黃彩華，歸予恒，林東海

代謝組學：運動人體科學研究的新工具

黃彩華1，2，歸予恒3，林東海4

代謝組學是一種系統(tǒng)生物學方法，能對運動和訓練引起的機體整體的代謝反應進行系統(tǒng)評價。最近，代謝組學被用于研究競技訓練、運動和其他相關干預（如運動營養(yǎng)干預和興奮劑等）所引起的代謝變化或代謝適應，給運動人體科學研究帶來了全新的視角。由于這一新工具的重要作用，在詳盡地分析現有的應用代謝組學研究運動人體科學問題的文獻基礎上，闡述了目前運動代謝組學研究的現狀、成果和存在的不足，并對代謝組學在運動人體科學研究未來的應用前景進行展望。

代謝組學；方法；競技體育；運動；人體科學；展望

2010年，Nature雜志撰文“2020年展望”（2020Visions），邀請包括生態(tài)、天文、能源、人口等18個重要領域的研究人員和政策制定者，對下一個10年各專業(yè)領域的發(fā)展進行展望，代謝組學的奠基人英國帝國大學的Nicholson受邀簡述了代謝組學在未來的應用前景。代謝組學（metabonomics／metabolomics）是20世紀90年代中期，繼基因組學和蛋白質組學之后發(fā)展起來的一門新學科，它通過對生物體內盡可能多的低分子量代謝物（分子量小于1 000）進行定量分析，研究在某一時刻生物體或細胞內所有內源性代謝物組（metabolome）整體及其變化規(guī)律，據此探討代謝物與生理病理變化的相互關系和動態(tài)規(guī)律（Nicholson等，1999）。

運動對人體代謝產生深遠影響，不論是急性運動還是長期運動，都會引起機體物質和能量代謝的變化或者適應，并且必然在代謝物上有所體現。同時，代謝物也對機體的細胞信號釋放、能量傳遞、細胞間通信等進行調控。因此，采用代謝組學研究運動人體科學問題具有很大的潛力。為此，我們以“代謝組學”和“運動”檢索了中國知網的文獻，以“（metabolomics、metabonomics）和（exercise、sport、physical activity、training、athlete、doping）”檢索Pubmed和Springer數據庫（檢索截至2011年5月4日），得到20篇相關文獻（包括2篇綜述）。本研究闡述代謝組學應用于運動人體科學研究的現狀、主要成果和存在的不足，并對代謝組學在運動人體科學研究未來的應用前景進行展望。

1 采用代謝組學研究運動人體科學問題的方法學優(yōu)勢

代謝問題一直是運動人體科學研究的重點。運動生物化學通過分析血液、尿液樣品或者骨骼肌活檢，對人類和動物運動中一些代謝物的變化進行研究（Gibala等，1998；Van Hall G等，2003）。傳統(tǒng)的運動人體科學實驗研究一般通過測量和比較運動前、后一個或一組指標的變化來評估運動的作用。按照一些預設的假說，研究者事先選擇觀察指標，進行實驗觀察這些指標的變化，通過對實驗數據進行統(tǒng)計和分析，進而否定或肯定事先預設的假說。這種研究模式已經成為經典的范式，被成功地用于運動人體科學研究，但是，它的缺點也很明顯，比如，對于我們尚不知道的物質或者還不了解的作用通路，我們不知道應該選擇哪些指標來驗證。更重要的是，由于生物體是一個動態(tài)的、多因素綜合調控的復雜體系，不同組分之間可能相互拮抗、相互誘導，同時，有機體具有代償作用，通過觀察個別指標來判斷生物體狀態(tài)或外加因素的影響程度，所得結果往往不夠全面，甚至可能存在錯謬之處。

組學研究方法采用完全不同的思路，通過“全景式”掃描所有的基因、蛋白質、代謝物等，對所獲得的高通量生物信息進行分析。這些研究方法可以不預先設定將要檢測的具體指標。由于代謝組是基因組、轉錄組和蛋白組的“終端產物”，代謝物包含了反應生物體系表型的直接的、全面的“生物標記物”（biomarker）信息，不僅可以反映細胞所處的環(huán)境、營養(yǎng)狀態(tài)和其他外界因素（如藥物、環(huán)境污染物的影響），而且能反映運動的影響。因此，代謝組學正日益成為整體性研究生命體系功能變化的有力工具。我們在詳盡地分析了代謝組學的發(fā)展，以及目前采用代謝組學研究運動人體科學問題的國內外文獻后，認為代謝組學方法將成為運動人體科學研究中的一個極其有用的新工具。我們將這個新工具定義為“運動代謝組學”：1）主要研究由運動或者其他相關干預（包括運動營養(yǎng)補劑、興奮劑）引起的低分子量代謝物的整體或變化規(guī)律；2）通過譜學技術檢測樣品，用模式識別方法評估運動或干預對運動人體代謝模式的影響，并尋找相關的生物標志物，闡述運動或干預發(fā)揮作用的代謝調控網絡及其分子機制。由于所有耗能的人體活動都可能導致代謝物的產生或改變，這些代謝物作為多種代謝途徑的底物和產物在機體內發(fā)揮作用，用代謝組學方法可以對體液中的這些代謝物進行系統(tǒng)的檢測，因此，代謝組學具有明顯的方法學優(yōu)勢。可以預見，運動代謝組學將成為研究運動或干預引起的人體功能變化的強有力分析手段。

