近日，由廣東省醫療援藏首席專家、廣東省人民醫院急診科、廣東省精準醫學應用學會急危重癥分會名譽主委李欣教授牽頭上海百趣代謝組學技術研究中心劉志鵬研究員團隊、以及林芝市人民醫院等多家單位在國際著名學術期刊Redox Biology（中國科學院一區，2024年即時影響因子/JCR分區：11.25/Q1）上發表了題為Serum metabolomic profiling uncovered metabolic shifts in individuals upon moderate-altitude exposure and identified the potentiality of beta-alanine to ameliorate hyperuricemia的論文。研究表明，中等海拔暴露會引起人體的血清尿酸和代謝組改變，而體內外實驗表明β-丙氨酸干預可以改善高尿酸血癥，且基于血清代謝物和臨床指標的預測模型能夠輔助識別中等海拔暴露期間出現無癥狀高尿酸血癥的風險，該研究結果可能為防治高尿酸血癥及其相關疾病開辟新的途徑。

廣東省醫療援藏首席專家、廣東省人民醫院李欣教授，上海百趣代謝組學技術研究中心劉志鵬研究員和范艷群研究員為共同通訊作者；廣東省人民醫院陳軒馥博士后、鄒國祥博士及楊智博博士為論文共同第一作者。

背景介紹

高原環境對人體代謝的調控機制一直是研究熱點，高原環境（海拔超過1500米）以低氧、低壓、強紫外線為特征，可引發急性高原病、炎癥反應及氧化應激等病理生理異常。近年來，多項研究表明高原暴露與高尿酸血癥（hyperuricemia，HU）及痛風風險增加密切相關，高尿酸血癥是人體尿酸異常升高引起的代謝性疾病。據統計，我國15歲及以上的人群約有16.4%患有高尿酸血癥，尤為嚴重的華南地區平均4個人就有一個患有高尿酸癥。然而尿酸又作為人體重要的抗氧化劑，其水平升高可能是機體應對高原缺氧的代償反應。但長期高尿酸狀態可導致痛風、慢性腎病等并發癥，危害顯著。然而，目前研究多聚焦于短期（如2小時~1個月）高海拔（>3000米）暴露的影響，對長期（如12個月以上）中等海拔（1500-3000米）暴露下尿酸代謝的動態變化及機制尚不明確。此外，現有代謝組學研究多局限于低海拔人群或動物模型，缺乏系統性縱向分析，尚未建立有效的風險預測模型。本研究首次通過整合非靶向血清代謝組學、靶向代謝組學和臨床表型數據，系統揭示了中等海拔暴露對漢族人群血清尿酸及代謝組的動態影響，且采用體內外實驗驗證關鍵代謝物β-丙氨酸的降尿酸作用，并構建隨機森林模型預測無癥狀高尿酸血癥（asymptomatic hyperuricemia，AHU）的發生風險（如下圖所示）。這些發現不僅填補了長期中等海拔暴露下尿酸代謝相關機制調控的空白，也為高原相關代謝疾病的預防和治療提供了科學依據。

研究設計路線圖

結果

1.中等海拔暴露對血清尿酸水平的影響

為探究長期中等海拔暴露對健康人群的血清尿酸水平的影響。對49名廣州漢族志愿者（探索隊列）進行為期12個月的追蹤隨訪，采集基線及中等海拔暴露后多個時間點的血清樣本，通過線性混合效應（Linear Mixed Effect，LME）模型分析尿酸水平隨時間的變化趨勢。結果顯示血清尿酸水平隨暴露時間顯著升高，但在暴露12個月后血清中尿酸水平與基線相比無顯著差異；而長期居住于林芝（>5年）的漢族和藏族居民尿酸水平顯著低于暴露12個月組。這表明機體通過代謝適應逐步降低血清尿酸水平（圖1A）。該血清尿酸結果的變化趨勢在另一個獨立的驗證隊列中得到驗證。

