干血斑代谢组学：揭示运动诱导的广泛代谢通路变化，为无创诊断与健康监测提供新策略

《Metabolomics》：Dried blood spots capture a wide range of metabolic pathways and biological changes associated with exercise

为解决代谢组学技术难以在临床普及的瓶颈，研究人员开展了一项关于干血斑（DBS）样本的可行性研究。他们通过非靶向代谢组学分析，发现DBS能够有效捕获运动诱导的糖酵解、脂解、TCA循环及氨基酸代谢等广泛通路变化，且结果与血浆/血清文献报道高度一致。该研究为DBS作为代谢组学诊断和健康监测的理想样本类型提供了有力证据。

　　

代谢组学（Metabolomics）被誉为“最接近表型的组学”，它通过分析生物体内所有小分子代谢物的动态变化，能够最直接地反映个体的实时健康状况。这种技术就像给身体拍了一张“代谢快照”，在疾病诊断、生物标志物发现以及治疗反应监测方面展现出巨大潜力。然而，尽管技术本身非常强大，但将其转化为常规的临床检测却面临着一个巨大的障碍：技术门槛高，难以在基层医疗点（Point-of-Care）普及。传统的代谢组学分析依赖于超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）等复杂设备，这些设备不仅价格昂贵，操作和维护也极其专业，通常只能在大型的中心实验室进行。此外，常规的血液样本（如血浆、血清）在采集后需要严格的冷链运输和储存，这大大限制了其在偏远地区或家庭自采场景中的应用。

为了打破这一僵局，科学家们将目光投向了干血斑（Dried Blood Spots, DBS）。这种样本类型只需要指尖采血，滴在特制的滤纸片上晾干即可。它无需冷链，可以常温邮寄，成本低廉且易于操作，是连接中心化技术和分散化采样的理想桥梁。虽然DBS在新生儿筛查等领域已有应用，但其在捕获全面的、与生理状态相关的代谢组学信息方面的能力，尤其是在个体水平上追踪生物学变化的能力，尚缺乏充分的验证。

为了回答这个问题，来自Metabolon, Inc.的研究团队在《Metabolomics》杂志上发表了一项研究。他们设计了一项巧妙的可行性研究，利用运动这一能够引起全身性、可预测的代谢变化的事件作为“探针”，来检验DBS能否像传统血液样本一样，精准地捕捉到这些复杂的生物学信号。研究人员招募了14名志愿者，让他们在运动前和运动后立即采集DBS样本，同时设置静息状态作为对照。通过对这些DBS样本进行非靶向代谢组学分析，他们发现DBS不仅能够检测到广泛的代谢物，而且其揭示的运动诱导的代谢变化与以往在血浆和血清中报道的结果高度吻合。这项研究有力地证明了DBS是进行代谢组学分析的可靠样本，为未来将其应用于广泛的诊断和健康监测铺平了道路。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，他们招募了14名志愿者，通过指尖采血的方式自行采集干血斑（DBS）样本，并模拟了从诊所到中心实验室的运输和储存条件。其次，他们采用经过验证的非靶向代谢组学平台，对DBS样本进行提取和分析，该平台结合了超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）技术，并运用了四种不同的色谱方法以覆盖亲水性和疏水性化合物。最后，通过将检测到的代谢物与包含7000多种标准化学实体的专有参考库进行比对，对化合物进行注释，并利用统计模型分析运动前后代谢物的变化。

糖酵解

为了验证DBS能否捕捉到运动引起的能量代谢变化，研究人员首先关注了糖酵解通路。运动时，骨骼肌和红细胞会加速摄取和利用葡萄糖，导致血液中葡萄糖水平下降，而糖酵解中间产物和终产物（如乳酸）水平上升。研究结果显示，在运动后的DBS中，葡萄糖水平显著下降，而乳酸以及大多数糖酵解中间产物（如2,3-二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸）均显著增加。有趣的是，葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）的水平没有发生显著变化，这可能与受试者运动强度相对温和有关。总体而言，DBS成功捕获了运动诱导的糖酵解通量增加的特征性代谢谱。

脂解和脂肪酸氧化

除了葡萄糖，脂肪酸也是运动时的重要能量来源。运动通过激活脂解作用，将甘油三酯分解为游离脂肪酸（FFA）和甘油，FFA随后进入线粒体进行β-氧化。研究结果显示，运动后DBS中多种中长链单不饱和及多不饱和脂肪酸的水平显著升高。同时，作为脂肪酸进入线粒体的关键载体，肉碱（Carnitine）的代谢也发生了显著变化：游离肉碱水平下降，而多种酰基肉碱（Acylcarnitine）水平上升，其中乙酰肉碱（C2）的增加尤为显著。这表明DBS能够灵敏地反映运动引起的脂解和脂肪酸氧化增强的代谢状态。

氧化脂质

氧化脂质（Oxylipins）是由多不饱和脂肪酸（PUFAs）氧化生成的一类具有生物活性的脂质介质，参与炎症和免疫反应。研究表明，运动可以诱导多种氧化脂质在血浆中水平升高。在本研究中，DBS同样检测到了多种氧化脂质的显著增加，包括来源于亚油酸的13-HODE和9-HODE，来源于二高-γ-亚麻酸的12-HETE，以及来源于花生四烯酸的白三烯B4（Leukotriene B4）等。这些结果进一步证实了DBS能够捕捉到运动引起的复杂脂质代谢网络的变化。