2 運動代謝組學目前的研究進展

2.1 目前運動代謝組學研究的主要問題

目前，運動代謝組學研究的運動人體科學問題大致可以分為以下幾類：

1.競技運動訓練方面的問題，如訓練監(jiān)控、代謝適應等問題。競技體育對運動員體力和體能等方面的要求越來越高，科學化訓練是運動員在競賽中取勝的基本保證。一些研究采用代謝組學方法觀察了競技訓練期間代謝物的變化，比如賽艇訓練、游泳訓練不同階段的代謝物變化（Yan等，2009；王磊等，2008）。李江華等對參加多哈亞運會的短距離游泳運動員進行基于NMR的代謝組學研究，嘗試了將代謝組學方法運用于競技水平甄別、比賽成績預測，篩選了區(qū)別不同競技水平運動員的代謝標志物，并對代謝組學數據分析方法進行了新的嘗試（李江華等，2010）。Pechlivanis等（2010）對不同的訓練方案進行研究，他們設計2次訓練，訓練內容均為3×80m跑，但是3趟之間間歇時間不同。他們比較了采用不同訓練方案進行訓練時，代謝物變化的差異（Pechlivanis等，2010），這項研究用代謝組學方法評估運動訓練方案的效果，為運動訓練科學化提供了新的研究策略和理論依據。

2.運動營養(yǎng)問題。一些研究將代謝組學用于運動營養(yǎng)研究，比如，運動后補充不同功能補劑的作用，觀察補糖（Kirwan等，2009），補充碳水化合物和／或蛋白質（Chorell等，2009），補充以綠茶為主的電解質運動飲料（Miccheli等，2009）的效果。Coolen等在研究間歇性跛行患者缺血再灌注的代謝變化的同時，評估維生素C和維生素E干預的效應（Coolen等，2008）。Sestili等對一水肌酸（Creatine monohydrate，Cr，運動中最常用的營養(yǎng)補劑之一）進行了代謝組學研究（Sestili等，2011），分析運動時補充Cr會通過哪些途徑發(fā)揮作用。此外，運動代謝組學也被用來研究氧化應激。眾所周知，氧化應激是導致人體衰老的一個重要原因，也是誘發(fā)包括惡性腫瘤在內的多種疾病的一個重要因素，近年來，人們還發(fā)現它是基因突變的一個主要潛在致因。尋找敏感、特異地反映氧化應激的生物標志物一直是多個學科研究的熱點，但目前對人體氧化應激進行定量仍然是個難題。最近，Lee等（2010）探討了運動前攝入高劑量抗氧化劑是否能緩解大強度運動引起的氧化應激，他們只采用了一個健康人作為研究對象，讓受試者進行兩次相同運動設計的亞極量強度的功率自行車急性實驗（以70%˙VO2peak強度運動45min，隨后以90%˙VO2peak強度運動4.5min），兩次實驗分別讓受試者補充和不補充抗氧化劑NAC（N－acetyl－L－cysteine，N－乙酰半胱氨酸），比較運動前、運動中和運動后代謝物變化的時間軌跡（Lee et al.，2010），用無監(jiān)督PCA方法分析了抗氧化劑引起的代謝改變和NAC的抗氧化功能，結果他們取得了一些有趣的新發(fā)現。

3.急性和慢性運動對機體代謝的影響。由于急性運動對機體產生較大的擾動，因此，運動代謝組學可以用于研究急性運動前、運動過程中和運動后代謝物的變化（Enea等，2010；Lehmann等，2010；Lewis等，2010；Pohjanen等，2007；Rasmussen等，2010）。其中，部分研究的主要目的是通過這種急性擾動收集數據，討論代謝組學數據分析方法（Pohjanen等，2007），另一些研究則更多地關注運動問題本身。慢性運動對機體代謝影響的研究很少（Huang等，2010；Jeanette Kuhl等，2008）。

目前，運動代謝組學研究的問題逐漸深入，呈現出一定的整合趨勢，部分研究體現出這一特點（Lehmann等，2010；Lewis等，2010；Rasmussen et al.，2010）。Rasmus－sen等將基于NMR的代謝組學技術用于討論運動中腦部糖代謝的問題（Rasmussen等，2010），而Lehmann等結合了人體運動實驗和動物肌組織的研究，討論了骨骼肌脂代謝問題（Lehmann等，2010）。Lewis的研究既進行人體的急性實驗室運動實驗，也觀察了半程馬拉松賽前、后代謝物的變化，并且進行動物實驗、細胞培養(yǎng)，通過體內、體外的實驗，超長距離跑和實驗室跑臺運動的研究，比較全面地研究了運動對人體代謝的影響。他們發(fā)現，在運動時，更為健康的人與不太健康的人的代謝物變化顯著不同。在急性運動時，健康的人運動時能量動員顯著高于不太健康的人。更加有趣的是，那些參加馬拉松賽的業(yè)余馬拉松運動員，其代謝模式與普通人有明顯的差異，在運動時，他們能量動員的增幅非常大，其中，代表酮體生成的β羥基丁酸酯（β－h(huán)ydroxybutyrate）可升高401%，而代表脂解的甘油更可升高1 128%（Lewis et al.，2010）。同時，Lewis等的研究深入探討了運動的代謝調控路徑。