2.中等海拔暴露對血清氨基酸的影響

為探索中海拔暴露期間血清代謝組的變化，利用非靶向代謝組學技術檢測探索隊列中的259例血清樣本。統計分析顯示數據采集過程中內標（internal standard，IS）的相對標準偏差較低，質控樣品（quality control，QC）未觀察到離群樣本，這表明代謝組數據的采集過程具有良好的穩定性和可重復性。LME模型發現有112種代謝物在中等海拔暴露12個月期間出現了顯著性變化（圖1B）。代謝通路分析顯示精氨酸生物合成、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代謝發生顯著變化（圖1C）。然后，使用靶向代謝組學檢測探索隊列和當地隊列的306例血清樣本的24種氨基酸（amino acids，AAs）水平。主成分分析（principal component analysis，PCA）顯示暴露于中等海拔的人群的血清AAs代謝譜發生了顯著變化（圖1D）：這些人群的血清中的總AAs水平呈現下降趨勢（圖1E），且LME模型分析發現所有血清中AAs的變化都與中等海拔暴露時間密切相關。此外，中等海拔暴露人群的血清AAs譜與林芝常駐居民（居住時長>5年）逐漸趨同。

圖1. 中等海拔暴露的健康人群的血清尿酸、非靶向和靶向氨基酸的血清代謝譜的變化

3.中等海拔暴露對血清短鏈脂肪酸和中鏈脂肪酸的影響

已有研究報道中等海拔暴露會改變健康人群的腸道菌群組成和功能，而結腸腸道菌群可將碳水化合物和蛋白質發酵為生物合成短鏈脂肪酸和中鏈脂肪酸的前體，因此中等海拔暴露下健康人群的血清短鏈脂肪酸和中鏈脂肪酸是否會有變化？通過靶向檢測探索隊列和當地隊列的306例血清樣本的7種短鏈脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids，SCFAs）和4種中鏈脂肪酸（Medium-Chain Fatty Acids，MCFAs），結合PCA分析發現中等海拔暴露人群的血清 SCFAs和MCFAs代謝譜發生了顯著變化（圖2A-B）。暴露于中等海拔的人群的總SCFAs呈現降低趨勢，而總MCFAs卻是遞增趨勢（圖2C）。LME模型顯示乙酸、丙酸、異丁酸、異戊酸和己酸顯著降低，而戊酸和壬酸顯著增加（圖2D、3D）。此外，中等海拔暴露群體的血清SCFAs和MCFAs代謝譜逐漸與林芝常駐居民（居住時長>5年）的群體相似（圖2A-B）。

圖2. 中等海拔暴露的健康人群的血清短鏈脂肪酸SCFAs和中鏈脂肪酸MCFAs的變化

4.血清氨基酸、短鏈脂肪酸、中鏈脂肪酸與尿酸的關聯分析

為確定中等海拔暴露人群的血清AAs、SCFAs、MCFAs和尿酸水平之間的相關性，利用Rmcorr方法進行相關性分析。結果顯示，L-鳥氨酸、L-賴氨酸、L-絲氨酸、β-丙氨酸、L-谷氨酸、L-組氨酸和 L-天冬氨酸與尿酸間呈顯著負相關（圖3A）。未發現氨基酸與尿酸之間有顯著正相關。在7種與尿酸呈負相關的氨基酸中，β-丙氨酸是唯一在林芝常住居民（居住時長>5年）中顯著增加的氨基酸（圖3B）。異丁酸、異戊酸和丙酸與尿酸表現出顯著的負相關性，而壬酸則表現出相反的模式（圖3C）。此外，發現居住在林芝超過5年的群體中壬酸含量顯著較低（圖3D）。此外，β-丙氨酸僅與壬酸呈顯著負相關關聯，與其他脂肪酸間無顯著性關聯。這意味著較高的β-丙氨酸或較低的壬酸可能對中等海拔適應有益，可能能夠影響人體的尿酸代謝。

