循环甘油酸：预测果糖诱导的肝脂肪变性易感性的新生物标志物

这篇研究发现循环甘油酸可预测果糖诱导的肝脂肪变性（MASLD）抗性。通过对不同基因背景小鼠研究，证实口服果糖耐量试验后循环甘油酸水平能反映小肠果糖清除能力，且与肝脂肪变性相关，为个性化饮食建议提供依据。

　　

研究背景

在过去的一个世纪里，果糖的消费量大幅增加，大约增长了 100 倍。长期摄入果糖会导致肝脏脂质沉积和炎症，这是代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）的两个主要特征，MASLD 还可能进一步发展为不可逆的肝硬化。此外，患有 MASLD 的个体患心血管疾病和多种癌症的倾向明显更高，导致其发病率和死亡率居高不下。

尽管富含果糖的加工食品无处不在，但 MASLD 的患病率在个体和人群之间存在显著差异。这种差异归因于多种环境和遗传因素，因此识别宿主特异性因素对于确定个体对果糖的敏感性至关重要。

果糖和葡萄糖虽然化学式均为 C₆H₁₂O₆，但在哺乳动物体内的代谢途径截然不同。果糖主要由酮己糖激酶 - C（Khk-C）代谢，绕过了葡萄糖代谢中己糖激酶和磷酸果糖激酶步骤的有效调控，使得膳食果糖在小肠和肝脏中快速且几乎完全分解代谢，在进入全身循环之前就已被大量消耗。相比之下，大多数膳食葡萄糖能够顺利到达包括大脑、骨骼肌和脂肪组织在内的外周器官，在这些地方被摄取用于分解或储存。葡萄糖定量吸收是葡萄糖耐量试验的基础，通过该试验可轻松测量全身血液样本中的葡萄糖清除率。然而，由于果糖在全身循环中的含量极少，缺乏能够定量评估其吸收和分解的指标。

研究目的

本研究旨在通过在不同性别的基因差异小鼠品系中进行综合代谢组学和同位素示踪实验，寻找能够反映果糖清除情况的指标，进而推断个体对果糖敏感性的差异。

实验方法

1. 动物实验：选用 7 周龄的 C57BL/6J、DBA/2J 和 FVB/NJ 三个近交系小鼠，雌雄均有，购自杰克逊实验室。小鼠饲养在无病原体的屏障设施中，给予 Lab Rodent Diet 5001 饲料。适应 1 周后，将小鼠随机分为两组，一组给予普通水，另一组给予含 30%（wt/vol）高果糖玉米糖浆（HFCS）的水，自由摄食 12 周。每周记录食物和饮料摄入量，每两周测量体重和身体成分。
2. 口服果糖耐量试验：在实验第 0 周，对大量不同基因背景和性别的小鼠进行口服果糖耐量试验。给小鼠口服高果糖玉米糖浆（HFCS），通过基于液相色谱 - 质谱（LC-MS）的代谢组学方法测量循环代谢物随时间的波动（计算曲线下面积 AUC）。12 周后，处死小鼠，评估肝脏脂肪变性的严重程度。
3. 体内同位素示踪：给小鼠口服或腹腔注射 1:1 的 [U - ¹³C] 果糖和未标记葡萄糖混合物（2g/kg 每种己糖），在不同时间点麻醉小鼠，收集门静脉和全身血液样本，以及组织样本，用于分析代谢物。为测量甘油酸清除率，给小鼠腹腔注射 1g/kg 甘油酸，然后在后续时间点通过尾静脉采血。
4. 抗生素处理：在饮用的 30% HFCS 水中添加抗生素鸡尾酒（0.5g/L 氨苄青霉素、0.5g/L 新霉素、0.5g/L 甲硝唑和 0.25g/L 万古霉素）8 周，以消耗肠道微生物群，通过 LC-MS 测量微生物代谢物来验证肠道微生物的消耗情况。
5. 组织染色与分析：对肝脏组织进行苏木精和伊红（H&E）染色，由加州大学欧文分校医学中心实验组织资源核心的组织学核心进行操作，使用 QuPath 软件分析和量化数据。
6. 多种物质测量：采用多种方法对代谢物、脂质、脂肪酸、甘油、短链脂肪酸（SCFA）等进行测量和分析，同时进行定量 RT - PCR、Western blots 检测相关基因和蛋白表达，测量空腹血糖和胰岛素水平，并进行相应的统计分析。

实验结果

1. 口服果糖耐量试验可预测脂肪变性易感性：通过对不同基因背景小鼠的研究发现，小鼠之间肝脏脂肪变性的发展存在高度差异。系统相关性分析表明，果糖或葡萄糖的 AUC 与 12 周时的肝脏脂肪变性无关，主要循环代谢物如乳酸、丙氨酸和三羧酸（TCA）循环中间体也无法预测脂肪变性。而 0 周时甘油酸的 AUC 与 12 周时的肝脏脂肪变性呈高度显著的负相关，即使在相同遗传背景的小鼠中也是如此，这表明非基因组变量可能在其中发挥作用。此外，谷氨酸和谷氨酰胺与脂肪变性也存在较弱但显著的相关性。这表明口服果糖耐量试验后测量特定循环代谢物（甘油酸、谷氨酸和谷氨酰胺）有可能预测果糖诱导的肝脏脂肪变性易感性。

