基于代謝組學(xué)的運(yùn)動健康效應(yīng)研究

【摘" 要】 運(yùn)動被視為健康的決定性因素。然而，運(yùn)動作為一種復(fù)雜的異質(zhì)性行為，以多種形式影響個(gè)體的生物學(xué)機(jī)制，因此，需要進(jìn)一步深入研究，以了解不同運(yùn)動形式的影響程度及其作用于機(jī)體的具體方式。代謝組學(xué)為探索這些關(guān)系提供了一種有效的方法。該文分析了大量運(yùn)動代謝組學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)果顯示，不同強(qiáng)度的運(yùn)動對同一個(gè)體的代謝組產(chǎn)生不同影響，而相同的運(yùn)動對不同個(gè)體的代謝組影響亦存在差異。此外，運(yùn)動對呈現(xiàn)健康代謝組特征具有積極作用。最后，該文展望了未來運(yùn)動代謝組學(xué)的研究方向，旨在通過代謝組學(xué)方法進(jìn)一步闡明運(yùn)動在維護(hù)健康中的作用。

【關(guān)鍵詞】 代謝組學(xué)方法" 運(yùn)動" 健康" 生物學(xué)機(jī)制

【中圖分類號】 G8" " " " " " " " " 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A" " " " " " 【文章編號】 2095-2813（2025）08-0004-03

Metabolomics Method Studies the Relationship Between Exercise and Health

JIANG Guoyong1" MA Keke2

1.Xuzhou Vocational College of Industrial Technology， Xuzhou， Jiangsu Province， 221140 China;2.Huangji Jinlou Primary School， Xuzhou， Jiangsu Province， 221145 China

[Abstract] Exercise is considered a decisive factor in health. However， as a complex heterogeneous behavior， exercise affects the biological mechanism of individuals in multiple forms. Therefore， further in-depth research is needed to understand the degree of impact of different exercise forms and their specific ways of acting on the body. Metabolomics provides an effective method to explore these relationships. This paper analyzes a large number of literature related to exercise metabolomics， and the result shows that different intensities of exercise have different effects on the metabolomics of the same individual， the same exercise has different effects on the metabolomics of different individuals. In addition， exercise has a positive effect on the characteristics of healthy metabolomics. Finally， this article looks forward to future research directions in exercise metabolomics， aiming to further elucidate the role of exercise in maintaining health through metabolomics methods.

[Keywords] Metabolomics methods; Exercise; Health; Biological mechanism

缺乏運(yùn)動已成為一個(gè)全球性的健康問題，被列為全球四大死亡風(fēng)險(xiǎn)因素之一［1］。隨著學(xué)術(shù)研究的持續(xù)深化，運(yùn)動與健康之間的關(guān)系雖已有大量文獻(xiàn)記載，但其具體機(jī)制及相互作用尚未完全闡明。盡管眾多流行病學(xué)研究揭示了二者間的關(guān)聯(lián)，但不同強(qiáng)度的運(yùn)動如何以不同方式影響個(gè)體健康，以及相同強(qiáng)度的運(yùn)動對不同個(gè)體產(chǎn)生不同影響的原因和機(jī)制，仍難以確定。近年來，代謝組學(xué)研究方法作為生物科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，被眾多學(xué)者引入運(yùn)動與健康促進(jìn)的研究中，其在該領(lǐng)域的重要性日益凸顯。本文系統(tǒng)梳理了代謝組學(xué)與運(yùn)動和健康要素之間的研究現(xiàn)狀，并闡述了代謝組學(xué)方法對研究運(yùn)動與健康促進(jìn)的重要意義。

1" 代謝組學(xué)和運(yùn)動

代謝組學(xué)是利用質(zhì)譜或核磁共振技術(shù)對生物樣本中所有代謝物進(jìn)行系統(tǒng)研究的一種方法。該方法提供了一種表征群體和個(gè)體間代謝差異的手段，并有助于解釋這些差異背后的生物學(xué)機(jī)制。因此，代謝組學(xué)非常適合于運(yùn)動相關(guān)研究。早在20世紀(jì)70年代，有學(xué)者即認(rèn)為，連續(xù)1 h自行車運(yùn)動后的代謝狀態(tài)可與饑餓狀態(tài)相當(dāng)，機(jī)體內(nèi)部發(fā)生糖異生、蛋白質(zhì)分解代謝和含氮物質(zhì)代謝等變化，騎行運(yùn)動可誘導(dǎo)多種積極的短期和長期健康影響，并導(dǎo)致長期有益的生理適應(yīng)。