圖3. 血清尿酸與目標血清代謝物的Rmcorr相關性分析

5.中等海拔暴露對氧化應激反應的影響

為研究中等海拔暴露與氧化應激之間的相關性，通過檢測超氧化物酶（superoxide dismutase，SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GPX）的水平評估機體氧化應激狀態。結果顯示，短期暴露于中等海拔會導致SOD和GPX水平下降。但隨著人體逐漸適應中等海拔環境，這些水平逐漸恢復到基線水平，且這些氧化應激指標的變化趨勢與尿酸變化趨勢剛好相反（圖1A）。此外，在適應中等海拔環境的過程中，人體血清代謝組學發生改變，中等海拔暴露人群的血清代謝譜逐漸類似常駐居民（圖1D）。另外，我們發現12個月的中等海拔暴露會降低血清中的β-丙氨酸水平，而長期居民血清中的β-丙氨酸水平更高且尿酸水平更低（圖3B）。這些都表明，處于中等海拔暴露的人群能夠通過動態重編程人體的代謝能力來適應環境。此外，我們還發現L-谷氨酸及其相關二肽（如γ-谷氨酰亮氨酸、γ-谷氨酰纈氨酸、γ-谷氨酰丙氨酸、γ-谷氨酰酪氨酸）減少，而L-谷氨酰胺水平增加（圖1B），這些代謝物被報道與機體應對氧化應激反應有關。綜上所述，人體會動態調整機體的新陳代謝（包括氧化應激反應、血清代謝組變化和尿酸水平）來適應中等海拔環境。

6.體內外實驗驗證β-丙氨酸能夠減少高尿酸模型中的尿酸積累

為評估β-丙氨酸在改善HU表型方面的功效，構建次黃嘌呤（hypoxanthine，HX）和氧嗪酸鉀（potassium oxonate，PO）誘導的高尿酸細胞及小鼠模型，評估β-丙氨酸（1%-3%）干預效果。在3種細胞模型中，3%β-丙氨酸都顯著抑制了黃嘌呤氧化酶（xanthine oxidase，XOD）活性并減少尿酸生成（圖4E-F）。隨后，在小鼠模型中，β-丙氨酸和別嘌呤醇降低血清及尿酸水平（圖4H-I）。

圖4. β-丙氨酸在體外和體內模型中均降低尿酸水平

干預過程中，HU組小鼠體重增加更為顯著（圖5A）。此外，β-丙氨酸干預顯著降低了HU小鼠的肝臟和血清中的XOD表達，且與別嘌呤醇組間無顯著差異（圖5B-C）。轉錄組測序和GSEA分析顯示，β-丙氨酸干預的HU小鼠的肝臟組織中嘌呤代謝途徑活性降低（圖5D-G）。肝臟組織HE染色和炎癥指標檢測顯示HU組的炎癥反應比β-丙氨酸組明顯（圖5H-I）。HU組和別嘌呤醇組腎臟病理則表現為基底膜增厚，腎小球部分硬化，腎小管增厚及透明變性（圖5J）。與HU組相比，β-丙氨酸干預能夠增加尿酸外排轉運蛋白ABCG2表達（圖5K），且降低介導尿酸重吸收的GLUT9和URAT1的表達。然而，GLUT9和URAT1在別嘌呤醇組中呈下降趨勢，與模型組相比無顯著差異。這些表明，β-丙氨酸干預能夠減輕HU小鼠的系統炎癥、減少尿酸合成、增強尿酸排泄。

