Cell 封面：跑步等急性有氧运动如何从分子层面对人体进行调控？
有氧运动不仅可以提高人体免疫力，改善心血管和身心健康，还可以为一些疾病提供早期诊断信号，同时，急性有氧运动能够诱发分子层面的复杂反应，包括急性炎症反应和代谢通路的变化。那么急性有氧运动在分子层面对人体产生了怎样的影响呢？
Cell 5 月 28 日的封面发表了迄今为止关于个体化运动测试最全面的分子研究。斯坦福大学 W.Ascherman 医学博士、FACS 遗传学教授和临床医学教授 Michael Snyder 是这项研究的共同作者之一。
（来源：Cell）
科学家们认为，这项研究能够让人们借助简单的血液测试来确定自身的健康状况。斯坦福大学遗传学系代谢组学和脂质组学主任 Kévin Contrepois 博士说：“这给了我们一个想法，我们可以开发一种测试来预测某人的健康水平。有氧健身是衡量寿命的最佳指标之一，如果一项简单的血液测试可以提供这方面的信息，那么这将为对个人健康监测带来巨大的价值。”
急性健身运动如何调控人体健康？
“每个人都知道运动的好处，但我们仍然不知道运动在分子水平层面起到了哪些推动作用”，遗传学教授兼主席 Michael Snyder 博士表示，“这让我们一开始的目标就是对刚锻炼完的身体进行高度全面的分析。”
传统的心肺运动测试会通过志愿者戴着的氧气面罩来测量最大摄氧量（VO2 max），也就是一个人在剧烈运动时的最大耗氧量。这是有氧运动能力的一个重要指标，也是医学上评估健康的金标准。但 Snyder 和他的团队需要更多的细节，特别是了解运动在分子水平上引发变化的方式。
因此，研究小组追踪了一系列生物过程的分子标记，如新陈代谢、免疫、氧化应激和心血管功能。研究人员招募了 36 名隔夜禁食的自愿者，年龄在 40~75 岁之间，让他们根据自己的运动能力在跑步机上进行 10-15 分钟的有氧运动，再分别于运动后的 2min，15min，30min 和 1 小时抽血取样，其中 15 名志愿者在运动实验后第二天也提供了隔夜禁食血样，用于充当偏差对照组。
紧接着，研究小组对所采血样进行了多组学纵向研究 (multi-omics longitudinal study)，包括基于血浆的蛋白组学、代谢组学、脂质组学和基于外周血单个核细胞（peripheral blood mononuclear cells，PMBCs）的转录组学研究。最终的数据包含 17,662 分析物，包括 15,855 个转录子，260 个来自于非靶标分析的蛋白质，109 个靶标蛋白质，728 个鉴定代谢物和 710 个脂质物。研究作者指出，这是迄今为止关于个体化运动测试最全面的分子研究。此外，研究小组还发现，身体最健康的部分参与者在运动前采集的静息血液样本中有相似的分子特征。
Snyder 教授说：“这些测量能让我们描述剧烈运动后人体内所发生的分子调控。我们都知道运动会引起一系列生理反应，如炎症、新陈代谢和激素波动，测量所得的大量细节信息能够描述这些变化。”
这样一个涵盖面非常广泛的数据主要用于阐明以下几个问题：（1）急性有氧运动在分子和代谢通路层面对于人体的影响；（2）决定并预测最大摄氧量相关的分子；（3）预测模型突出了健康的静息血液生物标志物；（4）分析运动对于胰岛素抵抗人群的不同的分子反应。
图丨实验流程示意图（来源：上述论文）
结果发现，在运动后的前两分钟，志愿者的体内会经历一系列强烈的分子活动。绝大多数参与者的炎症、组织愈合和氧化应激（新陈代谢的自然副产品）的分子标记物在结束跑步不久后开始急剧增加。Snyder 教授表示，代谢的分子标记是多种多样的，运动结束 2 分钟后，血液样本测量数据显示人体正在代谢某些氨基酸以获取能量，但运动结束大约 15 分钟时，身体转为代谢葡萄糖获取能量。“人体分解糖原（葡萄糖的储存形式）的过程是运动后恢复反应的一部分，因此（糖代谢分子标记物）峰值出现得稍晚。” 研究作者解释称，“所以我们在运动结束后期会才看到这种现象。”
图丨短暂的剧烈有氧运动后，涉及不同生物学过程的数千种分子发生了变化（来源：上述论文）
同时，脂肪酸氧化的结果显示，在短短几分钟的剧烈运动结束后，身体正在快速 “燃脂”。
胰岛素抵抗病人的分子反应差异研究
由于本次研究中所招募的志愿者中胰岛素抵抗病人占有一定的比例，因此研究团队还比较了胰岛素抵抗志愿者与健康志愿者之间的分子反应差异，胰岛素抵抗则意味着志愿者无法正常处理葡萄糖。“我们看到的主要区别是，胰岛素抵抗志愿者在运动后的免疫应答反应减弱。”Snyder 教授解释称，“例如，我们观察到胰岛素抵抗志愿者氧化自由脂肪酸、产生和恢复能量至平衡状态的效率明显降低，也观察到其谷氨酸盐代谢水平与健康的志愿者之间存在显著不同（谷氨酸盐代谢与冠心病相关）。”
图丨胰岛素抵抗患者对急性运动的不同反应
（来源：上述论文）
研究人员还注意到，最大摄氧量较高的参与者，其运动前血样中的一组分子（包括免疫、新陈代谢和肌肉活动的标记物等）与其有氧运动能力相关。“在这一点上，我们还不能完全解释标记物之间存在的联系、以及它们是如何影响体能的，我们希望在未来的研究中解开这些疑问。”Snyder 教授表示。
但是，本次研究也存在有一定的局限性，比如研究群体相对较小、一部分志愿者年龄较大等。对于未来的应用方向，研究人员称，他们已经在开发一种算法，从数千种分子中选出与最大摄氧量结果高度相关的子集，随着研究人员对测试过程的不断优化，希望未来能为人们提供一种更快、更便宜、更方便的检测方法，以客观预测一个人的健康水平。
参考：
https://sci-hub.tw/10.1016/j.cell.2020.04.043
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200528115826.htm
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