科研动态｜血浆甘油磷脂谱、红细胞n-3 PUFAs和代谢综合征发病风险的前瞻性研究
VOICE OF NUTRITION
科研动态·Vol. 51
林旭
Xu Lin
林旭，中国科学院上海营养与健康研究所，研究组长，博导，中国科学院特聘研究员；国科大杭州高等研究院生命与健康科学学院，双聘教授；中国营养学会常务理事，中国营养学会基础营养学分会主任委员; Nutrition & Metabolism（Springer Nature，IF=3.21）共同主编。主持了863计划重点项目“2型糖尿病的全基因组关联分析（GWAS）和药物基因组研究”，国家自然科学基金重点项目“基因与环境因素相互作用对2型糖尿病发病的影响研究”，科技部十三五“精准医学研究”代谢性疾病重点专项等。目前为中国科学院战略性先导科技专项的项目负责人。建立了具有国际先进水平的6年追踪的多组学流行病学队列，开展了10多个干预研究。目前已有约100篇SCI论文发表在包括Circulation、JACC、Diabetes、Diabetes Care、Am J Clin Nutr、Nature等国际顶级和权威期刊上（80%以上为通讯或共同通讯作者），连续7年（2014-2020）被Elsevier列为中国高被引学者。获得上海市领军人才，2012和2016年度中国糖尿病十大研究-最具影响力研究奖，中国营养学会“杰出贡献奖”，享受国务院特殊津贴。
引言
代谢综合征（MetS）并不是一种单一疾病，而是心血管代谢疾病危险因素的合集，其中包括腹型肥胖、血脂异常、高血糖和高血压等 [1]，MetS影响着全球约四分之一的人口[2]，并且使心血管疾病（CVD）和2型糖尿病（T2D）的患病风险增加2-5倍[3]。虽然其潜在的生理病理机制尚不清晰，但是目前国际公认，健康的膳食和生活方式是预防和控制MetS的有效策略[4]。近年来，代谢组学包括脂质组学的发展，为识别疾病的早期生物标志物，解析代谢紊乱的潜在生理病理机制提供了契机，这将有助于建立更为精准有效的预防举措，从而遏制心血管代谢性疾病的进一步流行。甘油磷脂（GPs）作为哺乳动物细胞膜中含量最丰富的磷脂，在多种心血管代谢疾病的发病过程中发挥着重要的作用[5]，因此，可能作为未来疾病诊断及干预的早期生物标志物或干预靶点。迄今为止，脂质组学已鉴定出数百种具有特定分子结构和生理功能的GP。GP具有1个甘油骨架，其sn-1和sn-2位置分别结合了一个脂肪酸分子，sn-3位置通过磷酸分子结合了一个头部基团，进而形成了磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）和磷脂酰丝氨酸（PS）等多种亚类。早期的动物研究提示，PC、PE含量及其比例的紊乱与MetS的相关表型如血脂异常[6, 7]、肥胖[8]和胰岛素抵抗[9]等相关。大量的人群前瞻性队列研究也表明PC、PE的紊乱与T2D[10-12]和CVD[13-16]的患病风险有关。然而，目前有关GP与代谢综合征的研究仍十分匮乏，集中在横断面研究，且研究结论不一致[17-19]。值得一提的是，饮食因素如富含n-3多不饱和脂肪酸（PUFA）的海鱼被发现可增加具有长链PUFA（LCPUFA）或极长链PUFA（VLCPUFA）的PC和PE的的浓度[20, 21]，并且有报道称n-3 PUFA或鱼类的摄入能降低MetS的风险，特别是有助于改善甘油三酯和高密度脂蛋白胆固醇的浓度 [22, 23]。然而，目前尚不清楚n-3 PUFA或鱼类摄入水平对GP和MetS发病风险间关联关系的影响。因此，亟需在前瞻性队列研究中探究不同种类的GP与MetS发病风险间的关系，并分析膳食因素如鱼类及其长期摄入的生物标志物——红细胞膜n-3 PUFA等对该关联关系的影响。
最新发现