1.1" 運(yùn)動強(qiáng)度對代謝的影響

根據(jù)質(zhì)譜或核磁共振檢測結(jié)果，不同強(qiáng)度的運(yùn)動會誘發(fā)代謝組的可量化變化?？傮w而言，運(yùn)動對代謝組的影響主要集中在脂肪酸代謝、三羧酸循環(huán)（TAC）、糖酵解、氨基酸代謝、肉堿代謝、嘌呤代謝、膽固醇代謝等方面。關(guān)于何種類型運(yùn)動后機(jī)體代謝物變化最為顯著，現(xiàn)有文獻(xiàn)中存在爭議。有研究比較了低強(qiáng)度、中強(qiáng)度和高強(qiáng)度運(yùn)動后的代謝組學(xué)模式，結(jié)果顯示高強(qiáng)度運(yùn)動（以最大攝氧量來判定）后代謝物變化更為顯著。

1.2" 運(yùn)動對代謝組的短期和長期影響

運(yùn)動引起機(jī)體代謝組變化的時(shí)間對健康的影響至關(guān)重要。一些研究結(jié)果顯示［2-5］，運(yùn)動初期機(jī)體的代謝變化即已明顯，然而，在運(yùn)動后和恢復(fù)期，不同時(shí)間和強(qiáng)度的運(yùn)動后代謝變化各異，部分運(yùn)動后即刻代謝變化即恢復(fù)至運(yùn)動前狀態(tài)，而部分運(yùn)動后代謝變化可持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天［6］。此外，代謝物和代謝物類別間也存在差異，如負(fù)責(zé)骨骼肌底物利用的代謝途徑在運(yùn)動后立即改變，TAC代謝產(chǎn)物在60 min后明顯變化，亮氨酸、異亮氨酸、天冬酰胺、甲硫氨酸、賴氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸在運(yùn)動后14 h仍顯著減少，而血漿中長鏈脂肪酸、酮體、膽汁酸和三酰甘油酯的變化也持續(xù)數(shù)小時(shí)。

許多健康結(jié)果在運(yùn)動數(shù)周、數(shù)月、數(shù)年甚至數(shù)十年后才得以顯現(xiàn)。因此，了解與運(yùn)動相關(guān)的長期代謝組學(xué)和健康變化同樣重要。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，代謝組也存在慢性適應(yīng)，以響應(yīng)長期運(yùn)動后的脂質(zhì)和氨基酸變化特征。一項(xiàng)針對日本男性長期運(yùn)動代謝組學(xué)變化的研究發(fā)現(xiàn)，長期運(yùn)動的男性機(jī)體中氨基酸水平較低，哌醋甲酯水平較高。然而，長期運(yùn)動與不長期運(yùn)動的人在進(jìn)行相同運(yùn)動時(shí)，機(jī)體表現(xiàn)出的代謝差異更大，如馬拉松運(yùn)動時(shí)，有氧能力較弱的跑者的代謝物水平波動更大，尤其是磷脂和氨基酸代謝，這反映了長期運(yùn)動改變了骨骼肌中線粒體的代謝功能［7］。

運(yùn)動的類型也影響代謝組學(xué)反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，與靜態(tài)運(yùn)動相比，動態(tài)運(yùn)動中機(jī)體的代謝變化存在差異，主要體現(xiàn)在參與類固醇激素生物合成的代謝物水平升高和全身底物利用的快速變化，其特征是脂解、脂肪酸氧化、氨基酸氧化、酮生成和糖酵解上調(diào)［2］。

1.3" 代謝組學(xué)的適應(yīng)性

藥物、補(bǔ)充劑使用、飲食和對各種化學(xué)物質(zhì)的接觸會在人體中產(chǎn)生外源代謝物［8］，代謝物的基線水平、身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）、運(yùn)動的海拔高度也會影響代謝組學(xué)反應(yīng)。所有這些因素進(jìn)一步使運(yùn)動后代謝組學(xué)反應(yīng)復(fù)雜化。此外，運(yùn)動期間的社會刺激也會影響健康結(jié)果。健康個(gè)體（由最大耗氧量定義）的氨基酸水平較低，特別是支鏈氨基酸，這是由于糖異生代謝增加、脂肪儲存利用更有效，能夠更多激活脂肪分解，促進(jìn)脂肪酸進(jìn)入TCA循環(huán)，并在運(yùn)動期間擴(kuò)展至TCA循環(huán)中?？寡趸瘎┖托姆窝装Y防御系統(tǒng)也隨著運(yùn)動時(shí)長的不斷增加而改善。

