合LASSO（最小绝对收缩和选择算子）回归构建时间年龄预测模型，训练集包含两队列各683份基线样本。为评估代谢组学年龄差（预测年龄与时间年龄的残差），在TILDA队列中采用Cox比例风险回归、负二项回归和逻辑回归分析其与死亡率、衰弱指数（Fried frailty index）及轻度认知障碍（MCI，蒙特利尔认知评估MoCA<24分）的关联。

**研究结果**

1. **识别时间年龄的非靶向代谢组学特征**：通过两步法（先进行未注释特征的单变量回归筛选，再注释并提取最一致的年龄相关特征），在Bonferroni校正后，Airwave和TILDA中分别发现246和253个代谢物与时间年龄显著相关，其中83个在两队列中一致，包括63个小分子。最显著的年龄正相关代谢物包括唾液酸乳糖、戊糖、甲基抗坏血酸、3-羧基-4-甲基-5-戊基-2-呋喃丙酸（3-CMPFP）、苯甲酰肉碱、磷脂酰胆碱PC(18:1/22:6)、N-乙酰谷氨酸、N-乙酰酪氨酸、马尿酸和C-糖基色氨酸。与Metabolon和Nightingale Health平台的交叉比较显示，本研究方法提供了可比的广谱代谢物覆盖。

2. **代谢物与时间年龄、衰弱和死亡率的关联**：在TILDA中，396个代谢物（70%）与时间年龄相关，15个与全因死亡率相关，24个与衰弱相关。六个代谢物与三者均一致相关：N₂,N₂-二甲基鸟苷、C-糖基色氨酸、去甲胆甾烷五醇葡萄糖醛酸苷、去甲胆酸（正相关）和ζ-胡萝卜素（负相关）。此外，唾液酸乳糖、3-甲氧基-4-羟基苯乙二醇硫酸酯（MHPG-S）等与年龄和死亡率直接相关。代谢物-衰弱与代谢物-死亡率关联的估计值相关性（r=0.68）强于年龄-死亡率（r=0.51）和年龄-衰弱（r=0.35）。

3. **代谢组学时钟开发**：基于bootstrap聚合LASSO模型，代谢组学预测年龄与时间年龄在测试样本中高度相关（r=0.92，平均绝对误差MAE=4.8年）。纵向随访显示，预测年龄平均增加小于时间间隔（Airwave平均7年随访中预测年龄增加4.2年；TILDA平均4年随访中增加2.0年）。两次访视间的年龄差高度一致（r=0.66）。模型最重要的贡献者包括类固醇硫酸酯和葡萄糖醛酸苷、酰基肉碱、肠道微生物代谢物、维生素（如烟酰胺）、肽类和神经递质相关代谢物（如犬尿氨酸和MHPG-S）。仅使用小分子构建的模型（MAE=5.3年）优于仅使用脂质（MAE=5.8年）的模型。

4. **代谢组学年龄差与死亡率、衰弱和认知表现的关联**：在TILDA验证样本中（年龄、性别、BMI匹配的326例死亡病例与对照），代谢组学年龄差每增加一个标准差（约4.8年），完全调整模型中死亡风险比（HR）为1.41（95% CI: 1.24–1.60）。添加代谢组学年龄后，10年死亡风险预测的ROC曲线下面积（AUC）从0.71提升至0.74。代谢组学年龄差每增加一个标准差，衰弱指数风险增加10%（发生率比1.10），轻度认知障碍风险增加27%（比值比1.27）。基线年龄差较高与重复MMSE（简易精神状态检查）评估中更多错误相关（每年龄差年增加0.04个错误）。

5. **代谢组学年龄差与风险因素和衰老表型的关联**：肥胖、抑郁风险和他汀使用与年龄差增加一致相关。男性（Airwave）、糖尿病（TILDA）、高血压（Airwave）和体力活动不足（TILDA）也与年龄差增加相关，但仅在一个队列中达到统计学显著性。年龄差与糖化血红蛋白HbA1c、C反应蛋白、多重用药、计时起立行走测试、选择反应时间测试呈正相关，与估算肾小球滤过率（eGFR）呈负相关。未发现与表观遗传年龄加速或端粒长度的显著关联。

**讨论与结论**

讨论部分指出，本研究通过广谱非靶向质谱分析，在两个全国性成年人群中刻画了衰老与血液代谢组之间的深刻关系，并识别了衰老、衰弱与死亡风险之间的共享代谢变化，为年龄相关脆弱性提供了机制见解。代谢组学年龄差作为整合性年龄相关风险标志物，与认知障碍和死亡率等关键表型显著关联，且能提供超越标准临床风险因素的10年死亡风险预测增量价值。加速代谢组学衰老与衰弱、轻度认知障碍的关联尤为突出，且首次展示了代谢组学衰老与轻度认知障碍的关联。研究局限性包括使用非空腹样本、药物残留混杂（如他汀）、种族单一（主要为白种人）以及轻度认知障碍的阈值定义。研究优势包括两个独立全国性样本、额外代谢物注释、跨平台验证以及纵向死亡风险和认知功能评估。

**研究结论**：研究全面描绘了成年期代谢随年龄的变化，为未来机制研究铺平了道路。此处开发和验证的代谢组学时钟似乎是广义年龄相关疾病风险的一个信息丰富且可重复的标志物。