近日，由广东省医疗援藏首席专家、广东省人民医院急诊科、广东省精准医学应用学会急危重症分会名誉主委李欣教授牵头上海百趣代谢组学技术研究中心刘志鹏研究员团队、以及林芝市人民医院等多家单位在国际著名学术期刊Redox Biology（中国科学院一区，2024年即时影响因子/JCR分区：11.25/Q1）上发表了题为Serum metabolomic profiling uncovered metabolic shifts in individuals upon moderate-altitude exposure and identified the potentiality of beta-alanine to ameliorate hyperuricemia的论文。研究表明，中等海拔暴露会引起人体的血清尿酸和代谢组改变，而体内外实验表明β-丙氨酸干预可以改善高尿酸血症，且基于血清代谢物和临床指标的预测模型能够辅助识别中等海拔暴露期间出现无症状高尿酸血症的风险，该研究结果可能为防治高尿酸血症及其相关疾病开辟新的途径。
广东省医疗援藏首席专家、广东省人民医院李欣教授，上海百趣代谢组学技术研究中心刘志鹏研究员和范艳群研究员为共同通讯作者；广东省人民医院陈轩馥博士后、邹国祥博士及杨智博博士为论文共同第一作者。
背景介绍
高原环境对人体代谢的调控机制一直是研究热点，高原环境（海拔超过1500米）以低氧、低压、强紫外线为特征，可引发急性高原病、炎症反应及氧化应激等病理生理异常。近年来，多项研究表明高原暴露与高尿酸血症（hyperuricemia，HU）及痛风风险增加密切相关，高尿酸血症是人体尿酸异常升高引起的代谢性疾病。据统计，我国15岁及以上的人群约有16.4%患有高尿酸血症，尤为严重的华南地区平均4个人就有一个患有高尿酸症。然而尿酸又作为人体重要的抗氧化剂，其水平升高可能是机体应对高原缺氧的代偿反应。但长期高尿酸状态可导致痛风、慢性肾病等并发症，危害显著。然而，目前研究多聚焦于短期（如2小时~1个月）高海拔（>3000米）暴露的影响，对长期（如12个月以上）中等海拔（1500-3000米）暴露下尿酸代谢的动态变化及机制尚不明确。此外，现有代谢组学研究多局限于低海拔人群或动物模型，缺乏系统性纵向分析，尚未建立有效的风险预测模型。本研究首次通过整合非靶向血清代谢组学、靶向代谢组学和临床表型数据，系统揭示了中等海拔暴露对汉族人群血清尿酸及代谢组的动态影响，且采用体内外实验验证关键代谢物β-丙氨酸的降尿酸作用，并构建随机森林模型预测无症状高尿酸血症（asymptomatic hyperuricemia，AHU）的发生风险（如下图所示）。这些发现不仅填补了长期中等海拔暴露下尿酸代谢相关机制调控的空白，也为高原相关代谢疾病的预防和治疗提供了科学依据。
研究设计路线图
结果
1.中等海拔暴露对血清尿酸水平的影响
为探究长期中等海拔暴露对健康人群的血清尿酸水平的影响。对49名广州汉族志愿者（探索队列）进行为期12个月的追踪随访，采集基线及中等海拔暴露后多个时间点的血清样本，通过线性混合效应（Linear Mixed Effect，LME）模型分析尿酸水平随时间的变化趋势。结果显示血清尿酸水平随暴露时间显著升高，但在暴露12个月后血清中尿酸水平与基线相比无显著差异；而长期居住于林芝（>5年）的汉族和藏族居民尿酸水平显著低于暴露12个月组。这表明机体通过代谢适应逐步降低血清尿酸水平（图1A）。该血清尿酸结果的变化趋势在另一个独立的验证队列中得到验证。
2.中等海拔暴露对血清氨基酸的影响
为探索中海拔暴露期间血清代谢组的变化，利用非靶向代谢组学技术检测探索队列中的259例血清样本。统计分析显示数据采集过程中内标（internal standard，IS）的相对标准偏差较低，质控样品（quality control，QC）未观察到离群样本，这表明代谢组数据的采集过程具有良好的稳定性和可重复性。LME模型发现有112种代谢物在中等海拔暴露12个月期间出现了显著性变化（图1B）。代谢通路分析显示精氨酸生物合成、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢发生显著变化（图1C）。然后，使用靶向代谢组学检测探索队列和当地队列的306例血清样本的24种氨基酸（amino acids，AAs）水平。主成分分析（principal component analysis，PCA）显示暴露于中等海拔的人群的血清AAs代谢谱发生了显著变化（图1D）：这些人群的血清中的总AAs水平呈现下降趋势（图1E），且LME模型分析发现所有血清中AAs的变化都与中等海拔暴露时间密切相关。此外，中等海拔暴露人群的血清AAs谱与林芝常驻居民（居住时长>5年）逐渐趋同。