圖5. 在體內模型中，β-丙氨酸改善HU相關生理，并影響炎癥和尿酸代謝相關基因的表達

7.代謝和表型預測模型預測正常尿酸血癥個體在中等海拔暴露后的無癥狀高尿酸血癥反應的初步研究

為研究正常尿酸（normouricemia，NU）個體在暴露于中等海拔環境后是否會出現無癥狀高尿酸血癥（asymptomatic HU，AHU），我們采用10折交叉驗證隨機森林分類（random forest classification，RFC）算法，整合靶向代謝物、非靶向代謝物及臨床表型數據進行預測模型構建。在靶標代謝物預測模型中，RFC篩選出的最優的5個代謝物構建的模型在訓練集和驗證集的AUC分別為0.60和0.65（圖6B-D）。在臨床指標預測模型中，RFC篩選出的最優的3個臨床指標構建的模型在訓練集和驗證集的AUC分別為0.61和0.43（圖6E-G）。整合靶向代謝物和臨床指標獲得12個指標構建的最優模型在訓練集和驗證集的AUC分別為0.67和0.60（圖6H-J）。靶向血清代謝組和臨床指標的組合增強了血清尿酸反應的預測準確性，進一步表明代謝物參與了血清尿酸的調節。單獨使用非靶向代謝組發現的112種代謝物，篩選出2個最優代謝物指標（磷脂酰絲氨酸(PS)（22:2(13Z,16Z)/20:2(11Z,14Z)）和PS(22:0/20:2(11Z,14Z)）構建的模型在訓練集和驗證集中的AUC分別為0.90和0.62（圖6K-M）。為了進一步驗證上述篩選的PS代謝物的重要性，將非靶向代謝、靶向代謝和臨床指標進行聯合分析，篩選出8個指標搭建的最優模型在訓練集和驗證集中的AUC分別為0.93和0.79（圖6N-P），且上述2個PS代謝物在特征重要性中排名前兩位（圖6Q）。這表明PS(22:2(13Z,16Z)/20:2(11Z,14Z))和PS(22:0/20:2(11Z,14Z))可能在血清尿酸代謝調節中起關鍵作用。上述結果也表明可以通過血清代謝組譜區分中等海拔暴露后具有AHU-HR反應的NU個體。

圖6. 血清代謝組和臨床表型對無癥狀高尿酸血癥反應的預測性能比較

結論

研究結果顯示中等海拔暴露的人群的血清中尿酸和代謝譜發生了顯著改變，擴展了人類對中等海拔暴露、血清尿酸和宿主代謝組之間關系的認知。而β-丙氨酸可在體外和體內實驗中顯著降低肝臟細胞、血清和尿液中的尿酸水平，可考慮用于未來的HU防治療法。此外，基于血清代謝物和臨床指標的預測模型可能能夠用于識別NU個體在中等海拔暴露期間AHU的風險，這對AHU高風險人群進行提前干預，從而預防HU的發生具有重要作用。

通訊作者簡介

李欣，廣東省人民醫院，二級教授/主任醫師，博士，博士生導師。現任廣東省人民醫院（廣東省醫學科學院）副院長、黨委常委，急診科學術帶頭人、首席專家，中國-阿爾及利亞急診醫學聯合實驗室主任；華南理工大學醫學院學術委員會成員。兼任中國醫師協會急診分會常委；中國醫師協會急診分會質控學組副主委；中國急診醫聯體副主席；廣東省精準醫學應用學會急危重癥分會名譽主委；廣東省醫學會理事會常務理事；廣東省醫師協會急診分會主委；廣東省醫學會急診分會常委，廣東省健康管理學會急診與災難醫學分會副主委。2016 年作為廣東省醫療人才組團式援藏隊隊長，兼林芝市人民醫院院長，帶領西藏林芝市人民醫院以優異的成績通過了三級甲等醫院的評審。2017 年獲評國家衛生計生突出貢獻中青年專家，2018 年獲評廣東省醫學領軍人才暨杰出青年人才，2019 年獲西藏自治區五一勞動獎章、優秀援藏干部稱號，是廣東省暨西藏自治區援藏首席專家。《中華急診醫學雜志》編委、《Resuscitation》《American journal of emergency medicine》審稿人。至今主持國家重點研發計劃項目和課題共3項、國家自然科學基金8項、省市級等課題10余項。主編學術專著8部。已發表第一作者或通訊作者SCI收錄論著100余篇，包括European heart journal、Allergy、Aging Cell、Journal of Nanobiotechnology、Critical Care Medicine、Stem Cells、Resuscitation等國際期刊。