2" 運(yùn)動對健康的積極效果

進(jìn)行運(yùn)動的主要原因之一是追求健康?；诖x組學(xué)的方法能夠直觀地以“組”的特性表現(xiàn)運(yùn)動對健康的積極影響。有研究表明，習(xí)慣性參與運(yùn)動的人群的代謝組學(xué)特征與健康的心臟代謝特征相一致。經(jīng)常運(yùn)動的個(gè)體比不經(jīng)常運(yùn)動的個(gè)體具有更健康的代謝特征，該特征能夠降低與久坐行為等生活方式相關(guān)的心臟代謝風(fēng)險(xiǎn)。健康的代謝特征被定義為異亮氨酸、極低密度脂蛋白、膽固醇、甘油三酯和葡萄糖水平較低，總的不飽和脂肪酸特征和高密度脂蛋白的轉(zhuǎn)變［9］。

運(yùn)動對支鏈氨基酸的影響源于參與支鏈氨基酸（BCAA）降解的關(guān)鍵酶的激活，這些代謝水平反映了脂肪氧化的增加、脂肪儲存的有效利用、胰島素敏感性改善、有效的脂質(zhì)代謝和脂肪酸氧化以及恢復(fù)期間能量消耗的有效調(diào)節(jié)。有研究表明，高體能狀態(tài)可增強(qiáng)心肺功能并增加自身的抗氧化防御系統(tǒng)，從而更容易應(yīng)對運(yùn)動后的炎癥反應(yīng)［10］。通過代謝組學(xué)還可以幫助理解劇烈運(yùn)動的潛在負(fù)面影響，包括闡明由力量耐力活動引起的疾病的潛在機(jī)制，如過度訓(xùn)練和疲勞。

在患病人群的研究中，大多數(shù)與運(yùn)動相關(guān)的代謝變化呈現(xiàn)出共性，如乳酸、次黃嘌呤、肌苷和丙氨酸的變化，但健康人群與患病人群之間的代謝組學(xué)反應(yīng)模式存在差異。因此，尚需深入研究以明確運(yùn)動是否對易感疾病人群的代謝組產(chǎn)生獨(dú)特影響，或者與疾病相關(guān)的代謝組變化是否掩蓋了由運(yùn)動引起的變化。代謝組學(xué)研究還揭示了男性和女性之間存在基線代謝組差異，這可能與兩性間的激素水平和肌肉質(zhì)量差異有關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致他們對運(yùn)動的生理反應(yīng)和適應(yīng)能力表現(xiàn)出不同。具體而言，女性在運(yùn)動期間能更有效地利用脂肪儲備，恢復(fù)期更有效地調(diào)節(jié)能量消耗，并改善胰島素敏感性；而男性則在運(yùn)動期間消耗更多的纈氨酸、α-羥基異戊酸鹽、2-羥基丁酸鹽、葡萄糖和蘇糖酸鹽。。

3" 運(yùn)動對肥胖或超重人群的代謝組學(xué)影響

超重和肥胖會引起一系列協(xié)調(diào)的代謝反應(yīng)，從而影響代謝組學(xué)特征［11］。盡管運(yùn)動在身體質(zhì)量指數(shù)和體重管理中的作用存在爭議，但潛在的代謝組學(xué)假說認(rèn)為，運(yùn)動通過激活肌肉和其他組織中的AMP蛋白激酶途徑，增加脂肪氧化和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，并提升胰島素敏感性，從而加速脂肪流失。然而，體重的變化同樣可能影響代謝組學(xué)特征。因此，運(yùn)動、體重、和代謝組學(xué)之間的復(fù)雜聯(lián)系使得針對減肥的運(yùn)動代謝組學(xué)研究變得復(fù)雜，難以區(qū)分哪些代謝組學(xué)變化是由身體質(zhì)量指數(shù)減少引起的，哪些是由運(yùn)動本身引起的?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，與身體質(zhì)量指數(shù)和運(yùn)動均相關(guān)的代謝物包括支鏈氨基酸和芳香族氨基酸、長鏈多不飽和脂肪酸、磷脂、溶血磷脂、鞘磷脂、碳水化合物、核苷酸和肉堿。

