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本文转自公众号：代谢组metabolome 
导读
运动（Ex）已被公认为预防肥胖的有效方法，但它对人体的抗氧化系统具有双重作用。阿魏酸（FA）是一种酚酸，具有抗氧化能力和众多健康益处。本研究旨在比较Ex、FA、以及Ex联合FA (Ex-FA)在体内的抗肥胖作用，并阐明其中潜在的机制。我们在实施或不实施Ex、FA和Ex-FA的情况下给小鼠喂食高脂肪饮食(HFD) 13周，比较各组之间的体重、抗氧化能力、Ex性能和血清、肝脏和骨骼肌中的脂质谱，并进行血清代谢组学分析。结果表明，Ex、FA 和Ex-FA在体重调节方面表现出相似的效果。Ex通过减轻HFD引起的血脂异常表现出比FA更佳的药效，而FA在减轻肝脏和骨骼肌中的脂质沉积方面发挥更好的作用。Ex-FA在调节血清、肝脏和骨骼肌中的脂质含量方面表现出综合作用，并对抗氧化能力和Ex能力产生增强效果。给予Ex、FA和Ex-FA的小鼠表现出不同的代谢特征，这可能是通过不同的代谢途径实现的。本研究结果表明，Ex与FA相结合可以有效且安全地改善饮食引起的肥胖症。
原名：Regular exercise combined with ferulic acid exhibits antiobesity effect and regulates metabolic profiles in high-fat diet-induced mice译名：规律运动与阿魏酸相结合显示出抗肥胖作用并调节高脂饮食诱导小鼠的代谢特征
期刊：Frontiers in Nutrition通讯作者单位：中国疾病预防控制中心营养与健康研究所
1. Ex、FA和Ex-FA对HFD喂养小鼠体重和器官指数的影响根据图1的数据，HFD组小鼠的最终体重、肝脏指数、附睾脂肪指数和腹部脂肪指数显著高于正常饮食对照（ND）组小鼠（P < 0.05）。经MRI量化后，HFD喂养小鼠的脂肪组织比例也显著高于ND组（P < 0.05；图2）。因此，HFD处理13周可导致小鼠肥胖。
图1 Ex、FA和Ex-FA对HFD喂养小鼠体重、能量摄入和器官指数的影响(A)体重变化；(B)初始体重；(C)最终体重；(D)能量摄入；(E)肝指数；(F)附睾脂肪指数；(G)腹部脂肪指数；(H)棕色脂肪指数。ND，正常饮食组（对照组）；HFD，高脂饮食组（模型）；Ex，高脂肪饮食和运动；FA，含阿魏酸的高脂饮食；Ex-FA，高脂肪饮食结合运动和阿魏酸。数据表示为平均值 ± SD（能量摄入n = 6，其他 n = 10）。不同字母的均值显著不同（P < 0.05）。与HFD组小鼠相比，Ex、FA和Ex-FA处理在第13周末显著降低了最终体重以及肝脏和白色脂肪组织的指标（P < 0.05；图1）。在MRI扫描图像中，Ex-、FA-和Ex-FA处理的小鼠的脂肪组织面积小于HFD组，与HFD组相比，脂肪组织的比例显著降低（P <0.05；图2）。此外，Ex、FA和Ex-FA组的能量摄入与HFD组没有明显差异（图 1）。这一发现表明，食物摄入和食欲不受Ex、FA和Ex-FA处理的影响。此外，各组棕色脂肪指数和后肢骨骼肌比例均无明显差异（图1、2）。
图2 Ex、FA和Ex-FA对HFD喂养小鼠身体成分的影响(A) 磁共振图像；(B) 脂肪组织和骨骼肌的比例。从磁共振图像计算脂肪组织和骨骼肌的比例。红色箭头代表脂肪组织，绿色箭头代表后肢骨骼肌。ND，正常饮食组（对照组）；HFD，高脂饮食组（模型）；Ex，高脂肪饮食和运动；FA，含阿魏酸的高脂饮食；Ex-FA，高脂饮食结合运动和阿魏酸。数据表示为平均值± SD (n = 3)。不同字母的均值显著不同（P < 0.05）。2. Ex、FA和Ex-FA对HFD喂养小鼠运动表现的影响如图3A所示，当老鼠跑到筋疲力尽时，Ex组小鼠的运动距离明显长于ND、HFD和FA组的非Ex小鼠(P < 0.05)。与ND和HFD组相比，单独施用FA对运动距离没有明显影响，但FA联合Ex后小鼠的运动距离较Ex组小鼠显著增加57.1%（P < 0.05；图3A）。此外，Ex和Ex-FA组的小鼠比其他组的小鼠表现出明显更强的握力(P < 0.05；图3B)。
