12.2.1.1评价不同的饮食习惯所带来的代谢组差异
代谢组学全组分分析的方法可以用来判断由不同的饮食习惯所对应的不同
代谢表型，这也是代谢组学方法应用于营养学研究的代表性的研究之一。Stella等在2006年发表了利用核磁共振的代谢组学分析来判断素食者、少量肉食者及大量肉食者之间的代谢表型的差别[13]。西方的饮食结构常常是以红肉为主，而蔬菜、水果、膳食纤维的摄入量相对较少，这往往也是许多慢性疾病的根源，如髙血压、糖尿病、心脑血管疾病及癌症等。相比之下，素食者的血糖、血脂等临床指标就会相对好很多。可见饮食习惯与疾病的关联是显而易见的。但是，某些营养物质对于健康的保护机制尚有待于深入研究——这也是营养学研究的重要领域。通过代谢组学的方法可以实现对具有不同饮食习惯的人群的代谢表型进行分类判断与评估。所谓的代谢表型，其定义为：“对生物体在某一生理条件下，依据对细胞、体液或组织的分析数据所进行的多参数系统描述。”[14]在Stella等的研究中，选取了12名健康的、年龄为25~74岁的男性作为研究对象，食物摄入的质和量都受到严格的控制。所有的受试者分别接受3种食谱，包括素食、少量肉食及大量肉食。每种食谱15天，从第10天开始，收集受试者的24h尿样，进行核磁共振的分析。所得的数据利用主成分分析（PCA）的方法进行分析。在PCA分析结果中，可以看到，在这项研究中，个体差异还是占主要地位的，不同的个体在不同的食谱之下所产生的代谢组变化是不同的。但是，当去除了个体差异之后，高肉食组同素食组间的代谢组差异就显现出来了：高肉食组尿液中的肌苷、肉碱、牛磺酸、氧化三甲胺、
甲基组氨酸等物质呈现升高的趋势。其中肉碱、甲基组氨酸等物质在更早的
报道中可以作为食谱中肉类含量的标志物。当采用OPLSDA（正交偏最小二乘法判别分析）的方法进行数据处理的时候，不同食谱的人群得到很好的区分，尤其是素食组与高肉食组之间。通过分析，可以发现肌酸/肌苷在高肉食者的尿内明显的升高。可以据此推断，尽管肌酸的分泌取决于体重，但是每日摄入的肉食量还是对肌酸的排泄量具有明显的影响。同时该研究还发现，肉碱及甲基肉碱在高肉食者的尿液内也明显的高于素食者。因为肉碱是长链脂肪酸转运的重要辅助因子，而肉食又是外源性的肉碱的主要来源，因此，严格素食者的肉碱可能会有一定的短缺，同时，内源性肉碱合成的增加，也可能进一步导致一些营养因子的
缺乏。
在素食者组中，该研究发现了欠羟基苯乙酸这种标志性的代谢物。这种物质
虽然是食物中的酪氨酸的代谢产物，但并非来源于人体自身的代谢途径，而是由肠道菌群代谢所产生的。在素食者的尿液中有另一种化合物——N6，N6，N6-三甲基赖氨酸（TML）出现了明显的缺乏，这是因为，TML是真核生物内源性肉碱合成的主要化合物，由于素食者外源性肉碱摄入的不足，导致内源性肉碱合成的增加，从而使TML的消耗增加，弓丨起尿中的TML减少。该代谢途径如图12-3所示。
通过对于尿液中代谢物的分析，不同的营养条件对正常人群代谢组的影响可
以通过代谢组学的方法得到系统的展现：代谢组学不仅可以通过尿样的代谢轮廓分析区分不同食谱下人群的代谢表型，而且可以从其中纷繁复杂的代谢组中找出与不同食谱相关的特征性的代谢物，并且可以通过相关代谢途径的研究推测体内的相关生理学变化。通过这项研究，代谢组学表现出其在营养学的研究中具有极大的潜力与应用前景。
12.2.1.2食物中生物活性成分与机体的相互作用
在机体所必需的营养物质中，许多都是只能由食物供给而机体所不能合成