图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谢谱的变化
3.中等海拔暴露对血清短链脂肪酸和中链脂肪酸的影响
已有研究报道中等海拔暴露会改变健康人群的肠道菌群组成和功能，而结肠肠道菌群可将碳水化合物和蛋白质发酵为生物合成短链脂肪酸和中链脂肪酸的前体，因此中等海拔暴露下健康人群的血清短链脂肪酸和中链脂肪酸是否会有变化？通过靶向检测探索队列和当地队列的306例血清样本的7种短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids，SCFAs）和4种中链脂肪酸（Medium-Chain Fatty Acids，MCFAs），结合PCA分析发现中等海拔暴露人群的血清 SCFAs和MCFAs代谢谱发生了显著变化（图2A-B）。暴露于中等海拔的人群的总SCFAs呈现降低趋势，而总MCFAs却是递增趋势（图2C）。LME模型显示乙酸、丙酸、异丁酸、异戊酸和己酸显著降低，而戊酸和壬酸显著增加（图2D、3D）。此外，中等海拔暴露群体的血清SCFAs和MCFAs代谢谱逐渐与林芝常驻居民（居住时长>5年）的群体相似（图2A-B）。
图2. 中等海拔暴露的健康人群的血清短链脂肪酸SCFAs和中链脂肪酸MCFAs的变化
4.血清氨基酸、短链脂肪酸、中链脂肪酸与尿酸的关联分析
为确定中等海拔暴露人群的血清AAs、SCFAs、MCFAs和尿酸水平之间的相关性，利用Rmcorr方法进行相关性分析。结果显示，L-鸟氨酸、L-赖氨酸、L-丝氨酸、β-丙氨酸、L-谷氨酸、L-组氨酸和 L-天冬氨酸与尿酸间呈显著负相关（图3A）。未发现氨基酸与尿酸之间有显著正相关。在7种与尿酸呈负相关的氨基酸中，β-丙氨酸是唯一在林芝常住居民（居住时长>5年）中显著增加的氨基酸（图3B）。异丁酸、异戊酸和丙酸与尿酸表现出显著的负相关性，而壬酸则表现出相反的模式（图3C）。此外，发现居住在林芝超过5年的群体中壬酸含量显著较低（图3D）。此外，β-丙氨酸仅与壬酸呈显著负相关关联，与其他脂肪酸间无显著性关联。这意味着较高的β-丙氨酸或较低的壬酸可能对中等海拔适应有益，可能能够影响人体的尿酸代谢。
图3. 血清尿酸与目标血清代谢物的Rmcorr相关性分析
5.中等海拔暴露对氧化应激反应的影响
为研究中等海拔暴露与氧化应激之间的相关性，通过检测超氧化物酶（superoxide dismutase，SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GPX）的水平评估机体氧化应激状态。结果显示，短期暴露于中等海拔会导致SOD和GPX水平下降。但随着人体逐渐适应中等海拔环境，这些水平逐渐恢复到基线水平，且这些氧化应激指标的变化趋势与尿酸变化趋势刚好相反（图1A）。此外，在适应中等海拔环境的过程中，人体血清代谢组学发生改变，中等海拔暴露人群的血清代谢谱逐渐类似常驻居民（图1D）。另外，我们发现12个月的中等海拔暴露会降低血清中的β-丙氨酸水平，而长期居民血清中的β-丙氨酸水平更高且尿酸水平更低（图3B）。这些都表明，处于中等海拔暴露的人群能够通过动态重编程人体的代谢能力来适应环境。此外，我们还发现L-谷氨酸及其相关二肽（如γ-谷氨酰亮氨酸、γ-谷氨酰缬氨酸、γ-谷氨酰丙氨酸、γ-谷氨酰酪氨酸）减少，而L-谷氨酰胺水平增加（图1B），这些代谢物被报道与机体应对氧化应激反应有关。综上所述，人体会动态调整机体的新陈代谢（包括氧化应激反应、血清代谢组变化和尿酸水平）来适应中等海拔环境。
6.体内外实验验证β-丙氨酸能够减少高尿酸模型中的尿酸积累
为评估β-丙氨酸在改善HU表型方面的功效，构建次黄嘌呤（hypoxanthine，HX）和氧嗪酸钾（potassium oxonate，PO）诱导的高尿酸细胞及小鼠模型，评估β-丙氨酸（1%-3%）干预效果。在3种细胞模型中，3%β-丙氨酸都显著抑制了黄嘌呤氧化酶（xanthine oxidase，XOD）活性并减少尿酸生成（图4E-F）。随后，在小鼠模型中，β-丙氨酸和别嘌呤醇降低血清及尿酸水平（图4H-I）。
图4. β-丙氨酸在体外和体内模型中均降低尿酸水平
