《Frontiers in Endocrinology》：Distinct metabolic phenotypes in adolescents with obesity identified by unsupervised learning: associations with insulin resistance and resting energy expenditure
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背景：儿童肥胖具有显著的代谢异质性，包括脂肪含量、胰岛素抵抗、炎症和能量代谢。传统分类方法可能无法充分捕捉这种复杂性。目的：使用无监督聚类识别具有临床意义的代谢表型，并比较二聚类和三聚类解决方案的统计学性能与临床可解释性。方法：这项横断面研究纳入758名肥胖儿
背景：儿童肥胖具有显著的代谢异质性，包括脂肪含量、胰岛素抵抗、炎症和能量代谢。传统分类方法可能无法充分捕捉这种复杂性。目的：使用无监督聚类识别具有临床意义的代谢表型，并比较二聚类和三聚类解决方案的统计学性能与临床可解释性。方法：这项横断面研究纳入758名肥胖儿童和青少年，接受人体测量、生化检测和间接测热法评估。使用经过验证的基于生物电阻抗方程估算去脂体重（FFM），并在聚类前对去脂体重指数（FFMI）进行标准化。采用K-means聚类（k=2与k=3），变量为FFMI z分数、BMI-SDS、HOMA-IR、甘油三酯和HDL-胆固醇。使用轮廓系数、肘部法、Davies–Bouldin指数、Calinski–Harabasz指数和Gap统计量评估聚类有效性。验证采用未纳入聚类的变量，如葡萄糖-胰岛素动态、炎症和肝脏标志物、血压、呼吸商和静息能量消耗（REE）。组间比较采用Kruskal–Wallis检验和Dunn事后检验，并进行错误发现率（FDR）校正。结果：两种聚类解在代谢各领域均显示出显著分离。二聚类模型识别出代谢有利和代谢不利表型，在肥胖程度、胰岛素抵抗、炎症负担、肝脏标志物、血压和REE方面存在差异。三聚类解揭示了更细化的代谢分层，包含一个以部分代谢受损为特征的中间表型。验证证实生理变量之间存在稳健差异（所有FDR校正后p < 0.05）。虽然二聚类解的内部有效性略优，但三聚类模型提供了更大的临床粒度和表型分辨率。结论：无监督聚类在儿童肥胖中识别出具有生物学一致性的代谢表型。虽然二聚类解提供了统计学上稳健的分层，但三聚类结构捕捉到更广泛的代谢异质性和风险谱，支持在儿科内分泌学和代谢风险评估中应用更高分辨率的表型分析方法。
儿童期和青少年期肥胖已成为重大公共卫生问题，全球患病率持续上升，并对远期心血管代谢健康产生重要影响。越来越多的证据表明，肥胖并非同质性疾病，尤其在儿科人群中，相似肥胖程度的个体可能表现出显著不同的代谢特征。传统体质指数（BMI）难以反映身体成分与代谢调节的复杂性。去脂体重（FFM）是静息能量消耗（REE）和整体能量平衡的重要决定因素，去脂体重指数（FFMI）可校正体型差异，提供更多代谢异质性信息。同时，胰岛素抵抗、血脂异常、低度炎症和肝功能障碍是青少年肥胖相关代谢风险的重要组成部分。这些因素在不同个体中的共存模式差异很大，形成代谢健康肥胖、代谢不健康肥胖及中间型等不同表型。青春期是动态生理变化阶段，可能影响长期疾病轨迹，因此在此阶段识别代谢表型尤为重要。尽管已有研究采用无监督聚类方法，但代谢表型与能量代谢的关系仍不完全清楚。为此，研究人员在《Frontiers in Endocrinology》发表论文，利用身体成分衍生指标和心血管代谢标志物识别肥胖青少年的代谢表型，并评估其与REE及独立代谢结局的关联。
该研究为回顾性横断面分析，样本来自意大利IRCCS Istituto Auxologico Italiano住院接受减重方案的758名肥胖青少年（10–18岁）。关键技术：用经双能X射线吸收法（DXA）验证的Lazzer方程估算FFM，以Houtkooper方程作敏感性分析；将FFMI z分数、BMI-SDS、HOMA-IR、甘油三酯、HDL-胆固醇进行K-means聚类（k=2、3）；用肘部法、轮廓系数、Davies–Bouldin、Calinski–Harabasz和Gap统计量评估内部效度，Bootstrap评估稳定性；用未纳入聚类的变量外部验证并FDR校正；用多变量线性回归建模REE；多分类logistic回归评估Tanner分期、性别、年龄的独立关联。
## 3.1 静息能量消耗建模
研究人员构建了以FFM、性别、年龄为主要预测变量的多元线性回归模型，并加入身高或改用Houtkooper方程进行敏感性分析。结果显示，男性与较高REE显著相关，而校正身体成分后年龄增长与较低REE相关；加入身高仅适度改善模型拟合，Houtkooper方程结果与Lazzer方程一致，表明结论具有稳健性。
## 3.2 聚类方案的内部验证
通过肘部法、轮廓系数、Davies–Bouldin指数、Calinski–Harabasz指数和Gap统计量评估，所有内部效度指标均提示二聚类（k=2）为统计最优方案。Bootstrap稳定性分析显示，k=2解的Jaccard系数为0.96和0.97，k=3解中两个极端表型稳定（0.77和0.78），而中间簇稳定性较低（0.58）。由于k=3解能揭示位于两个极端组之间的中间代谢表型，研究人员将其保留为探索性分层。
## 3.3 二聚类解（k=2）
二聚类解将队列分为308人和450人。与簇2相比，簇1具有更高的FFMI z分数、BMI-SDS、HOMA-IR、空腹胰岛素、HOMA-β、CRP、ALT、收缩压和REE，同时甘油三酯更高、HDL-胆固醇更低，被定义为“代谢不利”表型；簇2则具有较低的肥胖程度、胰岛素抵抗和REE，被定义为“代谢较健康”表型。簇间性别分布存在显著差异，簇2中女性比例更高。
## 3.4 三聚类解（k=3）
三聚类解将队列分为208人、180人和370人。从簇1到簇3，FFMI z分数和BMI-SDS逐步下降，HOMA-IR、空腹胰岛素、OGTT胰岛素反应和HOMA-β呈明显梯度递减，CRP、ALT和收缩压也逐步下降，REE从约2225 kcal/day降至约1754 kcal/day。簇1被定义为“严重胰岛素抵抗高代谢表型”，簇2为“中间型心血管代谢风险表型”，簇3为“代谢更健康的胰岛素敏感表型”。女性比例从簇1到簇3逐渐增加。
## 3.5 利用未纳入聚类的变量进行表型验证
为避免循环推断，研究人员使用未参与聚类构建的空腹血糖、OGTT血糖、空腹胰岛素、OGTT胰岛素、HOMA-β、CRP、尿酸、ALT、血压、呼吸商和实测REE进行验证。k=2解中，各验证变量在簇间差异显著（FDR校正后p < 0.05）；k=3解中同样存在显著差异，且呈一致梯度分布，特别是胰岛素相关参数、炎症标志物、肝酶和血压，说明三聚类解能捕捉二聚类模型无法区分的中间代谢改变。
## 3.6 k=2与k=3解的比较
两种聚类解在人体测量、代谢、炎症、肝脏、心血管和能量代谢指标上均显示出显著组间差异。k=2解在内部效度上略优，而k=3解识别出一个中间簇，其胰岛素抵抗、β细胞功能、炎症和肝脏指标及REE均处于两个极端簇之间。轮廓系数较低提示代谢表型存在部分重叠，代谢风险更可能是一个连续谱
