已有大量研究表明，适当运动有利于人类健康，可以促进血液循环、加快新陈代谢、增强体质、提高记忆力，并在某些情况下预防许多慢性疾病，但是具体机制尚未了解完全。常见的运动方式有耐力运动（EE，一般指长时间大剂量运动，如步行、慢跑、自行车等）和抗阻运动（RE，指的是肌肉在克服外来阻力时进行的主动运动，如卧推、过头推举、杠铃弯举等），不同的运动方式对人类的影响也不同。此研究通过对人类进行抗阻运动或耐力运动前后多个时间段采集的血液样本进行非靶向代谢组学分析，寻找与两种运动方式有关的差异代谢物，探索不同运动方式对人类血浆代谢物的影响，揭示了运动有益于人类健康的机制。
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试验选取10名健康的男性，分别进行耐力运动（EE）或抗阻运动（RE），休息1周后再进行另一种运动。分别在运动开始前、运动1h后以及运动完成后3h的恢复阶段，收集8份血液样本(见图1A)，共160份样本，采用非靶向代谢组学LC-MS平台对血液样本进行分析，共检测到836种代谢物（图1B）。通过主成分分析（PCA），发现2种运动方式血浆代谢物存在显著差异（图1C）。
▲ 图1：试验设计和检测方法
通过分析，发现在运动前后4h内，几乎所有检测到的血浆代谢物都发生了变化，EE和RE分别有666种和708种代谢物随时间的推移发生变化。其中，有51种代谢物是EE特异性的，93种是RE特异性的（图1E）。在运动结束后，与RE（259）相比，EE（364）有更多的代谢物上调。反之，与EE（27）相比，RE（132）有更多的代谢物下调(图2A)。在运动后3h的恢复阶段内仍保持相同趋势（图2B-G）。
通过VIP评分寻找对差异贡献最大的代谢物，主要为次黄嘌呤、黄嘌呤、肌苷、丙酮酸、乳酸、亮氨酸和酰基肉碱等，这些代谢物参与了嘌呤代谢、糖酵解、三羧酸循环、氨基酸分解和脂肪氧化等代谢途径。
▲ 图2：调节的代谢物和VIP得分
对每种运动方式随时间变化最明显的100种代谢物进行了聚类分析（图3A和3C），根据随时间的变化情况将代谢物分为六个主要组（图3A和3C），揭示了两种运动方式对代谢物的共同调节机制和特定调节机制（图3B和3D）。
▲ 图3：代谢物聚类分析
通过分析，发现这两种运动方式都会导致与细胞能量代谢途径，如糖酵解和三羧酸循环，以及全身底物代谢，如氨基酸分解和脂肪氧化等途径相关的代谢物发生显著变化（图4）。与EE相比，RE对与糖酵解和三羧酸循环相关的代谢物如丙酮酸、乳酸、苹果酸和α-酮戊二酸的影响更大。而EE可显著诱导琥珀酸。有研究表明，琥珀酸和乳酸，被认为可以作为细胞表面受体的配体。
此研究结果显示，乳酸是RE产生最高的代谢物之一。运动产生的乳酸可通过促进神经元脑源性神经营养因子(BDNF)的表达提高记忆力和学习能力。琥珀酸是EE产生最高的代谢物之一，血浆琥珀酸水平的增加，可作为热源性脂肪细胞提高能量代谢中的来源。此外，运动产生的琥珀酸还可作为一种旁分泌信号，促进肌肉基质重塑和肌肉力量提高。
▲ 图4：调节的代谢物及代谢途径
两种运动方式均能提高嘌呤代谢，增加血浆中肌苷、次黄嘌呤和黄嘌呤含量，但RE提高的更多。嘌呤代谢与运动状态有关，并可能参与了对高强度厌氧运动的适应性反应。EE加速了脂肪代谢，提高了血浆中多种酰基肉碱水平。在运动过程中，长链脂肪酸的不完全氧化是促使血浆中酰基肉碱含的增加的原因之一。运动有利于保护神经元完整性和保持心理健康可能与来自色氨酸代谢产生的神经酸增加有关。神经酸可能是通过抑制NMDA（N-甲基-D-天冬氨酸）受体保护神经，另外神经酸也可作为肌肉到脂肪的信使，通过激活GPR35（G蛋白偶联受体35）来改善机体能量代谢。
此研究，通过非靶向代谢组学LC-MS平台，测定了人类进行抗阻运动和耐力运动前后血浆中的代谢物，寻找到与两种运动方式有关的差异代谢物，并全面分析了代谢物随时间变化的情况，探索不同运动方式对人类血浆代谢物的影响，揭示了运动有利于健康的潜在机制。通过分析，发现这两种运动方式都会导致与细胞能量代谢途径，如糖酵解和三羧酸循环，以及全身底物代谢，如氨基酸分解和脂肪氧化等途径相关的代谢物发生显著变化。运动产生的乳酸有可能有助于人类提高记忆力和学习能力，琥珀酸可作为一种旁分泌信号，促进肌肉基质重塑和肌肉力量提高。色氨酸代谢产生的神经酸有利于保护神经元完整性和保持心理健康。
文章标题：Plasma Metabolome Profiling of Resistance Exercise and Endurance Exercise in Humans
发表杂志：Cell Reports（2021 IF：9.423）
发表日期：2020-12-29
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124720315436
