代谢组学：运动人体科学研究的新工具

黄彩华，归予恒，林东海

代谢组学：运动人体科学研究的新工具

黄彩华1，2，归予恒3，林东海4

代谢组学是一种系统生物学方法，能对运动和训练引起的机体整体的代谢反应进行系统评价。最近，代谢组学被用于研究竞技训练、运动和其他相关干预（如运动营养干预和兴奋剂等）所引起的代谢变化或代谢适应，给运动人体科学研究带来了全新的视角。由于这一新工具的重要作用，在详尽地分析现有的应用代谢组学研究运动人体科学问题的文献基础上，阐述了目前运动代谢组学研究的现状、成果和存在的不足，并对代谢组学在运动人体科学研究未来的应用前景进行展望。

代谢组学；方法；竞技体育；运动；人体科学；展望

2010年，Nature杂志撰文“2020年展望”（2020Visions），邀请包括生态、天文、能源、人口等18个重要领域的研究人员和政策制定者，对下一个10年各专业领域的发展进行展望，代谢组学的奠基人英国帝国大学的Nicholson受邀简述了代谢组学在未来的应用前景。代谢组学（metabonomics／metabolomics）是20世纪90年代中期，继基因组学和蛋白质组学之后发展起来的一门新学科，它通过对生物体内尽可能多的低分子量代谢物（分子量小于1 000）进行定量分析，研究在某一时刻生物体或细胞内所有内源性代谢物组（metabolome）整体及其变化规律，据此探讨代谢物与生理病理变化的相互关系和动态规律（Nicholson等，1999）。

运动对人体代谢产生深远影响，不论是急性运动还是长期运动，都会引起机体物质和能量代谢的变化或者适应，并且必然在代谢物上有所体现。同时，代谢物也对机体的细胞信号释放、能量传递、细胞间通信等进行调控。因此，采用代谢组学研究运动人体科学问题具有很大的潜力。为此，我们以“代谢组学”和“运动”检索了中国知网的文献，以“（metabolomics、metabonomics）和（exercise、sport、physical activity、training、athlete、doping）”检索Pubmed和Springer数据库（检索截至2011年5月4日），得到20篇相关文献（包括2篇综述）。本研究阐述代谢组学应用于运动人体科学研究的现状、主要成果和存在的不足，并对代谢组学在运动人体科学研究未来的应用前景进行展望。

1 采用代谢组学研究运动人体科学问题的方法学优势

代谢问题一直是运动人体科学研究的重点。运动生物化学通过分析血液、尿液样品或者骨骼肌活检，对人类和动物运动中一些代谢物的变化进行研究（Gibala等，1998；Van Hall G等，2003）。传统的运动人体科学实验研究一般通过测量和比较运动前、后一个或一组指标的变化来评估运动的作用。按照一些预设的假说，研究者事先选择观察指标，进行实验观察这些指标的变化，通过对实验数据进行统计和分析，进而否定或肯定事先预设的假说。这种研究模式已经成为经典的范式，被成功地用于运动人体科学研究，但是，它的缺点也很明显，比如，对于我们尚不知道的物质或者还不了解的作用通路，我们不知道应该选择哪些指标来验证。更重要的是，由于生物体是一个动态的、多因素综合调控的复杂体系，不同组分之间可能相互拮抗、相互诱导，同时，有机体具有代偿作用，通过观察个别指标来判断生物体状态或外加因素的影响程度，所得结果往往不够全面，甚至可能存在错谬之处。