2021年4月9日中国科学院上海营养与健康研究所林旭研究员团队与中国科学院分子细胞科学卓越创新中心曾嵘研究员团队合作，在营养流行病学权威期刊《American Journal of Clinical Nutrition》上发表了关于在中国人群中血浆甘油磷脂谱、红细胞膜n-3 PUFA和代谢综合征发病风险关系的前瞻性队列研究。该研究发现，较高浓度的血浆GP，尤其是在sn-2位置含有LCPUFA或VLCPUFA的PE与MetS发病风险的增加显著相关 [24]。
研究设计
本研究基于中国老龄人口营养与健康状况调查（NHAPC）。该研究于2005年在北京和上海城乡招募了3289名年龄在50-70岁的社区常驻居民。2011年，其中的2529名志愿者完成了为期6年的追踪随访。在基线和随访调查时，卫生专业人员使用标准化问卷收集了研究对象的人口统计学、健康状况、生活方式、膳食摄入以及疾病史等信息。若志愿者的父母或兄弟姐妹患有冠状动脉疾病、中风、高血压或糖尿病，则将其定义为有慢性疾病家族史。采用含有74种食物的膳食频率问卷调查收集了研究对象在过去一年内特定食物的摄入频率及摄入量，且所有食物（克/天）被汇总成21个食物组，用于后续分析。在调查对象禁食8小时后，采用规范化的操作流程对其进行了体格检查，包括身高、体重、腰围和血压等；同时采集了志愿者的空腹静脉血样，并检测了其血糖、糖化血红蛋白（HbA1c）、胰岛素、总胆固醇、HDL胆固醇、LDL胆固醇、甘油三酯和γ -谷氨酰转肽酶（GGT）等生化指标。在2529名成功完成随访的研究对象中，排除没有脂质组学的数据（n= 281），基线患有MetS（n = 934），总能量摄入异常（男性<800或> 4000千卡/天，女性<500或> 3500千卡/天）（n = 71）的志愿者，最后共有1243名研究对象纳入了本研究。运用高效靶向液相色谱-电喷雾串联质谱方法对基线血浆脂质组进行了定量检测（651种脂质）。在排除了缺失率>20%和/或变异系数（CV）>25%的脂质后，共有145种GP（10种溶血磷脂酰胆碱，52种PC，44种PE，12种烷基磷脂酰乙醇胺，24种烯基磷脂酰乙醇胺和3种PS）纳入了当前的分析。具有3个或以上的如下特征的研究对象被定义为患有MetS：1)男性腰围≥90厘米或女性腰围≥80厘米；2)甘油三酯≥1.7 mmol/L；3) HDL胆固醇男性≤1.03 mmol/L，女性≤1.30 mmol/L；4)血压≥130/85 mmHg或正在服用降压药；5)空腹血糖≥5.6 mmol/L或正在口服降糖药（或胰岛素）或曾经被诊断为T2D。采用Mann-Whitney U检验（连续偏态分布变量）、t检验（连续正态分布变量）或c2检验（分类变量）比较新发MetS患者与未患病的研究对象的基线特征差异。分析的首要结局是MetS，次要结局是MetS的组分（中心性肥胖，甘油三酯升高，高密度脂蛋白胆固醇降低，血压升高和空腹血糖升高）。此外，该研究在校正年龄（年）、性别、地区（北方、南方）和居住地（城市、农村）后，计算了GP之间、及其与代谢表型、红细胞膜脂肪酸及食物组间的Spearman相关系数rs。再者，由于该队列中研究对象MetS的发病率较高（34.5%），因此研究者使用对数-泊松模型来估计MetS发病的相对风险率（RR），并根据基线年龄（<60或≥60）、性别（男性或女性）、地区（北京或上海）、居住地（城市或农村）、体力活动（低、中、高）、BMI（<24或≥24）、红细胞膜脂肪酸浓度（低于/等于或高于中位数）等进行了分层分析。通过加权基因表达网络分析（WGCNA），构建了特异性模块和代谢物网络。
研究结果
在6年随访期间，1243名纳入分析的调查对象中有429人（34.5%）发展为MetS患者。与未患病的调查对象相比，新发MetS病例中的女性、城市居民、不饮酒、不吸烟、具有慢性疾病家族史且服用降脂药的比例均较高。此外，他们也具有较高水平的体质指数（BMI）、腰围、血压、甘油三酯、总胆固醇、LDL胆固醇、空腹胰岛素和胰岛素抵抗指数（HOMA-IR），较低水平的基线HDL胆固醇。
