何庆华，任萍萍，王玉兰*

(中国科学院武汉物理与数学研究所，波谱与原子分子物理国家重点实验室，湖北 武汉 430071)

代谢组学在营养学研究中的应用

何庆华，任萍萍，王玉兰*

(中国科学院武汉物理与数学研究所，波谱与原子分子物理国家重点实验室，湖北 武汉 430071)

代谢组学能从整体水平定量地考察饮食、生活习惯、生物活性物质、肠道菌群等对机体代谢造成的细微动态变化，并有望为营养需要量的研究、营养流行病学和营养相关疾病的研究提供新的策略。本文简要综述代谢组学在营养学研究中的应用进展。

代谢组学；营养学；代谢；健康；疾病

现代营养学研究的主要目标是通过合理的日常饮食预防疾病和保障人类健康[1]。采用基因组学、蛋白组学和代谢组学等系统生物学方法全面而系统地进行营养学研究，不仅有助于理解预防疾病和保障健康的分子机制，也能拓展营养学研究领域和加快研究步伐，还能提高营养学研究的准确性，促进营养学研究的长足发展。代谢组学是关于生物内源小分子代谢物整体及其变化规律的科学[2]。细胞、组织或器官中小分子代谢物的量和动态变化能实时反映生理调控过程的终点。因此，代谢组是研究生物反应的“终点”，代谢组学分析所获得的信息与生物的表型或整体状况的距离最近，是生物学现象的最终表现[2]。

代谢组学的分析检测方法目前主要采用核磁共振波谱(NMR)和质谱(MS)技术。由于NMR响应的非选择性和高通量以及丰富的结构信息，所以NMR在代谢组学研究中具有独特的定性和定量优势。而MS则拥有NMR无法比拟的高分辨率和高灵敏度，同时兼顾无偏向性，从而能检测复杂样品中低丰度的代谢物，且能分析范围很广的代谢物，并可以通过同位素内标对代谢物进行准确定量。近年来，逐渐形成了分别基于NMR和MS技术的两大代谢组学分析平台。代谢组学为营养学研究提供了崭新的思路和技术，已经在多个营养学研究领域广泛应用。这些领域包括：食品中生物活性成分功能研究、营养素的代谢与代谢调控研究、不同生理状态和不同饮食习惯的代谢差异研究、营养需要量研究、肠道菌群与营养的研究和营养流行病学研究，以及营养代谢疾病的诊断和机制研究等[1,3]。代谢组学在营养学领域有了许多新的发现，并极大地促进了营养学的发展。为了更好地将代谢组学技术应用于营养学研究，本文就代谢组学在营养学研究中的应用进行简要综述。

1 食品中生物活性物质的功能研究

食品除了营养作用外，有些还具有特殊生物活性作用。代谢组学技术为食品中生物活性物质的功能研究提供了有效途径。比如，对茶的代谢组学研究不仅可以加深对茶有益健康的机制的认识，还可以更加全面地了解茶中含有的多酚、表儿茶素等类黄酮物质的潜在生物学功能和有益作用。Solanky等[4]采用基于NMR的代谢组学技术对表儿茶素的研究表明，表儿茶素能降低SD大鼠尿液牛磺酸、柠檬酸、二甲胺和α-酮戊二酸等代谢物的浓度，影响代谢的机制主要是通过多酚对肾脏功能的作用，使得能量代谢从碳水化合物分解代谢转变为脂肪酸和氨基酸分解代谢。Daykin等[5]采用基于NMR的代谢组学方法对红茶的研究表明，人在饮用红茶后尿液中马尿酸浓度显著升高，并用高效液相色谱与NMR和MS联用(HPLC-NMR-MS)技术鉴定发现红茶多酚还会代谢为1,3-二羟基苯-2-O-硫酸盐。van Dorsten等[6]采用代谢组学方法比较了绿茶和红茶对人体代谢的影响，发现绿茶和红茶能导致尿液中类黄酮降解产物马尿酸和1,3-二羟基苯-2-O-硫酸盐浓度相同程度的升高，而血浆葡萄糖浓度的降低则进一步证实茶多酚增强胰岛素活性降低血糖浓度的观点。绿茶能导致血浆中乳酸的降低说明绿茶能减弱人体内无氧糖酵解；绿茶还导致尿液中三羧酸循环中间产物显著增加，说明绿茶能够影响人体内能量代谢和生物合成途径。此外，Xie等[7]对普洱茶的代谢组学研究也表明，人在摄入普洱茶前后尿液中5-羟色氨酸、肌酐、肌醇等代谢物出现了变化。