组学研究方法采用完全不同的思路，通过“全景式”扫描所有的基因、蛋白质、代谢物等，对所获得的高通量生物信息进行分析。这些研究方法可以不预先设定将要检测的具体指标。由于代谢组是基因组、转录组和蛋白组的“终端产物”，代谢物包含了反应生物体系表型的直接的、全面的“生物标记物”（biomarker）信息，不仅可以反映细胞所处的环境、营养状态和其他外界因素（如药物、环境污染物的影响），而且能反映运动的影响。因此，代谢组学正日益成为整体性研究生命体系功能变化的有力工具。我们在详尽地分析了代谢组学的发展，以及目前采用代谢组学研究运动人体科学问题的国内外文献后，认为代谢组学方法将成为运动人体科学研究中的一个极其有用的新工具。我们将这个新工具定义为“运动代谢组学”：1）主要研究由运动或者其他相关干预（包括运动营养补剂、兴奋剂）引起的低分子量代谢物的整体或变化规律；2）通过谱学技术检测样品，用模式识别方法评估运动或干预对运动人体代谢模式的影响，并寻找相关的生物标志物，阐述运动或干预发挥作用的代谢调控网络及其分子机制。由于所有耗能的人体活动都可能导致代谢物的产生或改变，这些代谢物作为多种代谢途径的底物和产物在机体内发挥作用，用代谢组学方法可以对体液中的这些代谢物进行系统的检测，因此，代谢组学具有明显的方法学优势。可以预见，运动代谢组学将成为研究运动或干预引起的人体功能变化的强有力分析手段。

2 运动代谢组学目前的研究进展

2.1 目前运动代谢组学研究的主要问题

目前，运动代谢组学研究的运动人体科学问题大致可以分为以下几类：

1.竞技运动训练方面的问题，如训练监控、代谢适应等问题。竞技体育对运动员体力和体能等方面的要求越来越高，科学化训练是运动员在竞赛中取胜的基本保证。一些研究采用代谢组学方法观察了竞技训练期间代谢物的变化，比如赛艇训练、游泳训练不同阶段的代谢物变化（Yan等，2009；王磊等，2008）。李江华等对参加多哈亚运会的短距离游泳运动员进行基于NMR的代谢组学研究，尝试了将代谢组学方法运用于竞技水平甄别、比赛成绩预测，筛选了区别不同竞技水平运动员的代谢标志物，并对代谢组学数据分析方法进行了新的尝试（李江华等，2010）。Pechlivanis等（2010）对不同的训练方案进行研究，他们设计2次训练，训练内容均为3×80m跑，但是3趟之间间歇时间不同。他们比较了采用不同训练方案进行训练时，代谢物变化的差异（Pechlivanis等，2010），这项研究用代谢组学方法评估运动训练方案的效果，为运动训练科学化提供了新的研究策略和理论依据。

2.运动营养问题。一些研究将代谢组学用于运动营养研究，比如，运动后补充不同功能补剂的作用，观察补糖（Kirwan等，2009），补充碳水化合物和／或蛋白质（Chorell等，2009），补充以绿茶为主的电解质运动饮料（Miccheli等，2009）的效果。Coolen等在研究间歇性跛行患者缺血再灌注的代谢变化的同时，评估维生素C和维生素E干预的效应（Coolen等，2008）。Sestili等对一水肌酸（Creatine monohydrate，Cr，运动中最常用的营养补剂之一）进行了代谢组学研究（Sestili等，2011），分析运动时补充Cr会通过哪些途径发挥作用。此外，运动代谢组学也被用来研究氧化应激。众所周知，氧化应激是导致人体衰老的一个重要原因，也是诱发包括恶性肿瘤在内的多种疾病的一个重要因素，近年来，人们还发现它是基因突变的一个主要潜在致因。寻找敏感、特异地反映氧化应激的生物标志物一直是多个学科研究的热点，但目前对人体氧化应激进行定量仍然是个难题。最近，Lee等（2010）探讨了运动前摄入高剂量抗氧化剂是否能缓解大强度运动引起的氧化应激，他们只采用了一个健康人作为研究对象，让受试者进行两次相同运动设计的亚极量强度的功率自行车急性实验（以70%˙VO2peak强度运动45min，随后以90%˙VO2peak强度运动4.5min），两次实验分别让受试者补充和不补充抗氧化剂NAC（N－acetyl－L－cysteine，N－乙酰半胱氨酸），比较运动前、运动中和运动后代谢物变化的时间轨迹（Lee et al.，2010），用无监督PCA方法分析了抗氧化剂引起的代谢改变和NAC的抗氧化功能，结果他们取得了一些有趣的新发现。

3.急性和慢性运动对机体代谢的影响。由于急性运动对机体产生较大的扰动，因此，运动代谢组学可以用于研究急性运动前、运动过程中和运动后代谢物的变化（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过这种急性扰动收集数据，讨论代谢组学数据分析方法（Pohjanen等，2007），另一些研究则更多地关注运动问题本身。慢性运动对机体代谢影响的研究很少（Huang等，2010；Jeanette Kuhl等，2008）。