4" 討論

流行病學(xué)文獻(xiàn)已充分闡述了運(yùn)動與健康之間的聯(lián)系以及適應(yīng)運(yùn)動的生理過程。然而，個(gè)體內(nèi)部和個(gè)體間健康差異效應(yīng)背后的代謝組學(xué)機(jī)制尚不完全清楚。上述綜述表明，運(yùn)動代謝組學(xué)具有解決運(yùn)動和健康研究中一些機(jī)制問題的潛力，包括運(yùn)動產(chǎn)生的代謝適應(yīng)及其對健康維持、疾病發(fā)展、健康體重調(diào)節(jié)、康復(fù)或其他身心健康相關(guān)結(jié)果的影響；此外，它還為鑒定臨床有用的生物標(biāo)志物提供了依據(jù)。

大量關(guān)于運(yùn)動代謝組學(xué)的文獻(xiàn)表明，運(yùn)動會引發(fā)個(gè)體間的差異代謝反應(yīng)。這種反應(yīng)存在生物梯度，取決于運(yùn)動的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度。一些證據(jù)表明，高度活躍個(gè)體的代謝組發(fā)生了長期變化，主要涉及支鏈氨基酸、三羧酸循環(huán)、糖酵解、氧化應(yīng)激、胰島素敏感性和脂肪酸動員，特定的代謝物包括葡萄糖、丙酮酸、琥珀酸、丙氨酸、絲氨酸、谷氨酸、肌氨酸和肉堿。

在運(yùn)動代謝組學(xué)文獻(xiàn)中，研究間存在異質(zhì)性，涉及運(yùn)動環(huán)境、測量方式、研究設(shè)計(jì)、干預(yù)特征、樣本類型、收集時(shí)間和基礎(chǔ)研究人群等方面，因此，研究結(jié)果在一定程度上可能無法真實(shí)反映生物學(xué)機(jī)制。此外，絕大多數(shù)研究是在小規(guī)模人群中進(jìn)行的，且以男性為主，這使得現(xiàn)有數(shù)據(jù)很難進(jìn)一步說明問題。因此，應(yīng)謹(jǐn)慎看待這些結(jié)果。性別在對運(yùn)動反應(yīng)中的作用仍有待確定。最后，運(yùn)動代謝組學(xué)文獻(xiàn)中鑒定的許多代謝物在病理代謝組學(xué)研究中同樣重要，這些代謝物在一定程度上反映了病理表型與運(yùn)動的關(guān)系。

代謝組學(xué)的另一個(gè)重要作用是評估運(yùn)動效果和營養(yǎng)干預(yù)恢復(fù)在分子水平上的作用機(jī)制。營養(yǎng)補(bǔ)充和運(yùn)動的代謝組學(xué)研究已成為這一領(lǐng)域快速發(fā)展的子專業(yè)。有證據(jù)表明，與運(yùn)動相關(guān)的代謝變化可以通過使用營養(yǎng)補(bǔ)充劑來控制，這取決于營養(yǎng)補(bǔ)充劑的內(nèi)容、目的和補(bǔ)給時(shí)機(jī)。營養(yǎng)補(bǔ)充在運(yùn)動代謝組學(xué)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

5" 結(jié)語

更好地了解不同運(yùn)動類型的健康效果，有助于解釋何種類型的運(yùn)動最有效、對誰有效以及為何有效。推廣運(yùn)動的最大挑戰(zhàn)在于堅(jiān)持長期行為改變。許多人因動力不足，提升效果不明顯等原因未能保持長期運(yùn)動習(xí)慣。利用運(yùn)動代謝組學(xué)可以確定最有效和最有益的運(yùn)動類型（如有氧運(yùn)動、肌肉強(qiáng)化訓(xùn)練、劑量和強(qiáng)度），并支持更長期的健康行為改變。隨著多組學(xué)研究的深入，僅依靠代謝組學(xué)數(shù)據(jù)可能不足以完全表征復(fù)雜的病理狀態(tài)。代謝組學(xué)位于最下游，因此表征在驅(qū)動代謝變化中起作用的上游基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組也具有生物學(xué)意義。未來，代謝組學(xué)與其他組學(xué)數(shù)據(jù)的整合可能成為組學(xué)研究的重點(diǎn)，以確定不同生物學(xué)層次之間的相互協(xié)同作用。

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