科研 | Circulation：社区中年成年人急性运动反应的代谢结构
编译：飞檐走壁，编辑：Emma、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
尽管经常进行运动锻炼与降低心血管疾病（CVD）和死亡率的风险有关，但运动介导的健康益处的机制仍不清楚。在急性运动之前和之后，本文使用了代谢物图谱来描述人类运动反应模式的代谢结构。通过对弗雷明汉心脏研究中心（FHS）的参与者在静息运动和高峰运动时抽取血液，进行了心肺运动测试（CPET）和代谢物谱分析。结果观察到从静止到运动高峰中588种测定代谢物中的502种循环水平的变化，包括与胰岛素抵抗有关的代谢产物减少，以及与脂解、一氧化氮生物利用度和脂肪褐变有关的代谢产物增加，以及其他与心脏代谢风险相关的途径。在一个单独的FHS复制样本中分析了177种代谢产物，并在5％FDR下观察到164种代谢产物的一致变化。运动引起的代谢物变化与运动量（峰值工作量）、性别和体重指数（BMI）有不同的相关性。尽管运动量较少，但BMI较高的人某些代谢产物的有利偏移减少，而某些心脏保护性代谢产物的偏移较大。运动前不同的代谢产物水平与健身的不同生理维度有关（例如，换气效率，运动血压，VO2峰值）。总之，在大量社区居民个体中，急性运动引起循环代谢组的广泛变化。代谢变化确定了心脏代谢健康、CVD和长期预后的关键途径。这些发现提供了人类对急性运动的代谢反应的详细图谱，并确定了运动有益的心脏代谢作用的潜在机制，以供将来研究。
论文ID
实验设计
为了更好地了解急性运动如何影响人体代谢组，在411名接受心肺运动的社区居民中，运动约12分钟前后，测量了588种循环代谢产物的水平，并在单独的样本中重复了关键发现。超过80％的循环代谢物发生了显著变化，包括以前与心脏代谢结果相关的许多代谢物发生了有利变化。同时观察到静息代谢物与CPET捕获的生理运动反应之间存在明显的关联，而多维运动反应的代谢物特征在单独的样本中与死亡风险相关。这项研究观察到与胰岛素抵抗、肥胖、脂解、氧化应激、炎症、血管反应性和寿命有关的代谢产物循环水平的有利运动变化，同时在健康状况中观察到的有利变化变钝。这些发现详细描述了急性运动的代谢作用，将特定的代谢途径与运动反应变量和长期健康结果联系起来，并聚焦于未来运动反应中涉及的代谢途径研究。
实验结果
1.研究样本的特征
Gen3研究参与者的平均样本年龄为53±8岁，女性为63％，高血压为19％，正在接受降脂药物治疗的患者为19％，糖尿病为8％（表2）。复制样本中的Gen3参与者表现出相似的特征，女性比例略低。来自Gen2的参与者年龄相似（平均年龄55±10岁），其中女性占51％，与Gen3参与者的危险因素负担相当（表2）。
表1 心肺运动测试变量
平均运动时间为11.9±2.1分钟，峰值呼吸交换比（RER）为1.20±0.09，与运动中的最大意志力一致。与预测值相比，平均运动能力得到相对保留（表2）。表1列出了所测量的运动变量，其生理和预后的相关性以及先前为这些测量确定的异常阈值和性别特异性值，如表3所示。
表2 研究样本的特征
表3 Gen3（衍生）研究样本的运动特征
2.急性运动暴露下代谢组的广泛变化
图1.循环代谢组对急性运动的反应
图1显示了运动中循环代谢产物的变化幅度。我们观察到被测定的代谢组中有588种代谢产物中的502种发生了广泛的偏移（85％）证明了运动引起的统计学上的显着变化。在仅限于RER≥1.1峰值的365个人的敏感性分析中，我们观察到了研究结果的一致性。
表4对运动的代谢反应