表1 運動代謝組學研究工作一覽表Table 1 Metabolomics－based Sport and Exercise Experimental Research

4.運動對慢性疾病的影響。慢性疾病往往具有代謝紊亂的病理基礎，這也是代謝組學研究的重點。一些研究用代謝組學研究運動對病理狀態(tài)的影響，如對冠心?。˙arba I等，2008）、間歇性跛行（Coolen等，2008）、糖尿?。↗eanette Kuhl等，2008）、肥胖大鼠（Duggan等，2011）和超重人群（Redman等，2011）進行的研究，從文獻的數量和質量上看，目前，運動干預慢性疾病的代謝組學研究尚處于起步階段。

5.興奮劑問題。采用分析化學的方法進行賽馬反興奮劑研究已經有相當長的時間了，而用于人類興奮劑研究也已經至少有40多年。在此期間，采用的分析技術不斷發(fā)展，而興奮劑覆蓋的范圍也日益擴大。但是，興奮劑檢測總是處于一種應戰(zhàn)的狀態(tài)，不斷面臨著各種新的興奮劑挑戰(zhàn)。因此，一些研究人員提出，服用興奮劑的目的是希望通過不正當的手段促成運動員機體產生顯著的生物學變化，從而提高運動成績，那么，反興奮劑工作應該采用代謝組學方法檢測代謝物變化，分析服用興奮劑后生物學變化不同階段的代謝通路，以甄別服用興奮劑的違規(guī)行為（Mitrevski等，2009；Saugy等，2009）。Dumas和Rijk的動物實驗有助于我們理解這個方面的工作。Dumas給牛喂養(yǎng)了促進蛋白合成的類固醇，采用NMR技術檢測尿液，發(fā)現了一些服用類固醇的生物標記物在合成代謝中發(fā)生變化，如三甲胺－N－化物、二甲胺、馬尿酸、肌酸、肌酐和檸檬酸等，這表明，牛在服用興奮劑后機體對氮平衡和能量代謝產生了整體的代謝適應性變化（Dumas等，2005）；繼而，Rijk用UPLC－TOF／MS方法檢測了動物（家禽）在采用了類固醇激素后的尿液代謝物，也發(fā)現了實驗動物在促蛋白質合成上出現變化（Rijk等，2009）。雖然，這2篇文獻的本意是嘗試通過代謝組學方法檢測飼料安全，但是，作者都提到，代謝組學方法可以作為興奮劑檢測的輔助方法，以鑒別運動員是否服用了促蛋白質合成類的興奮劑。最近，Kiss（2011）發(fā)表了第一篇真正意義上運用代謝組學研究興奮劑問題的研究，他們通過法國反興奮劑實驗室取得20例已經被檢測出類固醇和糖皮質激素陽性的運動員尿樣，與無服用興奮劑的志愿者對比，采用LC－MS進行樣品的譜圖檢測，并進行模式識別，結果，前2個主成分和前3個主成分的PCA分析均能很好地把兩組樣品區(qū)分。盡管作者沒有提供他們發(fā)現的一些特征代謝物，但是，他們認為，可以通過代謝組學方法對運動員尿樣進行快速掃描，以發(fā)現禁藥作用后可能的目標（Kiss等，2011）。

2.2 技術平臺和數據分析流程

代謝組學研究運動的一般程序包括3個部份，即運動實驗部分（與運動相關的樣品收集）、代謝組學的實驗操作部分、代謝組學的數據處理和信息分析部分。

在運動實驗部分，主要通過兩種方式收集樣品：1）橫斷面數據收集，如比較運動員與健康人、不同項目運動員、不同水平運動員之間代謝模式的差異，這種基于狀態(tài)定位（stated－based）的研究，觀察長期運動（或訓練）造成的代謝適應（metabolic adaptation），分析在基礎狀態(tài)下這種代謝適應表現出的代謝模式的差異。目前的多數研究采用的是沒有運動干預的橫斷面數據。值得注意的是，由于基礎狀態(tài)的代謝模式受到很多因素的影響，通過收集一次樣品來分析這種代謝適應后的代謝模式和特征標記物可能會遇到一定的障礙。那么，通過較小的樣本量對具有較大變異性的結果做出判斷，需要謹慎。當然，當擾動足夠大時，比如運動員服用興奮劑，此時機體產生類似于藥物藥性或者毒性的作用，那么，通過比較興奮劑檢測陽性與陰性運動員之間的代謝物組，可能較容易發(fā)現代謝模式的差異并找到特征代謝物；2）縱向數據的收集，即通過比較運動前后（急性實驗）、營養(yǎng)或其他干預前后（慢性實驗）、運動訓練不同階段等樣品，研究運動對代謝的影響，并進一步通過代謝物組的時程變化（time course）分析代謝模式變化的時間軌跡及各階段的生物標記物。

代謝組學的譜學檢測等實驗部分包括樣品的采集和儀器分析。目前，運動代謝組學主要采用血漿、血清和動物的組織萃取液進行研究，采用的主要技術手段為核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）、質譜（Mass Spectrometry，MS）、色譜（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）或者幾種技術聯(lián)用（表1）。這些分析技術在鑒定和定量分析各種小分子化合物上有著重要的作用。