的，如必需氨基酸、必需脂肪酸等。这类物质的代谢及与机体的相互作用的研究也是营养学研究中的重要课题。Griffin等利用代谢组学的方法研究运动神经元退行性变的小鼠模型由于维生素E的摄入量不同而引起的系统代谢组变化[15]。通过对小鼠血液的NMR代谢轮廓分析，研究者们发现在维生素E严重缺乏的老鼠模型的血液中，葡萄糖、乳酸盐等物质明显升高。而在模型的脑提取物中，β-羟基丁酸盐、牛磺酸、谷氨酸盐、苯丙氨酸等代谢物明显升高，而肌苷、天冬氨酸、谷氨酰胺、γ-氨基丁酸等代谢物浓度降低。食物中的维生素E与机体内小分子物质代谢的关系可以通过代谢组学的方法系统的体现出来。由于运动神经元退行性变是儿童时期一种比较常见的改变，代谢组学的方法可以通过对体液的分析来判别这种维生素缺乏的发生，并可以在疾病标志物的研究上提供新的线索。
而对于另外的一些人体非必需的食物活性成分，如表儿茶酸，一种在绿茶、
可可和巧克力中广泛存在的植物类黄酮物质，Solanky等利用老鼠模型对这一类物质的作用进行了研究[16]。通过在鼠的饮水中添加表儿茶酸，随即对鼠尿进行
代谢组学轮廓分析，结果发现了柠檬酸、二甲胺等物质浓度的升高，并将结果解释为饮食中的多酚对肾功能及能量物质代谢的影响。这一研究利用了代谢组学的方法深入探讨了食物中的多酚类物质对于机体代谢的潜在影响。对于食物中活性成分与机体间相互作用的研究在营养代谢组学中的应用也见于许多其他的文献报道[17~20]。
12.2.1.3食物卡路里摄入的限制对动物代谢组影响的评价
为生物体的活动提供能量是食物的主要功能，而且卡路里摄入也是营养学研
究的领域之一。Selman等通过对血浆代谢组学的研究，评估了急性卡路里限制摄入的过程对C57BL/6模型鼠的代谢影响[21]。在实验的设计上，选取20只C57BL/6鼠为研究对象。在14周之前这些小鼠的在相同的条件下喂养，包括恒定的温度、固定的日夜节律、定量的食物摄入等。在14周之后，将实验鼠分为两组，即限制卡路里摄入组（caloric restriction，CR）和对照组（ad-libitum，AD）。从14周开始，CR组的能量摄入每周减少10%，直到CR组的能量摄入达到对照组的30%的时候，将老鼠处死，取得血液样本进行检测。取血前对模型鼠不采取禁食，以避免由于急性的饥饿状态带来的干扰。血浆以NMR进行代谢组学轮廓分析。
通过转录组学的研究发现，CR组的基因在脂肪代谢、脂肪酸合成、氧化及
糖异生等方面的表达都发生了明显的变化（图12-4）。而代谢组学的研究则表明，血液中的乳酸、3-羟基丁酸、胆固醇及低密度脂蛋白在CR组都有明显的升高。另外，包括血清肌苷、一些生糖氨基酸等代谢物的浓度也有增加的表现。上述所有的代谢物变化都表明，体内代谢的改变都是朝着能量转换及糖异生的方向进行的。同时，对基因表达的研究也同时表明，在肌肉组织及肠组织内，基因表达也朝着不利于细胞增殖的方向发展，机体通过对基因表达及代谢的调控来维持机体能量代谢的平衡。通过这个研究，代谢组学很好地解释了短期的卡路里的摄入限制对体内代谢物变化的影响，并结合转录组学的研究，很好地展现了机体在能量摄入不足的时候整体代谢途径的转变。对于这方面的研究，Wang等还利用代谢组学的方法评估了年龄及卡路里的限制摄入对狗的代谢组学的影响[22]。 12.2.1.4全胃肠外营养患者的代谢组学研究
全胃肠外营养是治疗某些严重的疾病（如肠瘘等）的重要手段。肠瘘多数是
手术后的并发症（大概80%）、肠道疾病、外伤、感染及严重的胰腺疾病等病因所导致。在早期曾经是一种死亡率非常高的疾病，随着治疗手段的不断进步，主要是营养支持治疗的不断发展，死亡率也逐年降低，但仍然是一种危险的疾病。我们研究组利用超高速液相色谱/飞行时间质谱（UPLC/QTOF）联用的代谢组学分析系统分别对肠瘘患者的血样进行代谢组学的研究[23]。从数据的PLS-DA的分析结果我们可以看出：正常人与肠瘘患者之间在血液的代谢组上存在着明显的差异。通过SIMCA-P软件的参数“VIP”（variable import ancein the projection）我们分别从正负离子数据中各选了20个潜在的标记物，对于其中经过（检验证明在患者与正常人之间存在显著差异的部分标记物进行鉴定。最终找出了9种潜在的生物标记物，包括4种结合型胆汁酸、1种肉碱、2种氨基酸，以及2种溶血磷脂酰胆碱等。我们将全部的31个标记物进行PCA分析，并将它们的浓度变化信息及相关性等信息加入，如图12-5所示。