运动引起的代谢物变化代表了多种生物途径，代谢物的数量大致相等（表4）。代谢中间产物的增加反映出厌氧和有氧呼吸的增强，与峰值努力运动相一致：（1）循环乳酸增加了246％（无氧呼吸）；（2）克雷布斯循环时间跨度增加了2个中间体（琥珀酸，81％增加；富马酸酯，增加61％，有氧呼吸）；（3）反映糖酵解通量的代谢物水平变化（丙酮酸盐，增加75％；3-磷酸甘油酯，减少31％）；（4）中链酰基肉碱普遍增加（线粒体脂肪酸氧化）；（5）泛酸增加54％，反映出辅酶A的生物利用度和克雷布斯循环活性增加。一次不连续的运动也导致了代谢产物循环水平的方向性有利变化，而这些代谢产物的静息水平以前曾与心脏代谢疾病有关（表4）。我们观察到运动后与胰岛素抵抗和过度肥胖相关的代谢物发生了有利变化，例如：谷氨酸减少29％，其水平较高与内脏脂肪、糖尿病和高血压有关；与糖尿病和CVD相关的支链氨基酸（BCAA）减少2-9％；与肝脂肪变性和糖尿病有关的二甲基胍基新戊酸（DMGV）降低18％；与低碳和双键数量有关的TAG减少27与糖尿病风险有关；与涉及的胆汁酸减少有关在脂肪组织代谢和食欲刺激中的作用。还观察到与心脏代谢风险呈负相关的代谢产物增加：
精氨酸/鸟氨酸+瓜氨酸代表较高水平的一氧化氮生物利用度；1-甲基烟酰胺增加33％，这与脂肪分解有关；26％的12,13-diHOME增加，一种棕色脂肪组织来源的脂肪因子，与骨骼肌脂肪酸代谢有关。
如先前的研究所示，代表与氧化应激和炎症相关的途径的代谢物响应急性运动的生理应激表现出不同的活动方向。我们观察到与炎症相关的几种代谢物的减少，胱氨酸（氧化的半胱氨酸），尿囊素及其比例减少，而犬尿氨酸降低，这与促炎状态有关。相反，随着运动，13-羟基十八碳二烯酸（13-HODE）和花生四烯酸盐（均与氧化应激，炎症及其反调节有关）的水平增加。
在衍生队列中从HILIC阳性平台检测到的FDR浓度为5％的177种代谢产物进行了测量，并且在复制队列中进行同样的检测，我们观察到在运动诱导的代谢产物变化方向上一致的信号有164种。
3.计算机途径分析
过滤因运动（在5％FDR下）和指定的HMDB标识符而显著变化的代谢物时，在HILIC平台中产生了251种代谢物，在C8平台中产生了173种代谢物，在C18平台中产生了58种代谢物。使用MetaboAnalystR进行化合物-基因作图，分析了251种HILIC代谢物中的106种定位到2141个基因，173个C8代谢物中的4个映射到7个基因，58个C18代谢物中的16个映射到291个基因。然后将来自这些作图的基因用于进行富集分析。顶部途径分析结果显示为点图。我们观察到与氨基酸代谢、过氧化物酶体增殖物激活的受体信号传导、类花生酸和前列腺素代谢、胰岛素信号传导、血管生成素样蛋白调节以及脑源性神经营养因子信号传导有关的途径的富集，所有这些都与心血管疾病和代谢性疾病有关。
4.代谢物随运动变化的决定因素
为了评估代谢物与运动的变化与临床变量（年龄，性别和BMI）以及所进行的运动量（实现的工作量）之间的关系，我们指定了多变量调整的线性回归模型。正如预期的那样，我们观察到参与糖酵解和厌氧代谢的代谢产物（例如乳酸、丙酮酸、富马酸酯）的增加与运动量增加有关。相比之下，运动引起的许多代谢物的变化与胰岛素敏感性增加，一氧化氮的生物利用度增加以及循环脂质组的有利变化均与进行的运动量无关。
图2.急性运动的代谢结构
我们观察到了运动引起的BMI和性别对几种代谢物变化的显著异质性。例如，DMGV（与肝脂肪变性相关的较高水平）随着运动而降低，与BMI相关的下降幅度也很大，因此，BMI较高的人运动后DMGV的下降幅度较小（图2a）。这些发现表明，对于某些对心脏代谢健康重要的途径，BMI较高的人，运动后代谢“可塑性”可能降低。我们还观察到了不同性别对运动的代谢反应，与厌氧代谢相关的代谢产物（例如丙酮酸，乳酸）的偏移更高，男性的肌肉质量更大，但是参与心脏代谢健康的某些代谢产物的有利变化却更大（例如，体内代谢的减少）。妇女的DMGV和促炎性色氨酸-犬尿氨酸代谢产物，十六烷二酸酯和油酰甘氨酸含量增加（图2b）。在考虑了多变量中的其他变量之后在模型中，只有少量代谢物（n = 3：山梨糖醇，C10：2酰基肉碱，C14：2酰基肉碱）的偏移与年龄显着相关。
5.与静止代谢组有关的运动反应