2 营养素的代谢与代谢调控机制研究

代谢组学能发现营养素引发机体的细微生化响应，从而阐明营养素的代谢与代谢调控机制。Bertram等[8]采用基于NMR的代谢组学技术对瘤胃灌注短链脂肪酸后牛门脉系统和肝脏血液代谢物的分析表明，短链脂肪酸可以直接吸收进入肠系膜血管，并在肝脏中代谢合成β-羟基丁酸和葡萄糖。这些结果与传统生化分析的一致性，展示了基于NMR的代谢组学在营养物质代谢研究中的强大能力。Griffin等[9]采用基于NMR的代谢组学技术研究了添加VE对运动神经元衰退小鼠模型(mnd)代谢组的影响，发现VE可以使mnd小鼠部分血浆和大脑代谢物恢复到正常水平。Fardet等[10]采用基于NMR的代谢组学方法对全麦面粉和精制面粉进行了比较，发现全麦面粉能够明显改善大鼠机体的氧化还原状态和脂肪代谢，为理解全谷物食品预防糖尿病和心血管疾病的机制提供了参考。对岩衣藻的代谢组学研究还表明，岩衣藻能引起大鼠尿液中柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸等代谢物增加，但在大量摄入(15%)时未引起代谢的明显异常[11]。这些研究结果有助于对营养物质代谢调控网络的了解。

3 不同生理状态下的代谢表型研究

代谢组学能对衰老、能量摄入限制等生理状态改变后的代谢表型变化进行研究。Selman等[12]结合代谢组学和转录组学方法对C57BL/6小鼠限制能量摄入后的代谢进行了系统研究，代谢组和转录组数据均表明短期和长期的能量限制摄入会导致动员机体能量储备和能量节约，主要表现为脂肪酸分解代谢和糖异生代谢增强。对狗的衰老研究表明，尿液中肌酐和糖蛋白浓度随着年龄增长有着显著的变化，并发现能量限制摄入的狗和未限制个体间尿液代谢物存在长期的代谢差异，提示代谢在疾病的抵抗和易感方面起着重要作用，并与长寿密切相关[13]。最近的代谢组学研究还表明，淫羊藿的抗衰老作用与其调控能量代谢、脂质代谢和抗氧化作用密切相关[14-15]。

4 不同种族和不同饮食习惯的代谢表型研究

Lenz等[16]采用基于NMR的代谢组学方法对健康人尿液的研究发现，个体内尿液代谢组比较稳定，而不同个体间尿液代谢组差异较大，与饮食和生活习惯的差异有关。该研究说明个人饮食和生活习惯与代谢密切相关。进一步的代谢组学研究表明不同饮食和生活方式可以导致英国人和瑞典人的尿液代谢组出现显著差异，瑞典人尿液氧化三甲胺和牛磺酸明显高于英国人，这与瑞典人喜爱吃鱼等高蛋白质的饮食习惯有关[17]。基于NMR的代谢组学研究也发现中国人尿液中β-氨基异丁酸和乙醇浓度的增加与其喜爱饮酒的习惯有关，而日本人尿液中氧化三甲胺的增加则与其对鱼的高摄入量有关[18]。同样，中国人和美国人之间代谢表型也存在明显的差异[19]。这些研究有助于理解不同种族和不同饮食习惯所引起的机体代谢差异。

5 肠道菌群与营养研究

由于食物到达肠道后首先会经过肠道菌群的作用，所以肠道菌群在食物消化、吸收和代谢以及菌群代谢物对宿主代谢的影响中扮演着重要角色。虽然人们早就知道瘤胃细菌和纤毛虫能利用纤维素产生反刍动物所能利用的短链脂肪酸，Backhed等[20]的研究也表明肠道菌群参与糖的吸收并能增强肝脏脂肪合成和沉积，但是其作用可能远远不止如此。Nicholls等[21]对无菌小鼠肠道菌群建立过程中尿液代谢组的研究表明，随着肠道菌群的建立宿主尿液代谢组出现渐进的变化，柠檬酸、α-酮戊二酸和琥珀酸等三羧酸循环中间产物浓度逐渐减低，3-羟基苯丙酸、马尿酸苯和乙酰甘氨酸则逐步增加，而且，尿液中的氧化三甲胺等肠道细菌代谢物的浓度也明显增加。Wang等[22]对饮用洋甘菊志愿者的尿液代谢组学分析也表明，洋甘菊的抗菌作用影响了人体肠道菌群，进而导致尿液中马尿酸和苯乙酰基谷酰胺浓度的升高。对狗的衰老研究也表明，随着年龄增长和能量摄入限制，肠道菌群代谢出现明显的变化，提示肠道菌群代谢可能与寿命的延长和疾病的发生有密切关系[13]。最近的研究还表明，肠道菌群的组成和动态变化与人体的代谢表型密切相关，不仅中国人和美国人之间存在差异，而且成年人和婴儿之间的肠道菌群和代谢表型也均具有明显的差异[19]。精氨酸的添加也能够通过调控肠道菌群而引起血清中氧化三甲胺等代谢物的变化[23]。这些结果充分说明肠道菌群直接和间接影响着宿主代谢，肠道菌群与宿主的营养和代谢的关系十分密切。