目前，运动代谢组学研究的问题逐渐深入，呈现出一定的整合趋势，部分研究体现出这一特点（Lehmann等，2010；Lewis等，2010；Rasmussen et al.，2010）。Rasmus－sen等将基于NMR的代谢组学技术用于讨论运动中脑部糖代谢的问题（Rasmussen等，2010），而Lehmann等结合了人体运动实验和动物肌组织的研究，讨论了骨骼肌脂代谢问题（Lehmann等，2010）。Lewis的研究既进行人体的急性实验室运动实验，也观察了半程马拉松赛前、后代谢物的变化，并且进行动物实验、细胞培养，通过体内、体外的实验，超长距离跑和实验室跑台运动的研究，比较全面地研究了运动对人体代谢的影响。他们发现，在运动时，更为健康的人与不太健康的人的代谢物变化显著不同。在急性运动时，健康的人运动时能量动员显著高于不太健康的人。更加有趣的是，那些参加马拉松赛的业余马拉松运动员，其代谢模式与普通人有明显的差异，在运动时，他们能量动员的增幅非常大，其中，代表酮体生成的β羟基丁酸酯（β－hydroxybutyrate）可升高401%，而代表脂解的甘油更可升高1 128%（Lewis et al.，2010）。同时，Lewis等的研究深入探讨了运动的代谢调控路径。

表1 运动代谢组学研究工作一览表Table 1 Metabolomics－based Sport and Exercise Experimental Research

4.运动对慢性疾病的影响。慢性疾病往往具有代谢紊乱的病理基础，这也是代谢组学研究的重点。一些研究用代谢组学研究运动对病理状态的影响，如对冠心病（Barba I等，2008）、间歇性跛行（Coolen等，2008）、糖尿病（Jeanette Kuhl等，2008）、肥胖大鼠（Duggan等，2011）和超重人群（Redman等，2011）进行的研究，从文献的数量和质量上看，目前，运动干预慢性疾病的代谢组学研究尚处于起步阶段。

5.兴奋剂问题。采用分析化学的方法进行赛马反兴奋剂研究已经有相当长的时间了，而用于人类兴奋剂研究也已经至少有40多年。在此期间，采用的分析技术不断发展，而兴奋剂覆盖的范围也日益扩大。但是，兴奋剂检测总是处于一种应战的状态，不断面临着各种新的兴奋剂挑战。因此，一些研究人员提出，服用兴奋剂的目的是希望通过不正当的手段促成运动员机体产生显著的生物学变化，从而提高运动成绩，那么，反兴奋剂工作应该采用代谢组学方法检测代谢物变化，分析服用兴奋剂后生物学变化不同阶段的代谢通路，以甄别服用兴奋剂的违规行为（Mitrevski等，2009；Saugy等，2009）。Dumas和Rijk的动物实验有助于我们理解这个方面的工作。Dumas给牛喂养了促进蛋白合成的类固醇，采用NMR技术检测尿液，发现了一些服用类固醇的生物标记物在合成代谢中发生变化，如三甲胺－N－化物、二甲胺、马尿酸、肌酸、肌酐和柠檬酸等，这表明，牛在服用兴奋剂后机体对氮平衡和能量代谢产生了整体的代谢适应性变化（Dumas等，2005）；继而，Rijk用UPLC－TOF／MS方法检测了动物（家禽）在采用了类固醇激素后的尿液代谢物，也发现了实验动物在促蛋白质合成上出现变化（Rijk等，2009）。虽然，这2篇文献的本意是尝试通过代谢组学方法检测饲料安全，但是，作者都提到，代谢组学方法可以作为兴奋剂检测的辅助方法，以鉴别运动员是否服用了促蛋白质合成类的兴奋剂。最近，Kiss（2011）发表了第一篇真正意义上运用代谢组学研究兴奋剂问题的研究，他们通过法国反兴奋剂实验室取得20例已经被检测出类固醇和糖皮质激素阳性的运动员尿样，与无服用兴奋剂的志愿者对比，采用LC－MS进行样品的谱图检测，并进行模式识别，结果，前2个主成分和前3个主成分的PCA分析均能很好地把两组样品区分。尽管作者没有提供他们发现的一些特征代谢物，但是，他们认为，可以通过代谢组学方法对运动员尿样进行快速扫描，以发现禁药作用后可能的目标（Kiss等，2011）。

