个性化营养：核磁共振在了解人类代谢中的作用

个性化定制的饮食能否帮助改善糖尿病、高血压和其他慢性病患者的健康状况？Elaine Holmes教授认为这是可以实现的。在核磁共振（NMR）的帮助下,她可以从分子层面了解人们代谢食物的方式差异。在与布鲁克的采访中,Holmes教授分享了她对"个性化营养"成为现实的希望。

关于健康饮食的指导在多年间都是一成不变,无非是：少盐、少糖、少脂肪、多纤维。默多克大学健康未来研究所的Elaine Holmes教授表示："尽管这仍然是很好的建议,但人们正在逐渐意识到一刀切的方法并不适合所有人,在某些情况下,采取更细致的方法才可以改善健康状况。"

窥见饮食的全貌

这种更细致地理解饮食和健康的方法是Holmes教授和她的团队所大力倡导的,她说："与许多研究人员不同,我们不做单一食物的研究,因为人们的饮食和代谢比这更复杂。"作为这种复杂性的一个例子,她引用了伦敦帝国理工学院进行的一项研究,其中一组受试者在受控条件下进食完全相同的饮食,但一些人在尿液中排出的热量远低于其他人,而且不同的人有不同的代谢途径被激活。

因此,Holmes教授的团队不研究单一食物或营养素,而是通过确定消化过程结束时出现的全部化合物——"代谢表型"来研究整个饮食的影响。她说："这些化合物主要分为三类,取决于它们的来源：来自食物本身,来自人类的细胞过程,或者来自肠道微生物对饮食中的化学物质或其他来源的转化。通过了解产生所有三类化合物的过程,我们可以获得详细的体内正在发生的变化情况。肠道微生物群的影响现在被认为是特别重要的。"

采样的选择值得关注

Holmes教授表示："研究这些化合物最有用的体液是尿液,因为没有哪种体液包含全部信息,但尿液是最有用的,因为它不像血浆那样有严格的稳态控制。此外,废物的浓度比血浆高一个数量级,所以它们更容易被发现。尿液也比粪便样本更受欢迎,因为肠道细菌产生的许多小型化学物质被重新吸收,随后在尿液中被排出体外。"

Holmes教授的团队在确保样本质量方面非常谨慎："一般来说,我们更愿意自己去采样,而不是求助于生物样本库,因为它们收集的样本大多是为了做基因分析而不是代谢分析。此外,至少在历史上,生物样本库的样本要么不是在保持生化稳定性的最佳条件下收集的,要么相关的饮食报告是有问题的。但是,尽管如此,情况正在改善,我们目前正在合作进行几个包含大量受试者的研究,因为这是一个非常好的方式,可以更好地了解全球不同人口的饮食和代谢的变化。"

NMR

为了准确定位并识别生物流体中的化合物,Holmes教授自然而然地想到了核磁共振："从1987年开始,核磁共振一直是我研究的核心。当时我第一次接触到这项技术,作为我在啮齿动物模型中研究肾脏毒素的博士论文的一部分。当时,我对核磁共振一无所知,所以我很着迷,想知道我们能从生物流体的单一分析中提取多少信息。"

从那时起,Holmes教授开始重视核磁共振的众多特性："在日常工作中,布鲁克核磁共振波谱仪的高效使它们成为极佳的工具,这在于核磁的可重复性、易操作性和广泛的适用性。"核磁的这些特点非常适合她的工作,她说："通过核磁共振,我们可以快速获得一个样本的分析,可以在几周、几个月甚至几年的时间间隔内重复这一过程,以追踪个人的新陈代谢,看到他们对特定饮食干预的反应。"

Holmes还说到："核磁共振提供的原子级数据使它比质谱法（MS）具有特殊的优势——质谱法是分析代谢组的常用工具。仅举一例,我们可以应用针对某些糖蛋白的扩散加权脉冲序列,从而获得详细说明单个化合物的生物标志物概况,而不是更广泛的化合物组（图1）。"

通过代谢表型改进健康状况

这种在生物流体的详细分子图谱、代谢途径、肠道微生物菌群和饮食选择之间建立联系的能力已经得到了Nature Food杂志最近一篇同行评议论文的支持,该论文由Holmes教授与其他学者合著[2]。这项研究的结果表明,核磁共振获得的尿液中的代谢谱图可以与膳食营养素的水平相关联,从而准确预测健康和不健康的饮食。