干预过程中，HU组小鼠体重增加更为显著（图5A）。此外，β-丙氨酸干预显著降低了HU小鼠的肝脏和血清中的XOD表达，且与别嘌呤醇组间无显著差异（图5B-C）。转录组测序和GSEA分析显示，β-丙氨酸干预的HU小鼠的肝脏组织中嘌呤代谢途径活性降低（图5D-G）。肝脏组织HE染色和炎症指标检测显示HU组的炎症反应比β-丙氨酸组明显（图5H-I）。HU组和别嘌呤醇组肾脏病理则表现为基底膜增厚，肾小球部分硬化，肾小管增厚及透明变性（图5J）。与HU组相比，β-丙氨酸干预能够增加尿酸外排转运蛋白ABCG2表达（图5K），且降低介导尿酸重吸收的GLUT9和URAT1的表达。然而，GLUT9和URAT1在别嘌呤醇组中呈下降趋势，与模型组相比无显著差异。这些表明，β-丙氨酸干预能够减轻HU小鼠的系统炎症、减少尿酸合成、增强尿酸排泄。
图5. 在体内模型中，β-丙氨酸改善HU相关生理，并影响炎症和尿酸代谢相关基因的表达
7.代谢和表型预测模型预测正常尿酸血症个体在中等海拔暴露后的无症状高尿酸血症反应的初步研究
为研究正常尿酸（normouricemia，NU）个体在暴露于中等海拔环境后是否会出现无症状高尿酸血症（asymptomatic HU，AHU），我们采用10折交叉验证随机森林分类（random forest classification，RFC）算法，整合靶向代谢物、非靶向代谢物及临床表型数据进行预测模型构建。在靶标代谢物预测模型中，RFC筛选出的最优的5个代谢物构建的模型在训练集和验证集的AUC分别为0.60和0.65（图6B-D）。在临床指标预测模型中，RFC筛选出的最优的3个临床指标构建的模型在训练集和验证集的AUC分别为0.61和0.43（图6E-G）。整合靶向代谢物和临床指标获得12个指标构建的最优模型在训练集和验证集的AUC分别为0.67和0.60（图6H-J）。靶向血清代谢组和临床指标的组合增强了血清尿酸反应的预测准确性，进一步表明代谢物参与了血清尿酸的调节。单独使用非靶向代谢组发现的112种代谢物，筛选出2个最优代谢物指标（磷脂酰丝氨酸(PS)（22:2(13Z,16Z)/20:2(11Z,14Z)）和PS(22:0/20:2(11Z,14Z)）构建的模型在训练集和验证集中的AUC分别为0.90和0.62（图6K-M）。为了进一步验证上述筛选的PS代谢物的重要性，将非靶向代谢、靶向代谢和临床指标进行联合分析，筛选出8个指标搭建的最优模型在训练集和验证集中的AUC分别为0.93和0.79（图6N-P），且上述2个PS代谢物在特征重要性中排名前两位（图6Q）。这表明PS(22:2(13Z,16Z)/20:2(11Z,14Z))和PS(22:0/20:2(11Z,14Z))可能在血清尿酸代谢调节中起关键作用。上述结果也表明可以通过血清代谢组谱区分中等海拔暴露后具有AHU-HR反应的NU个体。
图6. 血清代谢组和临床表型对无症状高尿酸血症反应的预测性能比较
结论
研究结果显示中等海拔暴露的人群的血清中尿酸和代谢谱发生了显著改变，扩展了人类对中等海拔暴露、血清尿酸和宿主代谢组之间关系的认知。而β-丙氨酸可在体外和体内实验中显著降低肝脏细胞、血清和尿液中的尿酸水平，可考虑用于未来的HU防治疗法。此外，基于血清代谢物和临床指标的预测模型可能能够用于识别NU个体在中等海拔暴露期间AHU的风险，这对AHU高风险人群进行提前干预，从而预防HU的发生具有重要作用。
通讯作者简介
李欣，广东省人民医院，二级教授/主任医师，博士，博士生导师。现任广东省人民医院（广东省医学科学院）副院长、党委常委，急诊科学术带头人、首席专家，中国-阿尔及利亚急诊医学联合实验室主任；华南理工大学医学院学术委员会成员。兼任中国医师协会急诊分会常委；中国医师协会急诊分会质控学组副主委；中国急诊医联体副主席；广东省精准医学应用学会急危重症分会名誉主委；广东省医学会理事会常务理事；广东省医师协会急诊分会主委；广东省医学会急诊分会常委，广东省健康管理学会急诊与灾难医学分会副主委。2016 年作为广东省医疗人才组团式援藏队队长，兼林芝市人民医院院长，带领西藏林芝市人民医院以优异的成绩通过了三级甲等医院的评审。2017 年获评国家卫生计生突出贡献中青年专家，2018 年获评广东省医学领军人才暨杰出青年人才，2019 年获西藏自治区五一劳动奖章、优秀援藏干部称号，是广东省暨西藏自治区援藏首席专家。《中华急诊医学杂志》编委、《Resuscitation》《American journal of emergency medicine》审稿人。至今主持国家重点研发计划项目和课题共3项、国家自然科学基金8项、省市级等课题10余项。主编学术专著8部。已发表第一作者或通讯作者SCI收录论著100余篇，包括European heart journal、Allergy、Aging Cell、Journal of Nanobiotechnology、Critical Care Medicine、Stem Cells、Resuscitation等国际期刊。