6 营养需要量研究

代谢组学技术可用于研究营养素(如氨基酸等)摄入过多或者过少时整个机体的新陈代谢所发生的变化，从而有助于更加合理地研究各种营养素的需要量[24-25]。Matsuzaki等[26]对过量摄入亮氨酸的大鼠血浆代谢组学分析表明，尿素和α-酮异已酸可能是氨基酸过量摄入时的标志物。最近，He等[23]采用基于NMR的代谢组学技术对精氨酸在猪体内的需要量进行了研究，发现增加日粮中精氨酸的添加量能显著提高猪的生长性能，并引起机体代谢的改变。这些有益的尝试充分说明从代谢组层次建立营养素的需要量会更加准确而科学，而且相对于蛋白组学而言，代谢组学还具有快速和高通量的优势，更有希望为营养个体化需要量的建立提供科学而便捷的评估策略。

7 营养流行病学研究

营养流行病学调查对人类膳食结构与疾病的相关性研究十分重要，可以发现潜在的饮食危险因子及其致病机制。由于取样简便，快速、高通量检测等优点，代谢组学技术十分适合营养流行病学的研究。对来自中国、美国、英国和日本共19个民族的4630份人尿样代谢组学分析表明，饮食相关重要危险因素和冠心病的发病率在东亚人和西方人之间存在明显的差异，主要与中国人和日本人摄入植物蛋白较多和血压较低有关，并发现了血压与膳食中食盐含量和尿液中甲酸浓度的相关性[27]。对231位中国汉族人代谢组学分析也表明，血清代谢组在正常人群、葡萄糖调节损伤和患糖尿病的人群中有明显差异，并存在渐进的变化趋势[28]。这些研究均表明，代谢组学技术可以用于营养流行病学研究，研究营养相关疾病的病因，从而为预防疾病和保障健康提供理论依据。

8 营养代谢疾病诊断和机制研究

代谢组学还可用于营养代谢疾病的诊断和生物标志物的研究。Constantinou等[29]采用基于NMR的代谢组学技术成功诊断婴儿的苯丙酮尿症和枫糖尿症，通过偏最小二乘法判别分析和主成分分析都能够明显将患病与正常婴儿区分开，诊断结果显示苯丙酮尿症婴儿尿液含有较高浓度的苯丙氨酸，枫糖尿症婴儿尿液中支链氨基酸、2-羟基异戊酸和3-羟基丁酸浓度较高。代谢组学方法用尿液检测取代传统的血液检测，取样方便，无痛苦，十分适合对婴儿的诊断。Connor等[30]结合代谢组学和转录组学研究发现了支链氨基酸、烟碱和泛酸等多个与Ⅱ型糖尿病病程相关的生物标志物。此外，代谢组学还能用于肥胖、糖尿病等营养性疾病的机制研究。对肥胖易感和肥胖抵抗大鼠的肝脏、血清和尿液的代谢组学分析表明，易感和抵抗大鼠在脂肪代谢、能量代谢和氨基酸代谢存在明显的差异[31]。Zhang等[28]对糖尿病病程发展过程中代谢组学研究也表明，糖调节异常和糖尿病人血清代谢组与正常人代谢组存在明显差异，前两者出现胆碱代谢、葡萄糖代谢、脂质和氨基酸代谢以及三羧酸循环代谢紊乱。这些研究进一步加深了对营养代谢疾病的机制的了解。

