Circulation|剧烈运动会影响人体内的哪些关键代谢物？

文章题目

Metabolic Architecture of Acute Exercise Response in Middle-Aged Adults in the Community

发表期刊

Circulation

（IF=23.603）

发表时间：2020年

研究背景

    研究发现急性运动对代谢、炎症、血管、心脏和其他系统具有多种有益作用，但运动对其有益作用的分子机制尚未明确，已有小样本队列研究表明，在急性运动诱导的心脏代谢有益作用中循环分子(包括外泌体、代谢物、蛋白质和非编码RNAs)发挥了关键作用。本文选取了弗雷明汉心脏研究（FHS）参与者进行急性运动前后的心肺运动测试（CPET）和代谢组学分析，评估在休息和运动高峰时的代谢水平。

研究方法

    收集411例休息期和411例运动高峰期的弗雷明汉心脏研究(FHS)志愿者的血液(53±8岁，63%为女性)分别进行心肺运动测试(CPET)和LC-MS代谢物分析， 本文采用了4种互补的LC-MS方法提供了广泛的代谢物的检测，检测类别包括氨基酸、氨基酸代谢物、酰肉碱、二肽等阳离子极性代谢物；糖、有机酸、嘌呤、嘧啶等阴离子极性代谢物；脂质、游离脂肪酸、胆汁酸、中极性代谢物。

研究结果

1、急性运动导致广泛代谢物的变化

    结果显示588个代谢物中的502个（85%）从休息到高峰运动(运动时间为11.9±2.1分钟)的代谢物水平发生显著变化，FDR为5%。同时用其他的FHS样本鉴定到177种代谢物，其中164种代谢物（92.6%）发生了一致变化。包括与胰岛素抵抗有关的代谢物减少(谷氨酸、二甲基胍戊酸[DMGV])；与脂肪分解相关代谢物增加(1-甲基烟酰胺)；与一氧化氮生物利用度相关的代谢物增加，与脂肪褐变相关的代谢产物增加，以及其他与心脏代谢风险相关的途径也发生了扰动。利用HILIC平台、C8平台和C18平台上分别检测了251个、173个和58个代谢物。图1-3显示不同检测平台检测代谢物的火山图，图1结果显示了运动前后氨基酸，极性化合物，衍生物代谢物的火山图；图2结果显示了运动前后脂质代谢物的火山图；图3结果显示了运动前后胆汁和长链脂肪酸，脂类衍生物的火山图；

利用HILIC平台、C8平台和C18平台上分别检测了251个、173个和58个代谢物。利用MetaboAnalystR进行代谢物-基因富集分析，251个HILIC代谢物中的106个代谢物富集到2141个基因，173个C8代谢物中有4个代谢物富集到7个基因，58个C18代谢物中的16个代谢物富集到291个基因。这些富集的基因进行通路分析。富集的通路包括氨基酸代谢、过氧化物酶体增殖激活受体信号传导相关的途径的富集、二十烷类和前列腺素代谢、胰岛素信号传导、血管生成素样蛋白8调控、脑源性神经营养因子信号，这些通路都与心血管和代谢性疾病有关。

图1图2图3    图4结果展示不同的代谢表型的占比，尿囊素/尿酸(与氧化应激相关)的含量随运动增加而减少， 犬尿氨酸/色氨酸(与全身炎症相关) 的含量随运动增加而增加，苯丙氨酸/酪氨酸(与高炎症相关) 的含量随运动增加而增加；精氨酸/[鸟氨酸+瓜氨酸](与高一氧化氮合成、改善内皮功能、降低代谢综合征风险相关) 的含量随运动增加而增加；谷氨酰胺/谷氨酸(与低心脏代谢风险相关) 的含量随运动增加而增加。图42、运动引起的代谢物变化与临床变量存在密切的相关性    为了研究运动引起的代谢物的变化与临床变量(年龄、性别和BMI)的关联性，我们采用了多变量的线性回归模型，与预期结果一致，有关糖酵解和无氧代谢的代谢物(如乳酸、丙酮酸、富马酸)随运动量的增加而升高。而与胰岛素敏感性、一氧化氮生物利用度、循环脂质体的有利转变有关的代谢物与运动量无关。结果表明运动引起的几种代谢物的变化在BMI和性别上有显著的相关性。而与年龄相关性不大。DMGV(与肝脂肪变性相关的高水平)随运动而降低，且降低幅度与BMI相关，因此BMI较高的个体在运动时DMGV的降低不明显(图5)。研究表明对于有着较高BMI值的个体，在与心脏代谢相关的某些通路上，实际上其代谢的“可塑性”可能较差。而且不同性别的人群的运动也会产生不同的代谢反应，短暂运动会产生与无氧代谢相关的丙酮酸、乳酸的代谢产物。尽管女性运动相对较少，但一些心脏保护代谢物的偏移量较大。图6结果显示锻炼的女性的胰岛素敏感性受损和血管风险增加的相关的代谢物含量降低，而保护心脏的自由脂肪酸含量增加。而男性运动引起的参与细胞代谢的代谢物会升高。图5图63、运动与静息代谢组的关系    在年龄和性别调整后的模型中，静息血液代谢物水平与CPET测量的一种或多种运动反应模式显著相关。 采用心肺运动测试（CPET）期间运动反应的多维表型，研究静息代谢状况与预测未来心血管疾病（CVD）的运动反应模式的相关内容。结果表明运动前不同的代谢物水平与体能的不同生理维度有关（例如通气效率，运动血压，整体有氧运动能力）。结果显示Peak VO2与很多代谢产物具有相关性。Peak VO2与受损的外周肌肉和脂肪代谢代谢物如DMGV, 1-甲基烟碱，2-氨基己二酸密切相关，Peak VO2与胰岛素抵抗的代谢物BCAAs密切相关，与氧化应激相关的嘌呤降解的代谢物次黄嘌呤密切相关。缩醛磷脂与运动血压呈负相关，平均动脉压与氨基酸有密切的相关性。

4、代谢物与死亡率和心血管疾病的关联分析

    代谢物与死亡率和心血管疾病进行关联分析，结果得到了运动介导的与预后相关的四个特征代谢物变量，结果发现代谢物变量1与Peak VO2密切相关，代谢物变量2与Peak O2 pulse、有氧效率密切相关。代谢物变量3与VE/VCO2负相关。代谢物变量4与Peak heart rate负相关（图7）。并在独立队列中进行了分析（n = 2045），其中代谢物2和代谢物4与平均随访23.1年的总死亡率相关。图7

结论

    基于大样本社区居民研究，急性运动引起大量的代谢物变化。研究发现急性运动12分钟前后有80%的代谢物发生显著变化，代谢物水平的动态变化因BMI和性别而异，但明显与年龄无关。代谢物主要富集于心脏代谢、心血管疾病和长期健康相关的通路。这些发现为人类急性运动引起的代谢变化提供了详细的依据，并确定了运动有益心脏代谢作用的潜在机制。

参考文献

Nayor M , Shah R V , Miller P E , et al. Metabolic Architecture of Acute Exercise Response in Middle-Aged Adults in the Community[J]. Circulation, 2020.

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