代謝組學的數據處理和信息分析部分包括數據的分析、生物信息提取、生物內涵的解釋等。目前，運動代謝組學的數據分析技術主要依靠各種分析儀器、軟件和數據庫建立數據分析平臺，如數據提取、峰對齊和去噪技術、代謝化合物譜庫和生物信息學上的多維、單維數據統(tǒng)計方法，如主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）、偏最小二乘法－判別分析（partial least squares discriminant analysis，PLS－DA）和正交偏最小二乘法－判別分析（OPLS－DA）等。

2.3 運動代謝組學研究的主要進展

目前，報道的運動代謝組學的研究工作數量不多，并且實驗設計、運動方案、受試對象等都不相同，因此，現有文獻已鑒別出的特征代謝標記物各有不同。已經鑒別出的這些生物分子涉及糖、脂肪、蛋白質等3大物質的代謝途徑，并發(fā)現與核酸代謝有關。這些發(fā)現部分與之前運動生物化學的研究結論一致，比如，運動中的糖酵解、脂肪分解、蛋白質代謝、酮體代謝等，此外，研究者們還找到了一些目前尚不明確結構和功能的未知代謝物。這些代謝物提示了某些代謝通路對運動的重要作用。比如，煙酰胺類代謝物在優(yōu)秀運動員的尿液（李江華等，2008）和有氧運動后的血液（Lewis等，2010）中顯著升高。煙酸和煙酰胺為維生素PP族，在體內可以相互轉化。維生素PP的活性形式是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋，又稱輔酶Ⅰ）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP＋，又稱輔酶Ⅱ），NAD＋為輔酶的脫氫酶在參與呼吸作用時，代謝物脫下氫轉遞給NAD＋，使之成為NADH和H＋。NAD＋調節(jié)糖和脂肪酸氧化，而NADH調節(jié)乳酸、甘油和生糖氨基酸的糖異生過程。Bruck等（2010）對Lewis等（2010）的研究給予了高度關注，并進一步解釋了運動時煙酰胺類物質增加的原因，如運動時NAD＋／NADH轉換加快，可能刺激了NAD＋的合成；以及運動中細胞內NAD＋大量消耗，Sirtuins（保守依賴于NAD＋的去乙?；福⒔M蛋白去乙?；?，NAD＋作為反應底物，產生副產品煙酰胺（Burke等，2010；Dang等，2009；Finkel等，2009）。此外，Lewis等的研究還表明Nur77（nerve Growth factor IB，NGFIB；nr4a1（nuclear receptor subfamily 4group A member 1））代謝通路的重要作用。Nur77是最近發(fā)現的對骨骼肌葡萄糖利用和脂質代謝密切相關的轉錄調節(jié)子（Chao等，2007；Maxwell等，2005），也是代謝綜合征的潛在治療靶點（Smith和Muscat，2006）。Nur77在肥胖和2型糖尿病患者體內顯著下降，并在胰島素增敏治療后顯著升高（Lessard等，2009）。運動時，甘油、煙酰胺、葡萄糖六磷酸、泛酸、琥珀酸等代謝物升高，它們單獨作用并不能改變Nur77的表達，但是它們共同作用能迅速上調NUR77的表達。

3 目前運動代謝組學研究存在的不足

目前，運動對人體機能改善作用的分子機制已經引起不同學科的高度關注，但是采用代謝組學進行運動人體科學問題研究的還很少，已發(fā)表的文獻僅20篇（包括綜述）。除了儀器設備較昂貴等操作性問題外，部分障礙源于代謝組學方法本身存在的問題，也有運動問題相關研究尚未充分開展留下的不足。從已發(fā)表的運動代謝組學文獻來看，目前的研究存在的不足之處有：

3.1 代謝組學數據分析和解釋有待深入

代謝組學作為一種年輕的系統(tǒng)生物學方法，在技術方面尚有欠缺，有待發(fā)展。目前分析技術還存在一定的局限性，需要研發(fā)出能更精確地探測樣本內所有可能的化合物的分析儀器。此外，高通量樣品的分析、海量數據處理、代謝產物的識別也是在代謝組學應用研究方面需要進一步完善的，而更具挑戰(zhàn)性的工作，是進一步確認所有代謝物的功能，并對發(fā)現的大量特征代謝物進行生物學解釋。

除了個別研究外，多數研究都或多或少地發(fā)現了相關的特征代謝物。對于這些特征代謝物，多數的研究以代謝產物的角度，分析它們在體內相應的代謝途徑，以探討代謝機制。然而，這些特征性代謝物同樣可能作為底物，對下游的信號通路產生影響，因此，在找到特異性的代謝特征物之后，還可以通過體外細胞培養(yǎng)進行分子生物學研究，對代謝組學發(fā)現的結果進行更深入的驗證（Lewis等，2010）。目前，運動代謝組學的研究進行這方面探討的研究工作還很少，使得多數研究對于結果的解釋并沒有提供很多過去已知的運動生物化學知識之外的增量知識。