9 结 语

综上所述，代谢组学技术已广泛用于营养学研究，并拓展了营养学的研究领域，促进了营养学研究的长足发展。代谢组学为营养学研究提供了一种全面而系统的分析手段，从整体水平动态且定量地展现饮食、生活习惯、生物活性物质、肠道菌群等对机体代谢造成的细微变化。而且，代谢组学能用于营养素在机体代谢的生物标志物研究，为营养素的需求量提供更加全面和准确的评估方法，更有希望用于个体化营养需求量的建立。代谢组学也可以用于膳食和营养流行病学的研究，阐明饮食和生活习惯与健康和疾病的关系。代谢组学还可以用于营养代谢疾病的诊断和机制研究，为预防和治疗营养代谢疾病提供理论依据。总之，随着代谢组学技术自身的发展和完善，代谢组学将在营养学研究中有着更加广阔的应用前景，为预防疾病和保障人类健康做出更大的贡献。

[1] REZZI S, RAMADAN Z, FAY L B, et al. Nutritional metabonomics:applications and perspectives[J]. J Proteome Res, 2007, 6(2): 513-525.

[2] TANG Huiru, WANG Yulan. Metabonomics: a revolution in progress[J]. Prog Biophys Biochem, 2006, 33(5): 401-417.

[3] HOLMES E, WILSON I D, NICHOLSON J K. Metabolic phenotyping in health and disease[J]. Cell, 2008, 134(5): 714-717.

[4] SOLANKY K S, BAILEY N J, HOLMES E, et al. NMR-based metabonomic studies on the biochemical effects of epicatechin in the rat[J]. J Agric Food Chem, 2003, 51(14): 4139-4145.

[5] DAYKIN C A, van DUYNHOVEN J P, GROENEWEGEN A, et al.Nuclear magnetic resonance spectroscopic based studies of the metabo-lism of black tea polyphenols in humans[J]. J Agric Food Chem, 2005,53(5): 1428-1434.

[6] van DORSTEN F A, DAYKIN C A, MULDER T P, et al. Metabonomics approach to determine metabolic differences between green tea and black tea consumption[J]. J Agric Food Chem, 2006, 54(18): 6929-6938.

[7] XIE Guoxiang, YE Mao, WANG Yungang, et al. Characterization of puerh tea using chemical and metabolic profiling approaches[J]. J Agric Food Chem, 2009, 57(8): 3046-3054.

[8] BERTRAM H C, KRISTENSEN N B, MALMENDAL A, et al. A metabolomic investigation of splanchnic metabolism using1H NMR spectroscopy of bovine blood plasma[J]. Anal Chim Acta, 2005, 536(1):1-6.

[9] GRIFFIN J L, MULLER D, WOOGRASINGH R, et al. Vitamin E deficiency and metabolic deficits in neuronal ceroid lipofuscinosis described by bioinformatics[J]. Physiol Genomics, 2002, 11(3): 195-203.

[10] FARDET A, CANLET C, GOTTARDI G, et al. Whole-grain and refined wheat flours show distinct metabolic profiles in rats as assessed by a1H NMR-based metabonomic approach[J]. J Nutr, 2007, 137(4):923-929.

[11] SIMMONS-BOYCE J L, PURCELL S L, NELSON C M, et al. Dietary ascophyllum nodosum increases urinary excretion of tricarboxylic acid cycle intermediates in male Sprague-dawley rats[J]. J Nutr, 2009, 139(8): 1487-1494.

[12] SELMAN C, KERRISON N D, COORAY A, et al. Coordinated multitissue transcriptional and plasma metabonomic profiles following acute caloric restriction in mice[J]. Physiol Genomics, 2006, 27(3): 187-200.

[13] WANG Yulan, LAWLER D, LARSON B, et al. Metabonomic investigations of aging and caloric restriction in a life-long dog study[J]. J Proteome Res, 2007, 6(5): 1846-1854.

[14] YAN Shikai, WU Bin, LIN Zhongying, et al. Metabonomic characterization of aging and investigation on the anti-aging effects of total flavones of Epimedium[J]. Mol Biosyst, 2009, 5(10): 1204-1213.

[15] WU Bin, YAN Shikai, LIN Zhongying, et al. Metabonomic study on ageing: NMR-based investigation into rat urinary metabolites and the effect of the total flavone of Epimedium[J]. Mol Biosyst, 2008, 4(8): 855-861.

[16] LENZ E M, BRIGHT J, WILSON I D, et al. A1H NMR-based metabonomic study of urine and plasma samples obtained from healthy human subjects[J]. J Pharm Biomed Anal, 2003, 33(5): 1103-1115.