图3.休息期间代谢产物的分布与运动过程中的多维生理测量值存在差异
在年龄和性别校正的模型中，静息血液代谢产物水平与一种或多种通过CPET测量的运动反应模式明显相关（图3）。这些发现在针对临床因素进行了进一步调整的模型中基本一致，这些模型包括静息收缩期血压、糖尿病、高血压治疗状态、吸烟和普遍的CVD。如图所示，我们着眼于独特的代谢物关联模式，并具有三种补充运动措施：总体有氧能力（峰值VO2），全身血管功能（平均动脉压为75瓦特）和运动期间右心肺血管功能（VE/VCO2）在图3d中。不出所料，鉴于其依赖于中央心脏和周围因素，峰值VO2与最大数量的代谢产物相关（图3a-c）。我们观察到较低的VO2峰值和较高水平的代谢物之间的关联，这些代谢物反映了周围肌肉和脂肪代谢受损（DMGV、1-甲基烟酰胺、2-氨基己二酸酯），胰岛素抵抗（BCAA），与氧化应激相关的嘌呤降解（次黄嘌呤，尿酸盐）以及更大的关联性在休息（乳酸）状态下依赖厌氧代谢。
亚最大运动血压反应与明显的静息性高血压和CVD的未来发展有关，但尚未建立这些关联的代谢途径。在调整了静息血压的模型中，几种缩醛磷脂的血浆水平与运动血压呈负相关（图3d）。血浆内源性激素，作为内源性抗氧化剂并产生血管活性介质，在明显的高血压和血管疾病中较低，但以前与运动血压反应无关。我们还观察到75瓦特MAP与先前与静息血压相关的几种氨基酸和氨基酸衍生物的关联（谷氨酸–与较高的运动MAP相关，而天冬酰胺和甘氨酸与较低的MAP相关）。大量的三酰基甘油（TAG）与运动MAP相关具有较低碳原子数和双键含量的TAG具有直接关联，而具有较高碳原子数和双键含量的TAG具有反向关联。
在明显的肺动脉高压患者中，通气效率（VE/VCO2）反映出运动过程中的肺通气-灌注匹配，与肺血管阻力成比例地升高，并且对肺血管扩张疗法的响应降低。VE/VCO2与长链酰基肉碱（在肺动脉高压中升高）以及16-羟基棕榈酸酯（在已知的肺高血压脂肪酸β-氧化特性受损的情况下升高）中独特地相关。β-羟基丁酸酯也与VE/VCO2有关，并且最近显示在明显的肺动脉高压中升高。在这项研究中，与VE/VCO2相关的其他游离脂肪酸（例如十二酸，二十碳三烯酸酯，十六碳二酸酯）以前与肺血管功能无关。
6.综合运动反应的代谢物特征与长期存活率相关
图4.代谢物与综合运动反应的相关性
我们接下来试图利用表1中描述的八种CPET指标得出数据，以综合运动反应的静息代谢物特征。CCA用于创建代谢物和CPET“分数”，可用于定义多维运动数据的代谢物特征。图4a显示了前四个代谢物变量与每个CPET变量的相关性。代谢物变量1与较低的VO2峰值，较高的次最大运动血压和运动后O2恢复动力学延迟密切相关。代谢物变量2与良好的O2吸收动力学（较高的VO2峰值，有氧效率，O2脉冲）和较低的75瓦特平均动脉压相关。代谢物变量3与较低的VE/VCO2相关，而代谢物变量4与较高的峰值心率相关。与每个典型变量最相关的代谢产物如图4b所示。
然后，我们评估了代谢物“变量评分”与长期结果的关联（图4c）。在中位随访时间23.1年（限制为0.1-27.3年）中，有2,045人死亡702例死亡。在对年龄、性别和BMI进行调整的分析中，代谢物的变化分别为1、2和4个与死亡率有关；在进一步调整CVD危险因素后，变量2和4仍具有统计学意义（图4c）。在1996年基线无CVD的个体中，在22.7年（限度0.1-27.3）年的中位随访期间发生了489次CVD事件。变量1在年龄，性别和BMI校正模型中与较高的CVD风险相关，在进一步多变量校正后相关性减弱。
结论
总之，急性运动对循环代谢组有特异的、广泛的影响，其中许多与有利的健康机制有关。运动的代谢反应不一定只与所从事的工作有关，而可能会受到包括性别和肥胖症在内的关键临床特征的调节。这些结果不仅提供了有关人类急性运动的代谢结构的详细资源，而且还指出了与预后相关的，运动介导的代谢适应的特定途径，为未来的机制研究和干预提供了新途径。