2.2 技术平台和数据分析流程

代谢组学研究运动的一般程序包括3个部份，即运动实验部分（与运动相关的样品收集）、代谢组学的实验操作部分、代谢组学的数据处理和信息分析部分。

在运动实验部分，主要通过两种方式收集样品：1）横断面数据收集，如比较运动员与健康人、不同项目运动员、不同水平运动员之间代谢模式的差异，这种基于状态定位（stated－based）的研究，观察长期运动（或训练）造成的代谢适应（metabolic adaptation），分析在基础状态下这种代谢适应表现出的代谢模式的差异。目前的多数研究采用的是没有运动干预的横断面数据。值得注意的是，由于基础状态的代谢模式受到很多因素的影响，通过收集一次样品来分析这种代谢适应后的代谢模式和特征标记物可能会遇到一定的障碍。那么，通过较小的样本量对具有较大变异性的结果做出判断，需要谨慎。当然，当扰动足够大时，比如运动员服用兴奋剂，此时机体产生类似于药物药性或者毒性的作用，那么，通过比较兴奋剂检测阳性与阴性运动员之间的代谢物组，可能较容易发现代谢模式的差异并找到特征代谢物；2）纵向数据的收集，即通过比较运动前后（急性实验）、营养或其他干预前后（慢性实验）、运动训练不同阶段等样品，研究运动对代谢的影响，并进一步通过代谢物组的时程变化（time course）分析代谢模式变化的时间轨迹及各阶段的生物标记物。

代谢组学的谱学检测等实验部分包括样品的采集和仪器分析。目前，运动代谢组学主要采用血浆、血清和动物的组织萃取液进行研究，采用的主要技术手段为核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）、质谱（Mass Spectrometry，MS）、色谱（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）或者几种技术联用（表1）。这些分析技术在鉴定和定量分析各种小分子化合物上有着重要的作用。

代谢组学的数据处理和信息分析部分包括数据的分析、生物信息提取、生物内涵的解释等。目前，运动代谢组学的数据分析技术主要依靠各种分析仪器、软件和数据库建立数据分析平台，如数据提取、峰对齐和去噪技术、代谢化合物谱库和生物信息学上的多维、单维数据统计方法，如主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）、偏最小二乘法－判别分析（partial least squares discriminant analysis，PLS－DA）和正交偏最小二乘法－判别分析（OPLS－DA）等。

2.3 运动代谢组学研究的主要进展

目前，报道的运动代谢组学的研究工作数量不多，并且实验设计、运动方案、受试对象等都不相同，因此，现有文献已鉴别出的特征代谢标记物各有不同。已经鉴别出的这些生物分子涉及糖、脂肪、蛋白质等3大物质的代谢途径，并发现与核酸代谢有关。这些发现部分与之前运动生物化学的研究结论一致，比如，运动中的糖酵解、脂肪分解、蛋白质代谢、酮体代谢等，此外，研究者们还找到了一些目前尚不明确结构和功能的未知代谢物。这些代谢物提示了某些代谢通路对运动的重要作用。比如，烟酰胺类代谢物在优秀运动员的尿液（李江华等，2008）和有氧运动后的血液（Lewis等，2010）中显著升高。烟酸和烟酰胺为维生素PP族，在体内可以相互转化。维生素PP的活性形式是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋，又称辅酶Ⅰ）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP＋，又称辅酶Ⅱ），NAD＋为辅酶的脱氢酶在参与呼吸作用时，代谢物脱下氢转递给NAD＋，使之成为NADH和H＋。NAD＋调节糖和脂肪酸氧化，而NADH调节乳酸、甘油和生糖氨基酸的糖异生过程。Bruck等（2010）对Lewis等（2010）的研究给予了高度关注，并进一步解释了运动时烟酰胺类物质增加的原因，如运动时NAD＋／NADH转换加快，可能刺激了NAD＋的合成；以及运动中细胞内NAD＋大量消耗，Sirtuins（保守依赖于NAD＋的去乙酰化酶）将组蛋白去乙酰化，NAD＋作为反应底物，产生副产品烟酰胺（Burke等，2010；Dang等，2009；Finkel等，2009）。此外，Lewis等的研究还表明Nur77（nerve Growth factor IB，NGFIB；nr4a1（nuclear receptor subfamily 4group A member 1））代谢通路的重要作用。Nur77是最近发现的对骨骼肌葡萄糖利用和脂质代谢密切相关的转录调节子（Chao等，2007；Maxwell等，2005），也是代谢综合征的潜在治疗靶点（Smith和Muscat，2006）。Nur77在肥胖和2型糖尿病患者体内显著下降，并在胰岛素增敏治疗后显著升高（Lessard等，2009）。运动时，甘油、烟酰胺、葡萄糖六磷酸、泛酸、琥珀酸等代谢物升高，它们单独作用并不能改变Nur77的表达，但是它们共同作用能迅速上调NUR77的表达。