另外，多數研究沒有充分考慮實驗對象或者觀察對象的初始狀態(tài)對研究結果的影響。處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，在受到足夠大的擾動作用后會偏離原來的平衡狀態(tài)。系統(tǒng)在擾動作用消失后，經過一段過渡期，若能恢復到原來的平衡狀態(tài)（或足夠準確地回復到原來的平衡狀態(tài)），則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。若干擾消失后系統(tǒng)不能恢復到原來的平衡狀態(tài)，偏差越來越大，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，對于生物體而言，則將處于一種內穩(wěn)態(tài)失衡的狀態(tài)（dyshomeostasis）。需要注意的是，在一定的擾動范圍內，內穩(wěn)態(tài)具有將系統(tǒng)拉回原來的平衡狀態(tài)的特性。李江華等強調了內穩(wěn)態(tài)的重要性，他們認為，運動員處于系統(tǒng)內穩(wěn)態(tài)時，采用代謝組學方法能很好對他們的競技水平和體內代謝物的競技信息進行甄別，因為，此時代謝物反應的是其相對穩(wěn)定的競技信息?；诖耍麄兲岢隽诵碌拇x組學數據分析方法，即篩選變異系數最小的分組主成分，這些主成分是在飲食、運動訓練等擾動之外的穩(wěn)定信息。他們嘗試用變異系數最小的幾個主成分進行組合來分組，而不采用前兩個或者3個主成分進行區(qū)別，并藉此尋找特征代謝物。這一分析方法對代謝組學的數據處理提供了一個新的思路，其效果尚待驗證。因為，從系統(tǒng)科學和數據模型來看，系統(tǒng)的穩(wěn)定性分為兩種情況：一是大范圍內穩(wěn)定，即起始偏差可以很大，系統(tǒng)仍穩(wěn)定；另一種是小范圍內穩(wěn)定，即起始偏差必須在一定限度內系統(tǒng)才穩(wěn)定，超出了這個限定值則不穩(wěn)定。對于線性系統(tǒng)，如果在小范圍內是穩(wěn)定的，則它一定也是在大范圍內穩(wěn)定的。而對非線性系統(tǒng)，在小范圍內穩(wěn)定，在大范圍內就不一定是穩(wěn)定的?？梢姡罱A等這一新思路所探討的穩(wěn)定性問題，是大范圍內的穩(wěn)定性問題，即是線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而有機體系統(tǒng)的穩(wěn)定性往往是非線性的。因而，還需要大量的實驗數據和分析對此進行驗證。

3.2 研究內容和研究對象仍需拓展

目前的相關文獻在競技運動的監(jiān)控、營養(yǎng)等問題上有所涉及，但是，研究內容還比較局限。比如，對于運動性疲勞、過度訓練等運動訓練中非常重要的課題并無涉及；其二，當前慢性疾病發(fā)生率日益升高，對公共健康造成很大危害，而運動是干預慢性疾病的經濟、有效的手段，但是，采用代謝組學研究運動干預慢性疾病患者的報道非常少見。此外，目前進行動物實驗的研究較少，盡管采用人類作為受試對象進行研究非常重要，但是，在進行深入的機制研究方面，采用實驗動物具有人類實驗所不可比擬的優(yōu)勢和便利（Ghosh等，2010）。

3.3 運動實驗設計缺少多樣化

從表1中可見看出，目前的研究多為無干預的橫斷面研究，或者是急性運動研究，而長期運動實驗較少。由于運動的效應往往是通過一段時間的運動（或訓練）達成的，比如對慢性疾病進行運動干預，患者會發(fā)生哪些代謝模式的變化，這些變化的代謝調控和分子機制是什么等等，都需要采用慢性的運動方案進行研究，因此，運動代謝組學亟需縱向實驗的研究。

3.4 整合性研究需要開展

整合各種平臺的數據，進行系統(tǒng)分析是代謝組學發(fā)展的趨勢。一些運動代謝組學研究已經呈現出這一趨勢，如人體運動實驗與動物實驗結合、不同來源樣品結合等等，但是這方面的工作依然存在很大的不足。一些整合性研究對運動代謝組學研究提供了很好的借鑒，比如Saric（2010）等研究感染不同寄生蟲的嚙齒類動物的病理反應，他們將目前研究的熱點之一細胞因子的研究與代謝物聯(lián)系起來進行整合式的研究。細胞因子是體內重要的大分子蛋白質，而由血液和尿液的代謝組學分析可以得到海量的小分子化合物，將二者聯(lián)合，分析宿主體內的代謝產物及細胞因子之間的關系，可以構建免疫途徑和生化途徑研究之間的聯(lián)系，有助于更全面地理解感染寄生蟲后病理反應的本質（Saric等，2010）。

4 運動代謝組學展望

作為運動人體科學的母學科，醫(yī)學、生理學、生物化學等研究逐漸呈現兩種趨向，一是對單個或幾個基因、轉錄因子、大分子蛋白質及其信號通路的研究；二是通過一種系統(tǒng)的、整合的方式，以組學技術全面了解生物學通路、網絡和分子系統(tǒng)。隨著需要回答的問題越來越復雜，分與合的整合模式顯得更加重要，這種整合交互在單個研究問題層面、合作層面甚至學科層面都是需要的（Campbell等，2007）。運動對機體的影響往往是整體性、系統(tǒng)性的，因此，僅用一個或者一組指標很難反映整體的代謝輪廓，需要用系統(tǒng)生物學的方法進行全面系統(tǒng)地研究。代謝組學通過分析運動導致的內源性代謝物組的效應，為我們了解生命的本質、運動的效應提供了高通量的生物信息資源，為運動人體科學發(fā)展提供了極好的機遇?？梢灶A見，代謝組學技術將在運動人體科學的諸多問題上，提供新的思路和高效的技術手段，為尋找運動相關的新的生物標記物，發(fā)現新的代謝途徑，或更深入地了解目前已知的代謝途徑提供新工具。因此，本研究對代謝組學方法在運動人體科學中可能的應用前景做一個階段性的展望。