进一步分析发现，不同小鼠品系的脂肪变性表型存在差异，例如 FVB 小鼠在长期饮用 HFCS 后，果糖诱导的肝脏脂肪变性较轻，其肝脏非酯化胆固醇水平显著较低，炎症标志物的基因表达也呈下降趋势，尽管其 HFCS 摄入量更高。脂质组学证实 FVB 小鼠中各种脂质物种的沉积较少。同时，体重增加、脂肪量和瘦体重在不同品系之间无显著差异，且不能预测肝脏脂肪变性。

比较不同品系和性别的小鼠在口服果糖耐量试验前后的循环代谢组发现，HFCS 会导致特定磷脂（主要是磷脂酰胆碱 PC 和磷脂酰乙醇胺 PE）的循环水平下降，这与 MASLD 的特征相符，暗示了饮食果糖摄入与磷脂代谢之间的潜在联系。值得注意的是，在对果糖诱导的肝脏脂肪变性具有抗性的 FVB 小鼠中，HFCS 摄入后甘油酸水平大幅升高（约 6 倍）。通过非靶向代谢组学分析，发现了另外 8 种在 FVB 小鼠中受 HFCS 显著调节的代谢物，其中 5 种上调的代谢物（包括甘油酸）可能由果糖产生，¹³C - 果糖示踪实验也证实了甘油酸主要由果糖产生，且其在 FVB 小鼠中的增加主要是由于合成而非清除缓慢。
2. 甘油酸激增反映肠道果糖分解代谢：研究表明，小肠是合成甘油酸的主要器官。通过比较不同品系小鼠小肠甘油酸的产生情况，发现 FVB 小鼠在基线饮水条件下，小肠就有大量由果糖产生的甘油酸。慢性 HFCS 喂养后，FVB 小鼠小肠产生的甘油酸减少，但葡萄糖生成增加，反映了其对慢性 HFCS 摄入的代谢适应。在 HFCS 喂养的 DBA 小鼠中，观察到甘油酸的 AUC 为负值，可能表明甘油酸由非肠道器官产生并被小肠摄取。通过腹腔注射¹³C - 果糖绕过小肠的实验进一步证明，小肠在甘油酸产生过程中起着重要作用。

对 FVB 小鼠小肠中果糖分解代谢酶水平的研究发现，其十二指肠中三糖激酶（Tkfc）基因表达显著低于其他品系，而醛脱氢酶（Aldh1a1）表达则呈上升趋势，二者的比值在 FVB 小鼠中最高，且与血液中甘油酸水平密切相关。此外，研究还发现肠道微生物群对甘油酸产生或果糖糖异生作用影响较小。
3. 有效的肠道果糖清除与最小的肝脏脂肪生成相关：小肠对果糖的有效清除可降低门静脉循环中的果糖浓度，从而减少果糖诱导的肝脏从头脂肪生成（DNL），这是 MASLD 的主要促成因素。研究发现，FVB 小鼠在长期饮用 HFCS 后，肝脏中由¹³C - 果糖产生的甘油三酯（TG）和非酯化胆固醇增加最少，其空腹血糖、胰岛素和胰岛素抵抗稳态模型评估（HOMA - IR）水平也普遍低于其他品系，表明其肝脏脂肪积累较少，胰岛素抵抗较轻。

利用氘水（²H₂O）评估总 DNL 活性发现，FVB 小鼠的 DNL 诱导作用比其他品系弱得多。同时，DNL 与肝脏脂肪变性呈正相关，FVB 小鼠中主要的脂肪生成酶 Fasn 和 Scd1 在 HFCS 喂养后未像其他品系那样显著诱导。这表明 FVB 小鼠中强大的肠道果糖分解代谢与较低的肝脏 DNL 和脂肪变性相关，而这种保护作用可通过果糖耐量试验后循环甘油酸的激增来衡量。

此外，研究还发现 FVB 小鼠在急性果糖刺激后会产生大量甘油酸，但在慢性果糖消耗后，小肠会通过增加糖异生作用来防止甘油酸的毒性积累，同时仍能有效分解代谢果糖。这一发现强调了肠道健康作为宿主特异性因素对果糖诱导的肝脏脂肪变性易感性的影响，例如炎症性肠病（IBD）患者肠道健康较差，更容易发生 MASLD，且果糖摄入会加重病情。

研究结论

本研究通过对不同基因背景小鼠的研究，确定了循环甘油酸作为预测果糖诱导的肝脏脂肪变性抗性的生物标志物。口服果糖耐量试验后循环甘油酸水平能够反映小肠果糖分解代谢能力，高效的小肠果糖清除与较低的肝脏脂肪生成和脂肪变性相关。这一发现为通过简单的血液检测预测个体对果糖诱导的肝脏脂肪变性的易感性提供了可能，有望为个性化饮食建议提供科学依据，从而预防和控制 MASLD 的发生发展。然而，本研究也存在一定的局限性，如未全面测量个体小鼠的一些潜在混杂因素，且仅研究了果糖诱导的肝脏脂肪变性，未涉及高脂肪饮食的影响。未来还需要进行人体研究来验证果糖耐量试验和甘油酸测量在识别果糖敏感个体方面的临床应用价值。