Holmes教授表示,这种"深度"代谢表型最令人兴奋的应用之一,就是个性化营养。"就像目前临床医生要求验血来检测葡萄糖一样,我们可以设想他们要求进行尿检以检测一系列的饮食生物标志物。这将为医生们提供关于该饮食对病人的新陈代谢是否合适的信息,因此调整病人的食物摄入量,以减少不良健康状况的风险。"

她解释道,这一概念有很多应用方式："这对需要减肥的人来说可能真的很有用。例如,那些患有心血管疾病、高血压或糖尿病前期的人。在这几种情况下,我们可以利用生物标志物特征推荐使用益生菌或益生元的干预手段,目的是降低肠道菌群在吸收卡路里方面效率。当然,这并不能解决疾病问题,但它可以为个性化定制的生活方式管理计划做出贡献。"她还表示,这种基于核磁共振的测试的简单性和速度将意味着可以随着时间的推移对患者进行跟踪,并相应地调整建议。为了帮助实现这一目标,Holmes教授及其同事Isabel Garcia Perez和Gary Frost最近成立了一家名为Melico的副产品公司,以帮助进行生物液体的核磁共振分析,作为常规临床饮食建议的一部分。

个性化营养照进现实

有了以上诸多的可能性,Holmes教授有很多事情要忙："围绕着个性化营养的概念,我们有很多想法,甚至与来自农业的人合作,还有一位厨师！我们的想法是,通过核磁共振分析,我们可以确定个人的最佳饮食,然后为他们提供随时可以烹饪的膳食。不仅味道好,而且与他们的代谢情况相匹配。基本上,通过考虑从农场到诊所的整个链条,我们的解决方案可以帮助人们确保他们处于最佳的饮食状态——特别是在他们无法自己准备膳食的情况下。"

另一个应用关注点是食品补充剂和所谓的"超级食品"。Holmes教授表示："在西澳大利亚,专业蜂蜜非常受欢迎。在布鲁克开发的NMR数据库的帮助下,我们已经在回答与产品真实性有关的许多问题。但从饮食方面来看,我们现在可以更进一步,开始研究不同来源的产品或不同质量的产品对健康的影响。例如,如果某种蜂蜜被掺入了糖水,这是否会对服用者的健康产生影响等等。"

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通过她的研究,Holmes教授仍然对代谢过程的多样性感到惊奇："在一项旨在改善心血管风险的饮食研究中[4],大多数参与者给出的反馈是胆固醇和/或血压的降低。对于一部分人来说,饮食与血压或血脂的明显降低没有关系,但是与尿液中由肠道细菌制造的化学物质的差异有关。"

然而,她指出,这种新陈代谢的多样性并不意味着关于健康饮食的传统经验是错误的："无论一个人的新陈代谢如何,如果他在健康饮食中突然转而狂吃垃圾食品,那么他的整体健康状况会更糟。但是一旦你像我们这样深入了解细节,你可能会看到他们对新饮食的反应有明显的差异,例如,在高密度和低密度脂蛋白的水平方面,或者胆固醇的数量方面。[5]"

了解这种差异是推动她研究的原因："调查特定人员对特定饮食干预的详细的、逐个分子的反馈,有可能对健康状况产生重大影响。通过利用核磁共振提供的分子洞察力,我可以预见这样的前景：饮食的个性化建议将不仅仅停留在研究领域,而是成为常规临床实践的一部分。"

I.Garcia Perez et al.,使用代谢书写法客观评估饮食模式:随机化、受控交叉测试Lancet糖尿病Endocrinol20175(3):184-195

J.M.Posma et al.Nutriome-metabolome关系深入了解饮食摄取和新陈代谢,自然食品,2020年1:426-436

E.福尔摩斯A维耶塞克拉SDTaylor-Robinson和J.K.Nicholson,新陈代谢胃科和肝科前景,自然审查胃科和肝科,2015年12:458-471

R.L.Loo et al描述新式对健康饮食和与血压关联性反应:应用最优微量摄取试验促进心脏健康(OMNIEART)随机控制研究AMJClinNutr2018年107(3):323-334

M.V.Holmes et al.,Lipids,lipoteins,代谢物和心肌梗塞风险,美国心脏病学院杂志,2018年,71:620-632

QQHealth未来学院

健康未来研究所（Health Futures Institute）位于澳大利亚珀斯的默多克大学,专注于明确界定的健康相关研究领域,并与当地医疗机构、社区团体和国际合作者合作开展相关研究。研究所的核心是澳大利亚国家表型组中心,该中心利用包括核磁共振和质谱等最先进的技术来改变和优化疾病预防、诊断和个性化医疗。

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*布鲁克的核磁共振仪器仅供研究使用,不用于任何临床诊断程序。