3 目前运动代谢组学研究存在的不足

目前，运动对人体机能改善作用的分子机制已经引起不同学科的高度关注，但是采用代谢组学进行运动人体科学问题研究的还很少，已发表的文献仅20篇（包括综述）。除了仪器设备较昂贵等操作性问题外，部分障碍源于代谢组学方法本身存在的问题，也有运动问题相关研究尚未充分开展留下的不足。从已发表的运动代谢组学文献来看，目前的研究存在的不足之处有：

3.1 代谢组学数据分析和解释有待深入

代谢组学作为一种年轻的系统生物学方法，在技术方面尚有欠缺，有待发展。目前分析技术还存在一定的局限性，需要研发出能更精确地探测样本内所有可能的化合物的分析仪器。此外，高通量样品的分析、海量数据处理、代谢产物的识别也是在代谢组学应用研究方面需要进一步完善的，而更具挑战性的工作，是进一步确认所有代谢物的功能，并对发现的大量特征代谢物进行生物学解释。

除了个别研究外，多数研究都或多或少地发现了相关的特征代谢物。对于这些特征代谢物，多数的研究以代谢产物的角度，分析它们在体内相应的代谢途径，以探讨代谢机制。然而，这些特征性代谢物同样可能作为底物，对下游的信号通路产生影响，因此，在找到特异性的代谢特征物之后，还可以通过体外细胞培养进行分子生物学研究，对代谢组学发现的结果进行更深入的验证（Lewis等，2010）。目前，运动代谢组学的研究进行这方面探讨的研究工作还很少，使得多数研究对于结果的解释并没有提供很多过去已知的运动生物化学知识之外的增量知识。

另外，多数研究没有充分考虑实验对象或者观察对象的初始状态对研究结果的影响。处于平衡状态的系统，在受到足够大的扰动作用后会偏离原来的平衡状态。系统在扰动作用消失后，经过一段过渡期，若能恢复到原来的平衡状态（或足够准确地回复到原来的平衡状态），则系统是稳定的。若干扰消失后系统不能恢复到原来的平衡状态，偏差越来越大，则系统是不稳定的，对于生物体而言，则将处于一种内稳态失衡的状态（dyshomeostasis）。需要注意的是，在一定的扰动范围内，内稳态具有将系统拉回原来的平衡状态的特性。李江华等强调了内稳态的重要性，他们认为，运动员处于系统内稳态时，采用代谢组学方法能很好对他们的竞技水平和体内代谢物的竞技信息进行甄别，因为，此时代谢物反应的是其相对稳定的竞技信息。基于此，他们提出了新的代谢组学数据分析方法，即筛选变异系数最小的分组主成分，这些主成分是在饮食、运动训练等扰动之外的稳定信息。他们尝试用变异系数最小的几个主成分进行组合来分组，而不采用前两个或者3个主成分进行区别，并藉此寻找特征代谢物。这一分析方法对代谢组学的数据处理提供了一个新的思路，其效果尚待验证。因为，从系统科学和数据模型来看，系统的稳定性分为两种情况：一是大范围内稳定，即起始偏差可以很大，系统仍稳定；另一种是小范围内稳定，即起始偏差必须在一定限度内系统才稳定，超出了这个限定值则不稳定。对于线性系统，如果在小范围内是稳定的，则它一定也是在大范围内稳定的。而对非线性系统，在小范围内稳定，在大范围内就不一定是稳定的。可见，李江华等这一新思路所探讨的稳定性问题，是大范围内的稳定性问题，即是线性系统的稳定性，而有机体系统的稳定性往往是非线性的。因而，还需要大量的实验数据和分析对此进行验证。