[17] LENZ E M, BRIGHT J, WILSON I D, et al. Metabonomics, dietary influences and cultural differences: a1H NMR-based study of urine samples obtained from healthy British and Swedish subjects[J]. J Pharm Biomed Anal, 2004, 36(4): 841-849.

[18] DUMAS M E, MAIBAUM E C, TEAGUE C, et al. Assessment of analytical reproducibility of1H NMR spectroscopy based metabonomics for large-scale epidemiological research: the INTERMAP Study[J]. Anal Chem, 2006, 78(7): 2199-2208.

[19] LI Min, WANG Baohong, ZHANG Menghui, et al. Symbiotic gut microbes modulate human metabolic phenotypes[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2008, 105(6): 2117-2122.

[20] BACKHED F, DING Hao, WANG Ting, et al. The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 101(44): 15718-15723.

[21] NICHOLLS A W, MORTISHIRE-SMITH R J, NICHOLSON J K.NMR spectroscopic-based metabonomic studies of urinary metabolite variation in acclimatizing germ-free rats[J]. Chem Res Toxicol, 2003, 16(11): 1395-1404.

[22] WANG Yulan, TANG Huiru, NICHOLSON J K, et al. A metabonomic strategy for the detection of the metabolic effects of chamomile (Matricaria recutita L.) ingestion[J]. J Agric Food Chem, 2005, 53(2): 191-196.

[23] HE Qinghua, KONG Xiangfeng, WU Guoyao, et al. Metabolomic analysis of the response of growing pigs to dietary L-arginine supplementation[J].Amino Acids, 2009, 37(1): 199-208.

[24] NOGUCHI Y, SAKAI R, KIMURA T. Metabolomics and its potential for assessment of adequacy and safety of amino acid intake[J]. J Nutr,2003, 133(6): S2097-S2100.

[25] LEGIDO-QUIGLEY C, STELLA C, PEREZ-JIMENEZ F, et al. Liquid chromatography-mass spectrometry methods for urinary biomarker detection in metabonomic studies with application to nutritional studies[J]. Biomed Chromatogr, 2010, 24(7): 737-743.

[26] MATSUZAKI K, KATO H, SAKAI R, et al. Transcriptomics and metabolomics of dietary leucine excess[J]. J Nutr, 2005, 135(6): S1571-S1575.

[27] HOLMES E, LOO R L, STAMLER J, et al. Human metabolic phenotype diversity and its association with diet and blood pressure[J]. Nature,2008, 453(7193): 396-400.

[28] ZHANG Xiuying, WANG Yulan, HAO Fuhua, et al. Human serum metabonomic analysis reveals progression axes for glucose intolerance and insulin resistance statuses[J]. J Proteome Res, 2009, 8(11): 5188-5195.

[29] CONSTANTINOU M A, PAPAKONSTANTINOU E, SPRAUL M, et al.1H NMR-based metabonomics for the diagnosis of inborn errors of metabolism in urine[J]. Anal Chim Acta, 2005, 542(2): 169-177.

[30] CONNOR S C, HANSEN M K, CORNER A, et al. Integration of metabolomics and transcriptomics data to aid biomarker discovery in type 2 diabetes[J]. Mol Biosyst, 2010, 6(5): 909-921.

[31] LI Houkai, XIE Zuoquan, LIN Jingchao, et al. Transcriptomic and metabonomic profiling of obesity-prone and obesity-resistant rats under high fat diet[J]. J Proteome Res, 2008, 7(11): 4775-4783.

Applications of Metabolomics in Nutrition Research: A Review

HE Qing-hua，REN Ping-ping，WANG Yu-lan*
(State Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and Molecular Physics, Wuhan Institute of Physics and Mathematics,Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

Metabolomics can quantitatively evaluate subtle dynamic change of metabolic pathways in organisms resulting from external stimuli including diets, living habits, bioactive substances and intestinal flora. It also provides a promising strategy to explore personalized nutrition, nutritional diseases and nutritional epidemiology. Therefore, metabolomics has been widely applied to nutrition research. In this article, metabolomic applications in nutrition research is briefly reviewed.

metabolomics；nutrition；metabolism；health；disease

R151

A

1002-6630(2011)05-0317-04

2010-07-21

国家“973”计划项目(2009CB118804)；中国博士后科学基金资助项目(20090460999)

何庆华(1980—)，男，讲师，博士，研究方向为营养与代谢组学。E-mail：heqinghua2005@gmail.com

*通信作者：王玉兰(1964—)，女，研究员，博士，研究方向为代谢组学。E-mail：yulan.wang@wipm.ac.cn