4.1 運動訓練監(jiān)控、運動性疲勞和過度訓練問題等

應用代謝組學方法，可以對運動訓練方案的設計、運動訓練過程的監(jiān)控和運動效果評價等提供更全面的證據。目前運動代謝組學尚未對運動性疲勞、過度訓練等運動訓練中非常重要的課題進行研究。運動性疲勞和過度訓練問題一直是競技運動生理生化研究中的熱點，同時也是難點，因為很難建立普適、敏感、特異性高并且便利的評價手段和指標體系，代謝組學在這些研究方面存在很大優(yōu)勢，比如能夠進行整體性的研究、只需要采集尿樣即可進行研究，這對訓練監(jiān)控帶來很大的便利。

4.2 運動干預慢性疾病的代謝調控網絡和分子機制

越來越多的證據顯示，運動對許多疾病都有效，可見運動對機體代謝的影響是整體性的，通過多環(huán)節(jié)、多靶點發(fā)揮效應，這與藥物往往針對某個環(huán)節(jié)和靶點起效是不同的。運動對慢性疾病作用的分子機制并不明確，這一狀況與之前研究方法上的不足有一定的關系，因此以系統(tǒng)生物學的研究思路和技術手段對運動干預慢性病進行整體的研究，有望同時找出多個運動干預后特異性變化的小分子代謝物，分析代謝通路的增強或減弱，這將對深入探討運動對慢性病的改善作用、驗證運動處方的效果等等運動人體科學問題提供新的研究策略。

更為重要的是，運動代謝組學研究可能為開發(fā)慢性疾病的新藥提供新思路。由于運動的無毒副作用和廣譜的整體效應，Burke等提出藥物開發(fā)可以模擬運動產生作用的路徑，以尋找更有效的治療手段和靶點，并將其命名為“gymnomimetics”（Burke等，2010）。例如，NAD＋升高被認為能夠延長壽命，并且與細胞內氧化應激、基因組穩(wěn)定性、腫瘤發(fā)生和能量代謝關系密切（Finkel等，2009），而運動代謝組學研究發(fā)現，運動能顯著增加NAD＋，由此Burke提出，能否直接補充NAD＋，以達到運動所帶來的效益呢？當然，要想實現Burke提出的藥物模擬運動效應，首先需要對運動改善慢性病的代謝紊亂機制和相關生物標志物有更明確的了解。

4.3 興奮劑問題

目前，在反興奮劑研究方面，亟需進行兩個方面的工作，即有效生物標志物的篩選和新的檢測、分析方法的引入，這兩個方面的工作是相輔相成的。世界反興奮劑機構（World Anti－Doping Agency，http：／／www.wada－ama.org）成立之后，在反興奮劑研究方面得到了國際協(xié)調基金的資助，而興奮劑的生物標志物研究一直是這項基金最大的資助方向（（Teale等，2009）。由于反興奮劑檢測的技術手段和興奮劑清單的覆蓋范圍總是相對落后于興奮劑的出現，因此，如果能夠運用全景式的快速掃描，如系統(tǒng)生物學方法，鎖定可能的興奮劑類型，在此基礎上再結合經典的技術手段進行檢測，將大大提高興奮劑檢測的效率。更為重要的是，引入系統(tǒng)生物學方法和手段，對整體的代謝物、基因和蛋白質進行分析，還可能發(fā)現一些目前國際興奮劑清單中未列入或者未知的生物標志物，這對反興奮劑的斗爭從被動等待向主動發(fā)現轉化，具有重要的意義。

4.4 運動營養(yǎng)問題

對于不同的運動項目，運動員需要補充什么、何時補充、補充的效果評價等運動營養(yǎng)問題都可以通過代謝物組的變化來進行分析。這方面的研究依然存在很大的空間。

4.5 運動選材問題

已有一些文獻對運動競技水平做了甄別，今后還可能通過建立運動員基礎數據庫，獲得個體和群體以及優(yōu)秀運動員的數據信息，根據運動項目的專項性特點，預測運動員的發(fā)展?jié)摿?，提高運動選材的科學性。

總之，代謝組學方法的發(fā)展將為人類更全面、更深入地了解運動對人體機能改善作用的分子機制提供有力的技術支持。可以預見，今后幾年內，采用代謝組學方法研究運動人體科學的研究論文將呈現幾何級遞增的趨勢，代謝組學方法將成為一種廣泛地用于系統(tǒng)、深入地探索運動人體科學問題的最強有力的新工具。

［1］李江華，劉承宜，沙海燕，等.高水平男子中短距離游泳成績預測的代謝組學模型［J］.體育學刊，2010，17（4）：103－106.