在校正了生活方式和BMI等协变量后，PE和PS亚类能显著增加6年后MetS的发病风险[浓度每增加1个SD, RR（95% CI）分别为1.15（1.06-1.25）和1.22（1.12-1.32）；所有的PBonferroni < 0.05。尽管PC亚类与MetS发病风险间的相关性不显著，PC与PE间比例与MetS发病风险间呈显著负相关（每增加1个SD, RR: 0.85; 95% CI: 0.78, 0.93; PBonferroni < 0.05）。当分析单个代谢物分子时，在校正了人口统计学、社会经济和生活方式等混杂因素以及Bonferroni多重校正后， 21种GP分子与MetS发病风险间存在显著相关性；进一步控制BMI后减弱了其中大部分的相关性，然而，仍有11种GP分子与MetS发病风险间的正相关性依然显著，这些GP分子主要是sn-2位置含有LCPUFA或VLCPUFA，sn-1位置含有饱和脂肪酸（SFA）的PC或PE，包括PC（18:0/22:6）、PE（16:0/22:6）、PE（18:0/14:0）、PE（18:0/18:1）、PE（18:0/18:2）、PE（18:0/20:3）、PE（18:0/22:5）、PE（18:0/22:6）、PE（18:1/22:6）、PE（18:2/22:6）和PS（18:0/18:0）。进一步校正基线MetS组分大大削弱了这些正相关性，但其中的6种依然显著相关（PBonferroni < 0.05）。
研究者进一步分析21种食物组和11种与MetS显著相关的GP分子间的相关性时发现，鱼类摄入量与这些GP间的相关性最强，特别是sn-2位置含有C22:6的GP（0.10≤|rs|≤0.13）。同时，鱼类及其他含n-3 PUFA的食物长期摄入的生物标记物—红细胞膜总n-3 PUFA的浓度也与这些GP间存在显著正相关性（0.16≤|rs|≤0.38）。此外，根据总n-3 PUFA浓度的中位数作为分界点进行分层分析发现，与总n-3 PUFA浓度较高的志愿者相比，总n-3 PUFA浓度较低的志愿者中GP和MetS发病风险间的正相关性更为显著（Pinter <0.05），但在Bonferroni多重校正后，仅有n-3 PUFA与PE（18:1/22:6）间的交互作用依然显著。有趣的是，鱼类摄入水平对GP与MetS间的关联关系也呈现出类似的影响 [PC（18:0/22:6）, PE（18:0/22:6）和PS（18:0/18:0）的Pinter <0.05]，但在Bonferroni多重校正后交互作用不再显著。
WGCNA基于基线145种GP共构建了7个网络模块，每个子网络模块均由同一亚类且具有类似酰基链长度和双键数目的GP分子构成。其中，红色模块（主要由sn-2位置带有C22:6酰基链的PE以及PS组成）与MetS发病风险间的正相关性最强；进一步校正基线MetS组分后，该关联关系依然显著；但进一步控制基线甘油三酯后，这种关联关系消失了。此外，由PE组成的蓝色模块也与MetS发病风险间呈显著正相关。
研究意义
该研究首次识别了11种具有特定结构的GP分子，可能作为MetS早期诊断及精准干预的潜在生物标记物，从而为MetS的精准防治提供了新的思路和科学依据。
本研究的局限性
该研究中使用的检测方法不能测量包括磷脂酰肌醇在内的多种含量较低的GP，而这些脂质分子可能在MetS的发病中发挥了重要作用。
该研究的研究对象是中国中老年人群，因此相关研究结果可能不能推广到其他年龄和种族的人群中。
由于缺乏每年代谢综合征的发病信息，无法排除前两年随访期间的新发MetS患者，因而，无法完全排除反向因果关系的可能性。
由于脂质代谢物间的高度相关性，11种与MetS相关的GP可能仅仅反映了几种信号间的集体效应。
尽管在具有不同生活方式和环境暴露的北京和上海两个亚人群中进行了分层分析，且研究结果依然保持一致，但尚缺乏独立队列研究的验证。
参考文献
[1]. Saklayen MG. The Global Epidemic of the Metabolic Syndrome. Curr Hypertens Rep 2018;20(2):12. doi: 10.1007/s11906-018-0812-z.