图3 Ex、FA和Ex-FA对HFD喂养小鼠运动表现的影响(A) 移动距离；(B)握力。ND，正常饮食组（对照组）；HFD，高脂饮食组（模型）；Ex，高脂肪饮食和运动；FA，含阿魏酸的高脂饮食；Ex-FA，高脂肪饮食加运动和阿魏酸。数据表示为平均值± SD（n = 4表示移动距离，n = 10表示握力）。具有不同字母的均值显著不同 (P < 0.05)。3. Ex、FA和Ex-FA对HFD喂养小鼠血清、肝脏和骨骼肌脂质水平的影响与ND组相比，补充HFD导致血清甘油三酯（TG）、总胆固醇（TC）和低密度脂蛋白（LDL-C）水平显著升高，血清高密度脂蛋白（HDL-C）水平显著降低（P < 0.05；表格1）。当HFD诱导的小鼠单独进行规律Ex时，血清TG、TC和LDL-C浓度分别显著下降42.9%、14.4%和27.3%，血清HDL-C浓度显著升高26.2%（与 HFD 相比，P < 0.05；表 1）。此外，与HFD组相比，单独FA处理在降低血清TG和TC水平方面表现出显著效果（P < 0.05；表 1）。当HFD诱导的小鼠同时施用Ex和FA时，血清TG和LDL-C水平分别显著低于HFD组小鼠34.7％和22.7％，且血清HDL-C水平显著高于HFD组小鼠29.5%（P < 0.05；表1）。在本研究中，HFD摄入导致肝脏TG和游离脂肪酸（FFA）浓度明显增加（与ND，P < 0.05；表 1），FA处理后显著减弱（P < 0.05；表1）。此外，肝脏TG和FFA浓度不受单独Ex的显著影响，但Ex和FA联合处理显著降低（与HFD相比，P < 0.05；表1）。此外，HFD喂养小鼠骨骼肌中TG、TC和FFA的含量显著高于ND组（P < 0.05；表1）。与HFD组相比，Ex仅显著降低肌肉FFA水平，而FA处理显著降低肌肉TC和FFA水平（P < 0.05；表1）。然而，Ex与FA联合处理后，可以显著抑制HFD诱导的骨骼肌脂质沉积（P < 0.05；表1）。Ex-FA组小鼠肌肉TG、TC和FFA浓度分别显著比HFD组低13.3%、42.4%和28.8%（P < 0.05；表 1）。表1 Ex、FA和Ex-FA对HFD喂养小鼠血清、肝脏和骨骼肌脂质谱的影响
ND，正常饮食组（对照组）；HFD，高脂饮食组（模型）；Ex，高脂肪饮食和运动；FA，含阿魏酸的高脂饮食；Ex-FA，高脂肪饮食，运动和阿魏酸。数据表示为平均值± SD（骨骼肌 n = 9，血清和肝脏 n = 10）。不同字母的均值差异显著（P < 0.05）。4. Ex、FA和Ex-FA对HFD喂养小鼠氧化应激状态的影响我们通过荧光染色观察不同处理下骨骼肌中的ROS水平 (图4A)。与ND组相比，HFD组小鼠的ROS水平显著升高（P < 0.05；图4B）。Ex、FA和Ex-FA 处理均可降低HFD诱导的ROS水平，并且趋势类似，但只有FA和Ex-FA处理显著抑制了ROS水平（与HFD相比，P <0.05；图4B）。
图4 Ex、FA 和 Ex-FA对HFD喂养小鼠ROS水平的影响(A) 骨骼肌切片的ROS和DAPI 染色(比例尺 = 100 µm)。(B)相对荧光强度。用DAPI标记的细胞核是蓝色的，而ROS阳性区域是红色的。ND，正常饮食组（对照组）；HFD，高脂饮食组（模型）；Ex，高脂肪饮食和运动；FA，含阿魏酸的高脂饮食；Ex-FA，高脂肪饮食，运动和阿魏酸。数据表示为平均值± SD (n = 6)。不同字母的均值显著不同（P < 0.05）。与ND组小鼠相比，HFD组小鼠的肝脏和肌肉丙二醛（MDA）水平显著升高（P < 0.05；图5），表明存在脂质过氧化。Ex和FA联合处理诱导的小鼠肝脏和肌肉MDA浓度分别比HFD组小鼠低25.0%和18.3%（P < 0.05；图 5）。
图5 Ex、FA和Ex-FA对HFD喂养小鼠肝脏(A)和骨骼肌(B)中MDA水平的影响ND，正常饮食组（对照组）；HFD，高脂饮食组（模型）；例如，高脂肪饮食和运动；FA，含阿魏酸的高脂饮食；Ex-FA，高脂肪饮食，运动和阿魏酸。数据表示为平均值± SD（肝脏 n = 10，肌肉 n = 9）。不同字母的均值显著不同（P < 0.05）。PLS-DA的结果如图6所示，R2X、R2Y和Q2值表明PLS-DA模型具有有效性。我们使用HMDB数据库鉴定HFD和其他处理之间的差异代谢物，并按HMDB超类进行分类。不同处理下小鼠的代谢物表现出不同的成分。HFD和Ex组之间约62.7%的差异代谢物是脂质和类脂质分子，其次是有机酸和衍生物，约占15.3%（图7A）。然而，对于HFD和FA组之间的差异代谢物，只有39.5%是脂质和类脂分子，约28.4%是有机酸和衍生物（图7B）。同样，HFD组和Ex-FA组的差异代谢物中脂质和类脂分子的比例为43.6%，有机酸及其衍生物的比例为23.6%（图7C）。