3.2 研究内容和研究对象仍需拓展

目前的相关文献在竞技运动的监控、营养等问题上有所涉及，但是，研究内容还比较局限。比如，对于运动性疲劳、过度训练等运动训练中非常重要的课题并无涉及；其二，当前慢性疾病发生率日益升高，对公共健康造成很大危害，而运动是干预慢性疾病的经济、有效的手段，但是，采用代谢组学研究运动干预慢性疾病患者的报道非常少见。此外，目前进行动物实验的研究较少，尽管采用人类作为受试对象进行研究非常重要，但是，在进行深入的机制研究方面，采用实验动物具有人类实验所不可比拟的优势和便利（Ghosh等，2010）。

3.3 运动实验设计缺少多样化

从表1中可见看出，目前的研究多为无干预的横断面研究，或者是急性运动研究，而长期运动实验较少。由于运动的效应往往是通过一段时间的运动（或训练）达成的，比如对慢性疾病进行运动干预，患者会发生哪些代谢模式的变化，这些变化的代谢调控和分子机制是什么等等，都需要采用慢性的运动方案进行研究，因此，运动代谢组学亟需纵向实验的研究。

3.4 整合性研究需要开展

整合各种平台的数据，进行系统分析是代谢组学发展的趋势。一些运动代谢组学研究已经呈现出这一趋势，如人体运动实验与动物实验结合、不同来源样品结合等等，但是这方面的工作依然存在很大的不足。一些整合性研究对运动代谢组学研究提供了很好的借鉴，比如Saric（2010）等研究感染不同寄生虫的啮齿类动物的病理反应，他们将目前研究的热点之一细胞因子的研究与代谢物联系起来进行整合式的研究。细胞因子是体内重要的大分子蛋白质，而由血液和尿液的代谢组学分析可以得到海量的小分子化合物，将二者联合，分析宿主体内的代谢产物及细胞因子之间的关系，可以构建免疫途径和生化途径研究之间的联系，有助于更全面地理解感染寄生虫后病理反应的本质（Saric等，2010）。

4 运动代谢组学展望

作为运动人体科学的母学科，医学、生理学、生物化学等研究逐渐呈现两种趋向，一是对单个或几个基因、转录因子、大分子蛋白质及其信号通路的研究；二是通过一种系统的、整合的方式，以组学技术全面了解生物学通路、网络和分子系统。随着需要回答的问题越来越复杂，分与合的整合模式显得更加重要，这种整合交互在单个研究问题层面、合作层面甚至学科层面都是需要的（Campbell等，2007）。运动对机体的影响往往是整体性、系统性的，因此，仅用一个或者一组指标很难反映整体的代谢轮廓，需要用系统生物学的方法进行全面系统地研究。代谢组学通过分析运动导致的内源性代谢物组的效应，为我们了解生命的本质、运动的效应提供了高通量的生物信息资源，为运动人体科学发展提供了极好的机遇。可以预见，代谢组学技术将在运动人体科学的诸多问题上，提供新的思路和高效的技术手段，为寻找运动相关的新的生物标记物，发现新的代谢途径，或更深入地了解目前已知的代谢途径提供新工具。因此，本研究对代谢组学方法在运动人体科学中可能的应用前景做一个阶段性的展望。

4.1 运动训练监控、运动性疲劳和过度训练问题等

应用代谢组学方法，可以对运动训练方案的设计、运动训练过程的监控和运动效果评价等提供更全面的证据。目前运动代谢组学尚未对运动性疲劳、过度训练等运动训练中非常重要的课题进行研究。运动性疲劳和过度训练问题一直是竞技运动生理生化研究中的热点，同时也是难点，因为很难建立普适、敏感、特异性高并且便利的评价手段和指标体系，代谢组学在这些研究方面存在很大优势，比如能够进行整体性的研究、只需要采集尿样即可进行研究，这对训练监控带来很大的便利。

