Cell | 运动抗衰老的秘密武器：代谢组学揭示甜菜碱的神奇功效

运动对健康的益处已被广泛认可，但其分子机制尚未完全阐明。2025年6月25日，中国科学院动物研究所刘光慧研究员、曲静研究员联合国家生物信息中心张维绮研究员、中国科学院动物研究所宋默识研究员及首都医科大学宣武医院王思研究员团队，在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了“Systematic profiling reveals betaine as an exercise mimetic for geroprotection”的研究论文。这项研究首次通过多组学整合分析，系统阐释了运动对人体代谢的重编程作用，并首次发现甜菜碱（betaine）作为运动模拟物（exercise mimetic），通过抑制TBK1通路发挥抗炎和延缓衰老的作用[1]。

实验设计

研究招募了13名健康男性参与者，分为基线期（BL，45天静息状态）、急性单次运动（AE，单次5公里跑步）和长期规律运动（LE，25天间歇性每日5公里跑步）三个阶段。通过血液和粪便样本的多组学分析（代谢组、单细胞转录组、蛋白质组和微生物组）系统评估运动对生理和分子层面的影响（图1）。

图1.实验设计

其中，代谢组学和代谢物靶向检测分别使用了凯莱谱的CalOmics非靶向代谢组学平台以及CalTarget靶向代谢组学平台。基于凯莱谱科技制造并申报的液相色谱串联质谱仪CalQuant-S的靶向代谢组学检测技术首次登上Cell杂志。

实验结果

1. 多组学分析结果：

研究团队对受试健康男性在急性单次运动（AE）和长期规律运动（LE）期间采集的样本进行了多组学的对比研究（包括非靶向代谢组学、单细胞转录组学和血浆蛋白质组学分析等），发现AE和LE引起不同的基因，蛋白和代谢的分子水平上的变化。在代谢层面，通过非靶代谢组学发现AE引起最明显的变化是皮质酮水平的增加，其次是上调的腺苷相关代谢物（例如黄嘧啶和肌苷），预示着ATP 周转率升高以满足AE 期间的能量需求。皮质酮升高会引起显著的分解代谢，与此相对应地在AE男性的血浆里厌氧糖酵解代谢活跃，相关代谢物丙酮酸，乳酸和 N-乳酰-苯丙氨酸 （Lac-Phe） 水平都显著升高。脂肪分解代谢也被激活，这从降低的单酰基甘油酯和二酰基甘油酯以及增加的甘油水平可以反映。AE血浆中另一个显著的代谢变化是氨基酸的下降，其中20个游离氨基酸中的18个及其衍生物都发生了减少，这可能反映了AE氨基酸在各个器官水平的快速代谢因满足短期大量的能量消耗需求。

LE引起的代谢变化则没有AE那么显著，并且改变的代谢通路也有所不同。皮质酮水平在LE血浆中没有发生明显变化，而作为荷尔蒙和糖脂代谢调节因子的手性肌醇chirol-inositol的水平则显著上升。此外， LE血浆中氧化糖酵解和三羧酸（TCA）循环代谢物增加，且没有发现厌氧糖酵解代谢物，这表明糖酵解-TCA循环耦合效率良好（图2A），这和外周血细胞转录组分析中发现的由LE引起的有氧糖酵解和TCA循环通路相关基因表达的升高相互对应。甜菜碱相关代谢通路的水平发生了显著的提高（图2B），这个结果也得到了靶向LC-MS/MS检测的证实。

图2A. 糖酵解与三羧酸（TCA）循环示意图

2B. 热图与折线图展示了BL,AL,AE组别中特征指标的变化趋势

2. 体外/动物模型验证证实肾脏来源的甜菜碱作为在运动模拟物衰老保护中的作用：

通过靶向代谢组学分析运动小鼠的组织样本发现肾脏中甜菜碱水平最高，与此对应的是运动后肾脏甜菜碱合成CHDH酶的表达也显著增加，表明肾脏是运动诱导甜菜碱升高的主要来源。老年小鼠口服甜菜碱后，表现出类似运动带来的同样的抗衰老效果，降低了多个组织中与衰老和炎症相关的标志物。体外实验还进一步发现甜菜碱是通过直接结合并抑制激酶TBK1，从而阻断TBK1-IRF3/NF-κB信号通路而发生作用。

结论：

此研究通过多组学整合分析，首次系统研究了急性单次运动和长期规律运动在分子层面上引起的多维度变化。在代谢组学层面首先非靶向代谢组学结果揭示了包括甜菜碱在内的与长期规律运动相关的代谢物的变化，再通过靶向代谢组学的验证和动物实验，结合基因和蛋白研究的数据，首次确立了甜菜碱-TBK1轴在运动介导的抗衰老作用中的核心地位，为促进健康衰老提供了新靶点和干预策略。

凯莱谱CalOmics & CalTarget双认证代谢组学平台

非靶向代谢组学凭借其无偏倚的全景扫描能力，在本研究中精准捕捉了运动干预下动态代谢网络。其高灵敏度的技术优势（CalOmics平台）结合严格的质量控制，确保了差异代谢物的可靠筛选。然而，非靶向结果的生物学意义需进一步验证。因此，研究团队采用靶向代谢组学（CalQuant-S LC-MS/MS）对甜菜碱进行绝对定量，为后续动物实验提供了坚实的代谢物浓度依据。

靶向代谢组学在科研中有着必不可少的价值：1）通过多反应监测模式排除非特异性信号干扰，确认非靶向发现的代谢标志物并非技术假象；2）结合稳定同位素标记，将代谢差异转化为可量化的生物标志物；3）为机制研究提供验证数据，确立因果链条。这种“非靶向发现→靶向验证→功能解析”的递进策略，正是多组学研究中代谢组学从描述性科学迈向机制性科学的核心路径。

凯莱谱代谢组学平台凭借深厚的技术积累和丰富的项目经验，已构建起从非靶向代谢物发现到靶向代谢物验证的完整研究体系。

凯莱谱CalOmics非靶向代谢组学平台始终坚持工业级别代谢组学质控管理体系，使用基于Orbitrap的非靶向代谢组学检测，对每一份检测样本负责，确保高准确度、高重现性、高覆盖度的代谢组学数据产出，努力推进代谢组学数据质控标准化和推动创新生物标志物的转化应用。

凯莱谱CalTarget靶向代谢组学平台具备"精准狙击"能力，可对特定代谢通路进行绝对定量分析。平台基于CalQuant-S，AB Sciex 6500+等，已建立肠道菌群相关代谢物、TCA循环代谢物、胆汁酸等20余类化合物的检测panel。凯莱谱不仅提供这些panel的精准定量检测，还提供定制化代谢物检测方法开发服务，部分热门靶向代谢物检测panel如下：

凯莱谱"非靶向发现-靶向验证"的全周期解决方案，已成功应用于疾病标志物筛选、机制研究、药物疗效评估等多个领域，为科研和临床转化提供强有力的技术支撑！

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参考文献：

[1]Geng, Lingling et al. “Systematic profiling reveals betaine as an exercise mimetic for geroprotection.” Cell, S0092-8674(25)00635-X. 25 Jun. 2025, doi:10.1016/j.cell.2025.06.001.