[2]. Eckel RH, Grundy SM, Zimmet PZ. The metabolic syndrome. Lancet 2005;365(9468):1415-28. doi: 10.1016/S0140-6736(05)66378-7.
[3]. Cornier MA, Dabelea D, Hernandez TL, Lindstrom RC, Steig AJ, Stob NR, Van Pelt RE, Wang H, Eckel RH. The metabolic syndrome. Endocr Rev 2008;29(7):777-822. doi: 10.1210/er.2008-0024.
[4]. Pérez-Martínez P, Mikhailidis DP, Athyros VG, Bullo M, Couture P, Covas MI, de Koning L, Delgado-Lista J, Díaz-López A, Drevon CA, et al. Lifestyle recommendations for the prevention and management of metabolic syndrome: an international panel recommendation. Nutr Rev 2017;75(5):307-26. doi: 10.1093/nutrit/nux014.
[5]. van der Veen JN, Kennelly JP, Wan S, Vance JE, Vance DE, Jacobs RL. The critical role of phosphatidylcholine and phosphatidylethanolamine metabolism in health and disease. Biochim Biophys Acta Biomembr 2017;1859(9 Pt B):1558-72. doi: 10.1016/j.bbamem.2017.04.006.
[6]. Singh RK, Fullerton MD, Vine D, Bakovic M. Mechanism of hypertriglyceridemia in CTP:phosphoethanolamine cytidylyltransferase-deficient mice. J Lipid Res 2012;53(9):1811-22. doi: 10.1194/jlr.M021881.
[7]. Gréchez-Cassiau A, Feillet C, Guérin S, Delaunay F. The hepatic circadian clock regulates the choline kinase alpha gene through the BMAL1-REV-ERBalpha axis. Chronobiol Int 2015;32(6):774-84. doi: 10.3109/07420528.2015.1046601.
[8]. Jacobs RL, Zhao Y, Koonen DP, Sletten T, Su B, Lingrell S, Cao G, Peake DA, Kuo MS, Proctor SD, et al. Impaired de novo choline synthesis explains why phosphatidylethanolamine N-methyltransferase-deficient mice are protected from diet-induced obesity. J Biol Chem 2010;285(29):22403-13. doi: 10.1074/jbc.M110.108514.
[9]. Raubenheimer PJ, Nyirenda MJ, Walker BR. A choline-deficient diet exacerbates fatty liver but attenuates insulin resistance and glucose intolerance in mice fed a high-fat diet. Diabetes 2006;55(7):2015-20. doi: 10.2337/db06-0097.
[10].Merino J, Leong A, Liu CT, Porneala B, Walford GA, von Grotthuss M, Wang TJ, Flannick J, Dupuis J, Levy D, et al. Metabolomics insights into early type 2 diabetes pathogenesis and detection in individuals with normal fasting glucose. Diabetologia 2018;61(6):1315-24. doi: 10.1007/s00125-018-4599-x.