4.2 运动干预慢性疾病的代谢调控网络和分子机制

越来越多的证据显示，运动对许多疾病都有效，可见运动对机体代谢的影响是整体性的，通过多环节、多靶点发挥效应，这与药物往往针对某个环节和靶点起效是不同的。运动对慢性疾病作用的分子机制并不明确，这一状况与之前研究方法上的不足有一定的关系，因此以系统生物学的研究思路和技术手段对运动干预慢性病进行整体的研究，有望同时找出多个运动干预后特异性变化的小分子代谢物，分析代谢通路的增强或减弱，这将对深入探讨运动对慢性病的改善作用、验证运动处方的效果等等运动人体科学问题提供新的研究策略。

更为重要的是，运动代谢组学研究可能为开发慢性疾病的新药提供新思路。由于运动的无毒副作用和广谱的整体效应，Burke等提出药物开发可以模拟运动产生作用的路径，以寻找更有效的治疗手段和靶点，并将其命名为“gymnomimetics”（Burke等，2010）。例如，NAD＋升高被认为能够延长寿命，并且与细胞内氧化应激、基因组稳定性、肿瘤发生和能量代谢关系密切（Finkel等，2009），而运动代谢组学研究发现，运动能显著增加NAD＋，由此Burke提出，能否直接补充NAD＋，以达到运动所带来的效益呢？当然，要想实现Burke提出的药物模拟运动效应，首先需要对运动改善慢性病的代谢紊乱机制和相关生物标志物有更明确的了解。

4.3 兴奋剂问题

目前，在反兴奋剂研究方面，亟需进行两个方面的工作，即有效生物标志物的筛选和新的检测、分析方法的引入，这两个方面的工作是相辅相成的。世界反兴奋剂机构（World Anti－Doping Agency，http：／／www.wada－ama.org）成立之后，在反兴奋剂研究方面得到了国际协调基金的资助，而兴奋剂的生物标志物研究一直是这项基金最大的资助方向（（Teale等，2009）。由于反兴奋剂检测的技术手段和兴奋剂清单的覆盖范围总是相对落后于兴奋剂的出现，因此，如果能够运用全景式的快速扫描，如系统生物学方法，锁定可能的兴奋剂类型，在此基础上再结合经典的技术手段进行检测，将大大提高兴奋剂检测的效率。更为重要的是，引入系统生物学方法和手段，对整体的代谢物、基因和蛋白质进行分析，还可能发现一些目前国际兴奋剂清单中未列入或者未知的生物标志物，这对反兴奋剂的斗争从被动等待向主动发现转化，具有重要的意义。

4.4 运动营养问题

对于不同的运动项目，运动员需要补充什么、何时补充、补充的效果评价等运动营养问题都可以通过代谢物组的变化来进行分析。这方面的研究依然存在很大的空间。

4.5 运动选材问题

已有一些文献对运动竞技水平做了甄别，今后还可能通过建立运动员基础数据库，获得个体和群体以及优秀运动员的数据信息，根据运动项目的专项性特点，预测运动员的发展潜力，提高运动选材的科学性。

总之，代谢组学方法的发展将为人类更全面、更深入地了解运动对人体机能改善作用的分子机制提供有力的技术支持。可以预见，今后几年内，采用代谢组学方法研究运动人体科学的研究论文将呈现几何级递增的趋势，代谢组学方法将成为一种广泛地用于系统、深入地探索运动人体科学问题的最强有力的新工具。

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Metabolomics：A Novel Tool for Sports and Exercise Science

HUANG Cai－hua1，2，GUI Yu－heng3，LIN Dong－hai4

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

福建省自然科学基金（2010J01178）。

黄彩华（1969－），女，福建建阳人，副教授，硕士，在读博士研究生，主要研究方向为运动与代谢，Tel：（0591）22862201，E－mail：hch＠mail.fjmu.edu.cn。

1.福建医科大学，福建福州350108；2.福建师范大学体育科学学院，福建福州350007；3.福建省体育科学研究所，福建福州350003；4.厦门大学化学化工学院化学生物学系，福建厦门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.