［2］李江華，劉承宜，徐曉陽，等.2006年多哈亞運會短距離游泳男運動員代謝組學研究［J］.體育科學，2008，28（2）：42－46，53.

［3］［美］坎貝爾，海爾.探索基因組學、蛋白質組學和生物信息學（第2版）［M］孫之榮譯.北京：科學出版社，2007.

［4］王磊，武露凌，盛蕾，等.優(yōu)秀游泳運動員冬訓周期中的代謝組學研究［J］.體育與科學，2008，29（6）：43－46.

［5］BARBA I DLG，MARTIN E C A，AGUADE S C J，et al.Nuclear magnetic resonance－based metabolomics predicts exercise－induces ischemia in patients with suspected coronary artery disease［J］.Magn Reson Med，2008，60（1）：27－32.

［6］BURKE M F，DUNBAR R L，RADER D J.Could exercise metabolomics pave the way for gymnomimetics8［J］.Sci Transl Med，2010，2（41）：35－41.

［7］CHAO L C，ZHANG Z，PEI L，et al.Nur77coordinately regulates expression of genes linked to glucose metabolism in skeletal muscle［J］.Mol Endocrinol，2007，21（9）：2152－2163.

［8］CHORELL E，MORITZ T，BRANTH S，et al.Predictive metabolomics evaluation of nutrition－modulated metabolic stress responses in human blood serum during the early recovery phase of strenuous physical exercise［J］.J Proteome Res，2009，8（6）：2966－2977.

［9］COOLEN S A，DAYKIN C A，van DJP，et al.Measurement of ischaemia－reperfusion in patients with intermittent claudication using NMR－based metabonomics［J］.NMR Biomed，2008，21（7）：686－695.

［10］DANG W，STEFFEN K K，PERRY R，et al.Histone H4lysine 16acetylation regulates cellular lifespan［J］.Nature，2009，459（7248）：802－807.

［11］DUGGAN G，HITTEL D S，SENSEN C W，et al.Metabolomic Response to Exercise Training in Lean and Diet－Induced Obese Mice［J］.J Appl Physiol，2011，110（5）：1311－1318.

［12］DUMAS M E，CANLET C，VERCAUTEREN J，et al.Homeostatic signature of anabolic steroids in cattle using 1H－13C HMBC NMR metabonomics［J］.J Proteome Res，2005，4（5）：1493－1502.

［13］ENEA C，SEGUIN F，PETITPAS－M J，et al.（1）H NMR－based metabolomics approach for exploring urinary metabolome modifications after acute and chronic physical exercise［J］.Anal Bioanal Chem，2010，396（3）：1167－1176.

［14］FINKEL T，DENG CX，MOSTOSLAYSKY R.Recent progress in the biology and physiology of sirtuins［J］.Nature，2009，460（7255）：587－591.

［15］GHOST S，GOLBIDI S，WEMER I，et al.Selecting exercise regimens and strains to modify obesity and diabetes in rodents：an overview［J］.Clin Sci（Lond），2010，119（2）：57－74.

［16］GIBALA M J，MACLEAN D A，GRAHAM T E，et al.Tricarboxylic acid cycle intermediate pool size and estimated cycle flux in human muscle during exercise［J］.Am J Physiol，1998，275（2Pt1）：E235－242.

［17］GO E P.Database resources in metabolomics：an overview［J］.J Neuroimmune Pharmacol，2010，5（1）：18－30.

［18］HUANG C C，LIN W T，HSU F L，et al.Metabolomics investigation of exercise－modulated changes in metabolism in rat liver after exhaustive and endurance exercises［J］.Eur J Appl Physiol，2010，108（3）：557－566.

［19］KUHL J T M，Wagner H H S，LUNDGREN K P B，et al.Metabolomics as a tool to evaluate exercise－induced improvements in insulin sensitivity［J］.Metabolomics，2008，4（3）：273－282.

［20］KIRWAN G M，COFFEY V G，NIERA J O，et al.Spectroscopic correlation analysis of NMR－based metabonomics in exercise science［J］.Anal Chim Acta，2009，652（1－2）：173－179.

［21］KISS A，JACQUET A L，PAISSE O，et al.Urinary signature of anabolic steroids and glucocorticoids in humans by LC－MS［J］.Talanta，2011，83（5）：1769－1773.

［22］LEE R，WEST D，PHILLIPS S M，et al.Differential metabolomics for quantitative assessment of oxidative stress with strenuous exercise and nutritional intervention：thiol－specific regulation of cellular metabolism with N－acetyl－L－cysteine pretreatment［J］.Anal Chem，2010，82（7）：2959－2968.

［23］LEHMANN R，ZHAO X，WEIGERT C，et al.Medium chain acylcarnitines dominate the metabolite pattern in humans under moderate intensity exercise and support lipid oxidation［J］.PLos One，2010，5（7）：e11519.

［24］LESSARD S J，RIVAS D A，CHEN Z P，et al.Impaired skeletal muscle beta－adrenergic activation and lipolysis are associated with whole－body insulin resistance in rats bred for low intrinsic exercise capacity［J］.Endocrinol，2009，150（1）：4883－4891.

［25］LEWIS G D，FARRELL L，WOOD M J，et al.Metabolic signatures of exercise in human plasma［J］.Sci Transl Med，2010，2（33）：1－13.