刘志鹏，现任上海百趣代谢组学技术研究中心高级研究员，兼任国际学术杂志The Innovation、iMeta编委会成员，兼任Food Research International、Current Medicinal Chemistry、Current Microbiology、Applied Microbiology and Biotechnology、Scientific Reports等杂志审稿人。主要从事肠道微生态、代谢组、蛋白质组、转录组等组学与复杂疾病的跨组学关联研究，挖掘“饮食干预或外部环境-肠道微生物-宿主代谢”之间关系在多种复杂疾病发生发展中起的作用，并尝试疾病“预防、诊断、监控、改善”的个体化医疗探索，致力于人体肠道微生态与临床代谢组相关的科学研究和应用转化研究。参与完成多项国家自然基金、国家科技部973、载人航天工程等重大项目；已在Nature Medicine、Nature Communications、Gut、iMeta等杂志发表论文14篇，研究成果被Nature Reviews Endocrinology、Nature Reviews Cardiology等杂志评论。参编完成“十三五”规划教材1部，参编完成学术专著1部，参与完成的“绿航星际”项目相关成果于2018年入选科普读物：《飞舟日记-“太空180试验”》、于2020年入选中国高中生教学教材：《2020-2021学年高一新教材地理必修第一册》“第一章：宇宙中的地球”、于2023年入选中国国家博物馆：逐梦寰宇问苍穹—中国载人航天工程30年成就展。申请国际PCT专利5项，已获授权国际PCT专利4项，已获授权国内专利2项，曾获2项国际基因工程机械大赛IGEM金奖。
范艳群，现任上海百趣代谢组学技术研究中心研究员，拥有13年代谢组和多组学项目研究经验，目前主要从事肠道微生态、代谢组、蛋白质组、转录组等多组学与复杂疾病的关联研究以及算法开发和数据分析。参与完成多项国家自然基金、国家科技部863等重大项目；以共同作者身份在Science、Nature Communications、Food Research International、Science of the Total Environment等期刊发表论文10篇，其中发表在Science的酵母长染色体的精准定制合成相关工作入选2017年度中国科学十大进展，被Science、Nature、Nature Biotechnology、Nature Reviews Genetics和Molecular Cell等多家顶尖期刊评论；已获授权国际PCT专利1项，已获授权国内专利6项，参编完成“十三五”规划教材1部。
第一作者简介
陈轩馥，广东省人民医院（广东省心血管病研究所）在站博士后。
研究方向为肠道菌群与代谢性疾病。主持中华国际医学交流基金会、北京协和医学院学生项目基金各1项，在Redox Biology、Frontiers in Immunology、International Journal of Cancer、Science of the Total Environment、中华医学杂志等国内外期刊发表论文14篇，其中第一作者或共同一作7篇。
邹国祥，南方医科大学附属广东省人民医院在读博士研究生。
研究方向为心脏骤停脑损伤的机制及再生治疗策略。参与国家重点研发计划1项，在Redox Biology、Journal of Cellular and Molecular Medicine、World Journal of Emergency Medicine等期刊发表论文4篇，其中第一作者或共同一作2篇。
杨智博，南方医科大学附属广东省人民医院在读博士研究生。
研究方向为主动脉夹层/动脉瘤及肠道菌群，参与广东省医学科学技术研究基金1项，在Redox Biology等期刊发表论文1篇，其中共同一作1篇。
来源：阿趣代谢组学