[11]. Razquin C, Toledo E, Clish CB, Ruiz-Canela M, Dennis C, Corella D, Papandreou C, Ros E, Estruch R, Guasch-Ferre M, et al. Plasma Lipidomic Profiling and Risk of Type 2 Diabetes in the PREDIMED Trial. Diabetes Care 2018;41(12):2617-24. doi: 10.2337/dc18-0840.
[12]. Shi L, Brunius C, Lehtonen M, Auriola S, Bergdahl IA, Rolandsson O, Hanhineva K, Landberg R. Plasma metabolites associated with type 2 diabetes in a Swedish population: a case-control study nested in a prospective cohort. Diabetologia 2018;61(4):849-61. doi: 10.1007/s00125-017-4521-y.
[13]. Razquin C, Liang L, Toledo E, Clish CB, Ruiz-Canela M, Zheng Y, Wang DD, Corella D, Castaner O, Ros E, et al. Plasma lipidome patterns associated with cardiovascular risk in the PREDIMED trial: A case-cohort study. Int J Cardiol 2018;253:126-32. doi: 10.1016/j.ijcard.2017.10.026.
[14]. Stegemann C, Pechlaner R, Willeit P, Langley SR, Mangino M, Mayr U, Menni C, Moayyeri A, Santer P, Rungger G, et al. Lipidomics profiling and risk of cardiovascular disease in the prospective population-based Bruneck study. Circulation 2014;129(18):1821-31. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.113.002500.
[15]. Toledo E, Wang DD, Ruiz-Canela M, Clish CB, Razquin C, Zheng Y, Guasch-Ferré M, Hruby A, Corella D, Gómez-Gracia E, et al. Plasma lipidomic profiles and cardiovascular events in a randomized intervention trial with the Mediterranean diet. Am J Clin Nutr 2017;106(4):973-83. doi: 10.3945/ajcn.116.151159.
[16]. Alshehry ZH, Mundra PA, Barlow CK, Mellett NA, Wong G, McConville MJ, Simes J, Tonkin AM, Sullivan DR, Barnes EH, et al. Plasma Lipidomic Profiles Improve on Traditional Risk Factors for the Prediction of Cardiovascular Events in Type 2 Diabetes Mellitus. Circulation 2016;134(21):1637-50. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.116.023233.
[17]. Allam-Ndoul B, Guenard F, Garneau V, Cormier H, Barbier O, Pérusse L, Vohl MC. Association between Metabolite Profiles, Metabolic Syndrome and Obesity Status. Nutrients 2016;8(6). doi: 10.3390/nu8060324.
[18]. Kulkarni H, Meikle PJ, Mamtani M, Weir JM, Barlow CK, Jowett JB, Bellis C, Dyer TD, Johnson MP, Rainwater DL, et al. Variability in associations of phosphatidylcholine molecular species with metabolic syndrome in Mexican-American families. Lipids 2013;48(5):497-503. doi: 10.1007/s11745-013-3781-7.
[19]. Denimal D, Nguyen A, Pais de Barros J-P, Bouillet B, Petit J-M, Vergès B, Duvillard L. Major changes in the sphingophospholipidome of HDL in non-diabetic patients with metabolic syndrome. Atherosclerosis 2016;246:106-14. doi: 10.1016/j.atherosclerosis.2015.12.042.
[20]. Žácek P, Bukowski M, Johnson L, Raatz SK, Picklo M. Selective enrichment of n-3 fatty acids in human plasma lipid motifs following intake of marine fish. J Nutr Biochem 2018;54:57-65. doi: 10.1016/j.jnutbio.2017.11.002.
[21]. Hodson L, Crowe FL, McLachlan KJ, Skeaff CM. Effect of supplementation with flaxseed oil and different doses of fish oil for 2 weeks on plasma phosphatidylcholine fatty acids in young women. Eur J Clin Nutr 2018;72(6):832-40. doi: 10.1038/s41430-018-0174-2.
[22]. Dai XW, Chen YM, Zeng FF, Sun LL, Chen CG, Su YX. Association between n-3 polyunsaturated fatty acids in erythrocytes and metabolic syndrome in Chinese men and women. Eur J Nutr 2016;55(3):981-9. doi: 10.1007/s00394-015-0912-3.