［26］MAXWELL M A，CLEASBY M E，HARDING A，et al.Nur77 regulates lipolysis in skeletal muscle cells.Evidence for crosstalk between the beta－adrenergic and an orphan nuclear hor－mone receptor pathway［J］.J Biol Chem，2005，280（13）：12573－12584.

［27］MICHELI A，MARINI F，CAPUANI G，et al.The influence of a sports drink on the postexercise metabolism of elite athletes as investigated by NMR－based metabolomics［J］.J Am Coll Nutr，2009，28（5）：553－564.

［28］MITREVSKI B S，KOUREMENOS K A，MARRIOTT P J.Accelerating analysis for metabolomics，drugs and their metabolites in biological samples using multidimensional gas chromatography［J］.Bioanalysis，2009，1（2）：367－391.

［29］NICHOLSON J K，LINDON J C，HOLMES E.＇Metabonomics＇：understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data［J］.Xenobiotica，1999，29（11）：1181－1189.

［30］PECHLIVANIS A，KOSTIDIS S，SARASLANIDIS P，et al.（1）H NMR－based metabonomic investigation of the effect of two different exercise sessions on the metabolic fingerprint of human urine［J］.J Proteome Res，2010，9（12）：6405－6416.

［31］POHJANEN E，THYSELL E，JONSSON P，et al.A multivariate screening strategy for investigating metabolic effects of strenuous physical exercise in human serum［J］.J Proteome Res，2007，6（6）：2113－2120.

［32］RASMUSSEN P，NYBERG N，JAROSZEWSKI J W，et al.Brain nonoxidative carbohydrate consumption is not explained by export of an unknown carbon source：evaluation of the arterial and jugular venous metabolome［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2010，30（6）：1240－1246.

［33］REDMAN L M，HUFFMAN K M，LANDERMAN L R，et al.Effect of caloric restriction with and without exercise on metabolic intermediates in nonobese men and women［J］.J Clin Endocrinol Metab，2011，96（2）：E312－321.

［34］RIJK J C，LOMMEN A，ESSERS M L，et al.Metabolomics approach to anabolic steroid urine profiling of bovines treated with prohormones［J］.Anal Chem，2009，81（16）：6879－6888.

［35］SARIC J，LI J V，SWANN J R，et al.Integrated cytokine and metabolic analysis of pathological responses to parasite exposure in rodents［J］.J Proteome Res，2010，9（5）：2255－2264.

［36］SAUGY M，ROBINSON N，SAUDAN C.The fight against doping：back on track with blood［J］.Drug Test Anal，2009，1（11－12）：474－478.

［37］SESTILI P，MARTINELLI C，COLOMBO E，et al.Creatine as an antioxidant［J］.Amino Acids，2011，40（5）：1385－1396.

［38］SMITH A G，MUSCAT G E.Orphan nuclear receptors：therapeutic opportunities in skeletal muscle［J］.Am J Physiol Cell Physiol，2006，291（2）：C203－217.

［39］TEALE P，BARTON C，DRIVER P M，et al.Biomarkers：unrealized potential in sports doping analysis［J］.Bioanalysis，2009，1（6）：1103－1118.

［40］VAN HALL G，JENSEN－URSTAD M，ROSDAHL H，et al.Leg and arm lactate and substrate kinetics during exercise［J］.Am J Physiol Endocrinol Metab，2003，284（1）：E193－205.

［41］YAN B，A J，WANG G，et al.Metabolomic investigation into variation of endogenous metabolites in professional athletes subject to strength－endurance training［J］.J Appl Physiol，2009，106（2）：531－538.

Metabolomics：A Novel Tool for Sports and Exercise Science

HUANG Cai－h(huán)ua1，2，GUI Yu－h(huán)eng3，LIN Dong－h(huán)ai4

Metabolomics is a systems biology approach which enables the assessment of holistic responses of the body to sports and exercise perturbation.Recently，metabolomics has been applied in exploring metabolic changes or metabolic adaptation induced by sports，exercise training and other related intervention such as sports nutrition intervention and doping，and it offers fresh insight into sports and exercise science.Given the importance of this new tool，this paper？provides a comprehensive over－view of the existing evidence about the research of metabolomics in sports and exercise science，presents the current progress and main findings，point out limitations of such a strategy，as well as look into some prospects for the future.

metabolomics；methodology；sport；exercise；prospect

G804.7

A

1000－677X（2011）09－0077－08

2011－05－16；

2011－08－16

福建省自然科學基金（2010J01178）。

黃彩華（1969－），女，福建建陽人，副教授，碩士，在讀博士研究生，主要研究方向為運動與代謝，Tel：（0591）22862201，E－mail：hch＠m(xù)ail.fjmu.edu.cn。

1.福建醫(yī)科大學，福建福州350108；2.福建師范大學體育科學學院，福建福州350007；3.福建省體育科學研究所，福建福州350003；4.廈門大學化學化工學院化學生物學系，福建廈門361005

1.Fujian Medical University，Fuzhou 350108，China；2.Fujian Normal University，Fuzhou 350004，China；3.Fujian Institute of Sport Science，Fuzhou 350003，China；4.Xiamen University，Xiamen 361005，China.