TCA循环

三羧酸循环（TCA cycle）是能量代谢的核心，负责将碳水化合物、脂质和氨基酸的碳骨架最终氧化为二氧化碳并产生能量。为了满足运动时肌肉的能量需求，TCA循环的通量会显著增加，导致其循环中间产物在血液中积累。研究结果显示，运动后DBS中柠檬酸、顺乌头酸、α-酮戊二酸、富马酸和苹果酸的水平均显著升高。尽管琥珀酸（Succinate）的变化未达到统计学显著性，但整体趋势与文献报道一致，表明DBS能够反映TCA循环通量的增强。

氨基酸

运动时，氨基酸的分解代谢也会增强，特别是支链氨基酸（BCAAs），它们不仅为肌肉提供能量，其碳骨架还参与糖异生。研究结果显示，运动后DBS中亮氨酸（Leucine）水平显著升高，而缬氨酸（Valine）和异亮氨酸（Isoleucine）也呈上升趋势。更重要的是，这三种支链氨基酸的下游降解产物，如3-甲基-2-氧代丁酸（3-Methyl-2-oxobutyrate）和异丁酰肉碱（Isobutyrylcarnitine）等，均显著增加。此外，作为葡萄糖-丙氨酸循环的关键分子，丙氨酸（Alanine）在运动后也显著升高，这反映了肌肉将氨基酸碳骨架转运至肝脏进行糖异生的过程。

肌酸

肌酸（Creatine）和磷酸肌酸是肌肉中重要的能量储备分子。运动时，磷酸肌酸会迅速分解以补充ATP，其分解产物肌酐（Creatinine）会释放到血液中。研究结果显示，运动后DBS中肌酐和其前体胍基乙酸（Guanidinoacetate, GAA）的水平显著升高，而肌酸本身在运动后也呈上升趋势。这表明DBS能够灵敏地反映运动引起的肌酸代谢增强。

核苷酸代谢

剧烈运动时，肌肉中的ATP被大量消耗，导致腺嘌呤核苷酸池减少，次黄嘌呤核苷酸（IMP）积累。IMP可以进一步分解为次黄嘌呤（Inosine）、黄嘌呤（Xanthine）和尿酸（Urate）。研究结果显示，运动后DBS中腺嘌呤（Adenine）、次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸的水平均显著升高，而腺嘌呤核苷（Adenosine）水平下降。这反映了运动引起的嘌呤核苷酸分解代谢增强。

胆汁酸

胆汁酸是肝脏以胆固醇为原料合成的分子，主要功能是促进脂质的消化吸收。研究表明，运动可以增加胆固醇的周转和胆汁酸的排泄，从而导致循环中胆汁酸水平下降。研究结果显示，运动后DBS中多种胆汁酸，包括胆酸（Cholate）、甘氨胆酸（Glycocholate）和甘氨鹅脱氧胆酸（Glycochenodeoxycholate）等的水平均显著下降，这与文献报道的运动对胆汁酸代谢的影响一致。

膜脂质

磷脂酰胆碱（Phosphatidylcholine, PC）是细胞膜的主要成分。尽管有研究表明个体的心肺适能水平与血浆中PC水平相关，但关于单次运动对PC等膜脂质影响的报道较少。在本研究中，DBS分析未发现运动后磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺（Phosphatidylethanolamine）等膜脂质发生显著变化。这可能是由于膜脂质并非运动时的主要能量来源，其循环水平相对稳定。

维生素和辅因子

某些维生素和辅因子在能量代谢中扮演着重要角色。研究结果显示，运动后DBS中泛酸（Pantothenate，维生素B5）和维生素B6的代谢产物吡哆酸（Pyridoxate）水平显著升高。此外，抗坏血酸（Ascorbic acid，维生素C）及其分解产物苏糖酸（Threonate）的水平也显著升高，这可能与运动引起的氧化应激反应有关。

这项研究通过系统性地分析运动前后干血斑（DBS）的代谢组学变化，并与大量已发表的关于血浆和血清的研究结果进行比较，得出了明确的结论：DBS能够有效捕获与运动相关的广泛代谢通路变化，包括糖酵解、脂解、脂肪酸氧化、TCA循环、氨基酸代谢、肌酸代谢、核苷酸代谢、胆汁酸代谢以及维生素代谢等。这些变化与在传统血液样本中观察到的结果高度一致，证明了DBS在反映机体生理状态和代谢扰动方面具有与血浆/血清相当的灵敏度和可靠性。

该研究的意义在于，它有力地验证了DBS作为代谢组学分析样本的可行性。DBS样本的易采集、易储存和易运输特性，使其成为连接中心化代谢组学技术与分散化、家庭化健康监测的理想桥梁。这项研究为将代谢组学技术从大型研究机构推向更广泛的临床应用，如疾病诊断、治疗监测和健康评估，提供了关键的技术支撑和理论依据。尽管该研究存在样本量较小、运动强度未标准化等局限性，但其结果明确支持了DBS在代谢组学领域的巨大应用潜力，为未来的诊断和健康监测开辟了新的可能性。