在患者的血清内，色氨酸及苯丙氨酸的含量低于正常人，因为这两种氨基酸
属于必需氨基酸，只能从食物中获取，不能体内合成，因此我们可以发现患者体内的营养物质吸收的不足还是普遍存在的。而且，由于色氨酸还是体内重要的活性物质——5-羟色胺的前体物质，而苯丙氨酸则是合成酪氨酸的原料（图12-6），后者是体内很多激素的合成的原料，由此可见，这两种氨基酸的缺乏对机体有着重要的影响，需要引起足够的重视。另外，肉碱是体内脂肪酸合成及卩氧化的重要中间物质。肉碱在患者体内的缺乏则可能预示着患者体内的营养物质及能量代谢的障碍。而结合型的胆汁酸常常是作为肝脏损伤的标记物，我们发现在患者体内，4种结合型的胆汁酸的异常升高也可能预示着患者体内存在肝损伤。虽然这种损伤并不一定有着明显地临床表现，但是，如果不加以关注，也可能造成严重的后果，如器官系统的衰竭等。
通过代谢组学的研究可以发现，代谢组学在监控机体的营养物质代谢方面有
着很好的应用潜力，尤其对于全胃肠外营养的患者来说，代谢组学的方法对于营养治疗的指导或者器官功能衰退的早期发现都具有一定的应用前景。
12.2.2肠道菌群与宿主的相互作用
作为一个复杂的生物体，人类肠道内还有许许多多的微生物——通常被称作
肠道菌群。这些与人类共生的细菌同机体之间相互依存，很多研究表明，肠道菌
群的代谢与人体的代谢有着密切的联系[24,25]。而食物对于肠道的微生物环境有着极大的影响，同时，肠道微生物的状态也影响着食物中活性成分的吸收及代谢。因此，研究肠道微生物与宿主之间的关系就显得尤为重要。代谢组学在这个研究中可以发挥重要的作用，尤其是以尿液为研究对象时，肠道微生物与宿主间的代谢作用产物可以通过代谢组学的研究反映出来。
Nicholls等[26]以无菌小鼠为对象，在实验室条件下，模拟了鼠肠道内微生物
环境的形成过程，并以基于NMR的代谢组学平台对不同时间点的尿样加以分析。代谢组学的研究结果表明，在无菌鼠肠道菌群形成过程中，在21周左右鼠尿内的排泄物已经基本接近普通非无菌鼠的水平了（图12-7）。代谢物的浓度也表现出了开始阶段3-羟基苯丙酸的及后期马尿酸的升髙，尤其是TMAO在后期的增加，可以据此将其推断为肠道菌群的代谢产物。通过代谢组学的研究，可以清晰地了解到在肠道菌群形成的过程中，机体代谢及同微生物相互作用后的共代谢变化。
Dumas等进行了关于肠道菌群与宿主的共代谢的研究[27]。在老鼠模型中，
低脂饮食与高脂饮食之间的代谢差异可以通过血浆及尿液的代谢组学研究体现出来，而且饮食与胰岛素抵抗及非酒精性脂肪肝等代谢疾病之间的关系也得以从代谢的角度加以深入探讨。通过比较鼠血中的三脂酰甘油及胆碱的水平，及食物中的胆碱的作用等因素，不仅找出了传统的胰岛素抵抗的标志物，如高血脂、高血糖及磷脂等，还发现了与肠道菌群共代谢产生的新的生物标志物，如细菌源性的甲胺等。食物中的胆碱有3条代谢通路，包括在血液内转变为磷脂酰胆碱（PC）、代谢为肌苷等经尿排出，及由肠道微生物代谢产生甲基胺等物质，再经尿液排出。肠道微生物对胆碱的利用不足可能使体内的胆碱来源不足，从而引发PC的合成减少，直接导致极低密度脂蛋白（VLDL）的合成不足，而后者是三脂酰甘油（TG）运输到肝外的主要载体，从而使TG在肝内堆积，导致非酒精性脂肪肝（NAFLD）的发生（图12-8,见彩版）。这项研究表明了饮食习惯对于肠道微生物的影响及可能会进一步的导致NAFLD、胰岛素抵抗等慢性疾病的发生。
12.3代谢轮廓分析及代谢物靶标分析在营养学中的应用
在营养学的研究中，往往需要对某几种重要的营养物质或者某一类营养物质
进行分析，而代谢轮廓分析及代谢靶标分析的研究平台往往能够在这方面发挥重