[23]. Baik I, Abbott RD, Curb JD, Shin C. Intake of fish and n-3 fatty acids and future risk of metabolic syndrome. J Am Diet Assoc 2010;110(7):1018-26. doi: 10.1016/j.jada.2010.04.013.
[24]. Chen S, Wu Q, Zhu L, Zong G, Li H, Zheng H, Zeng R, Lin X, Sun L. Plasma glycerophospholipid profile, erythrocyte n-3 PUFAs, and metabolic syndrome incidence: a prospective study in Chinese men and women. Am J Clin Nutr 2021. doi: 10.1093/ajcn/nqab050.
科研动态-即时采访
本研究提示具有特定结构的GP，特别是sn-2位置具有LCPUFA或VLCPUFA的PE在MetS的发病中发挥了重要的作用，这不仅深层次的剖析了与MetS病理机制相关的GP代谢紊乱，也提供了可能作为MetS早期识别、精准分型的GP生物标记物及潜在干预靶点；此外，我们的研究也发现一些GP与代谢综合征的正相关性在n-3 PUFAs浓度较低的志愿者中更显著，提示适度地增加鱼类的摄入有可能成为MetS预防控制的有效策略。
本研究对于后续研究的启发包括：
在其他不同人群、种族的前瞻性队列中进一步验证本研究的发现；
开展动物研究，揭示潜在的生物学机制；
运用孟德尔随机化分析，探究GP与MetS及其组分的发病风险之间的因果关系；
开展人群干预研究，评估通过降低与MetS发病风险显著正相关的GP的浓度是否能够降低MetS的发病风险。
您怎样看待在本研究中甘油磷脂与代谢综合征的关联在总n-3 PUFA浓度较低的研究对象中更强，造成这种结果的原因和可能机制是什么？
较高浓度的红细胞膜n-3 PUFA可能部分地抵消与GP浓度升高相关的MetS发病风险的增加。
造成这种结果的潜在生物学机制尚不明确。一方面，与早期干预研究中报道的富含n-3 PUFA的海鱼摄入能增加体内含有LCPUFA或VLCPUFA的PC或PE的浓度的结论相一致，我们观测到n-3 PUFA与这些sn-2位置含有LCPUFA或VLCPUFA的PC和PE之间存在正相关关系，因此，高水平的n-3 PUFA摄入可能增加这些GP的生物合成；另一方面，高水平的n-3 PUFA摄入能降低MetS发病风险，尤其是改善高甘油三脂血症，而与MetS呈显著正相关的GP主要通过高甘油三脂血症增加MetS风险，因此，高水平的n-3 PUFA可能削弱与GP浓度升高相关的MetS发病风险的增加。这可能与n-3 PUFA作为过氧化物酶体激活受体-α的天然配体可以抑制脂质的生成和NF-κB的激活有关。总之，未来研究需要进一步明确n-3 PUFA是否能修饰GP与MetS发病风险之间的关系，并深层次解析潜在的生物学机制。
■■
「Voice of Nutrition」营养之声｜
重磅专栏上线
「Voice of Nutrition」（中文：营养之声；简称：VON），是「营养青年会」策划已久重磅上线的系列专栏。VON旨在广泛关注全球营养各细分领域，如科研、临床、政府、教育、行业及国际上的最新进展、成就与挑战，以促进不同细分领域内外的交流、互动、学习与合作。「营养之声」包括6个子栏目，2018年全面上线：
「Voice of Nutrition」之 全球对话
「Voice of Nutrition」之 科研动态
「Voice of Nutrition」之 国家策略
「Voice of Nutrition」之 科教传播
「Voice of Nutrition」之 临床前线
「Voice of Nutrition」之 健康产业
《极养视界》将作为战略合作伙伴
全程参与策划、编辑
并作为支持媒体给予联合跟踪报道。