劉志鵬，現任上海百趣代謝組學技術研究中心高級研究員，兼任國際學術雜志The Innovation、iMeta編委會成員，兼任Food Research International、Current Medicinal Chemistry、Current Microbiology、Applied Microbiology and Biotechnology、Scientific Reports等雜志審稿人。主要從事腸道微生態、代謝組、蛋白質組、轉錄組等組學與復雜疾病的跨組學關聯研究，挖掘“飲食干預或外部環境-腸道微生物-宿主代謝”之間關系在多種復雜疾病發生發展中起的作用，并嘗試疾病“預防、診斷、監控、改善”的個體化醫療探索，致力于人體腸道微生態與臨床代謝組相關的科學研究和應用轉化研究。參與完成多項國家自然基金、國家科技部973、載人航天工程等重大項目；已在Nature Medicine、Nature Communications、Gut、iMeta等雜志發表論文14篇，研究成果被Nature Reviews Endocrinology、Nature Reviews Cardiology等雜志評論。參編完成“十三五”規劃教材1部，參編完成學術專著1部，參與完成的“綠航星際”項目相關成果于2018年入選科普讀物：《飛舟日記-“太空180試驗”》、于2020年入選中國高中生教學教材：《2020-2021學年高一新教材地理必修第一冊》“第一章：宇宙中的地球”、于2023年入選中國國家博物館：逐夢寰宇問蒼穹—中國載人航天工程30年成就展。申請國際PCT專利5項，已獲授權國際PCT專利4項，已獲授權國內專利2項，曾獲2項國際基因工程機械大賽IGEM金獎。

范艷群，現任上海百趣代謝組學技術研究中心研究員，擁有13年代謝組和多組學項目研究經驗，目前主要從事腸道微生態、代謝組、蛋白質組、轉錄組等多組學與復雜疾病的關聯研究以及算法開發和數據分析。參與完成多項國家自然基金、國家科技部863等重大項目；以共同作者身份在Science、Nature Communications、Food Research International、Science of the Total Environment等期刊發表論文10篇，其中發表在Science的酵母長染色體的精準定制合成相關工作入選2017年度中國科學十大進展，被Science、Nature、Nature Biotechnology、Nature Reviews Genetics和Molecular Cell等多家頂尖期刊評論；已獲授權國際PCT專利1項，已獲授權國內專利6項，參編完成“十三五”規劃教材1部。

第一作者簡介

陳軒馥，廣東省人民醫院（廣東省心血管病研究所）在站博士后。

研究方向為腸道菌群與代謝性疾病。主持中華國際醫學交流基金會、北京協和醫學院學生項目基金各1項，在Redox Biology、Frontiers in Immunology、International Journal of Cancer、Science of the Total Environment、中華醫學雜志等國內外期刊發表論文14篇，其中第一作者或共同一作7篇。

鄒國祥，南方醫科大學附屬廣東省人民醫院在讀博士研究生。

研究方向為心臟驟停腦損傷的機制及再生治療策略。參與國家重點研發計劃1項，在Redox Biology、Journal of Cellular and Molecular Medicine、World Journal of Emergency Medicine等期刊發表論文4篇，其中第一作者或共同一作2篇。

楊智博，南方醫科大學附屬廣東省人民醫院在讀博士研究生。

研究方向為主動脈夾層/動脈瘤及腸道菌群，參與廣東省醫學科學技術研究基金1項，在Redox Biology等期刊發表論文1篇，其中共同一作1篇。

來源：阿趣代謝組學