(A) ND、HFD和Ex组的PLS-DA得分图；(B) ND、HFD和FA组的PLS-DA评分图；(C) ND、HFD和Ex-FA组的PLS-DA得分图。ND，正常饮食组（对照组）；HFD，高脂饮食组（模型）；Ex，高脂肪饮食和运动；FA，含阿魏酸的高脂饮食；Ex-FA，高脂饮食加运动和阿魏酸。图8中的热图显示了ND、HFD和处理组中的共同代谢物。在这项研究中，我们在ND组和HFD组之间共鉴定出189种差异代谢物，其中一些分别被Ex、FA和Ex-FA处理反向改变（补充表 S1-S3）。在两组之间，倍数变化大于1被认为是代谢物水平的显著增加，而倍数变化小于1被认为是代谢物水平的显著降低。在ND和HFD组之间的差异代谢物中，有10种代谢物因Ex处理而显著变化，19种因补充FA而显著变化，15种因Ex和FA联合处理而显著变化（补充表 S1-S3）。
(A) Ex与HFD；(B) FA与HFD；(C) Ex-FA与HFD。HFD，高脂饮食组（模型）；Ex，高脂肪饮食和运动；FA，含阿魏酸的高脂饮食；Ex-FA，高脂肪饮食，运动和阿魏酸。在HFD组和不同处理之间确定的差异代谢物被进一步应用于通路富集和拓扑分析。如图9所示，每个点代表一个参与调节差异代谢物的潜在代谢途径。在本研究中，VIP值大于0.1且P值<0.05的代谢途径被认为是显著影响代谢的重要途径，如表2所示。结果表明，HFD组和Ex组之间的主要干扰途径是丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢以及D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢；HFD和FA组之间的主要干扰途径是D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、谷胱甘肽代谢、氨酰-tRNA生物合成、精氨酸和脯氨酸代谢；HFD和Ex-FA组之间的主要干扰途径是谷胱甘肽代谢和丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢（表2）。
列出了VIP值> 0.1和P值< 0.05的途径。HFD，高脂饮食组（模型）；Ex，高脂肪饮食和运动；FA，含阿魏酸的高脂饮食；Ex-FA，高脂饮食加运动和阿魏酸。
(A) ND、HFD和Ex的共同代谢物。(B) ND、HFD和FA的共同代谢物。(C) ND、HFD和Ex-FA的共同代谢物。ND，正常饮食组（对照组）；HFD，高脂饮食组（模型）；Ex，高脂肪饮食和运动；FA，含阿魏酸的高脂饮食；Ex-FA，高脂肪饮食，运动和阿魏酸。虽然Ex已被公认为一种健康的生活方式，但Ex引起的氧化应激也不容忽视。FA是一种常见酚酸，具有抗氧化能力和众多健康益处。FA作为天然抗氧化剂，我们尚不清楚其能否维持Ex引起的氧化还原稳态，并与Ex在抗肥胖方面是否具有协同作用。因此，本研究在HFD诱导的小鼠中比较了规律Ex、FA和联合处理的抗肥胖作用。本研究中FA的剂量为小鼠136 mg/kg体重，约等于每60 kg成人每天660 mg的剂量。据估计，一个人从日常饮食中摄入的多酚约为每天1克。因此，本研究的FA用量在合理范围内。
(A) Ex与HFD；(B) FA与HFD；(C) Ex-FA与HFD。HFD，高脂饮食组（模型）；Ex，高脂肪饮食和运动；FA，含阿魏酸的高脂饮食；Ex-FA，高脂肪饮食，运动和阿魏酸。根据目前的结果，Ex、FA和Ex-FA处理在抑制HFD引起的体重和白色脂肪组织百分比的增加方面表现出相似的效果（图 1、2）。然而，它们在调节血清、肝脏和骨骼肌中的脂质水平方面表现出不同的作用。如表1所示，规律Ex 13周可显著减轻HFD引起的血脂异常，但仅显著降低肌肉FFA浓度。然而，FA在降低血清TG和TC水平方面产生了有益效果，并且在降低肝脏和骨骼肌中的脂质水平方面比Ex的疗效更全面。因此，Ex和FA可能通过不同的方式调节脂质代谢和沉积。肝脏脂质堆积是非酒精性脂肪肝（NAFLD）的典型症状，并且Ex已被广泛推荐为NAFLD的有效疗法。然而，最近的研究表明，虽然Ex可以增加能量利用率，但NAFLD的改善可能是由于肝脏脂滴特征的变化，而不是脂质含量的降低。因此，Ex可能在不降低肝脏脂质浓度的情况下达到保肝作用。此外，同位素追踪实验表明，大约60%的肝脏脂质来自脂肪细胞释放的脂肪酸。研究人员已经证明，FA可以减少3T3-L1脂肪细胞的分化和脂质积累，调节人脂肪细胞的脂质代谢。因此，考虑到FA处理诱导的脂肪细胞稳态，FA可能对肝脏脂质沉积具有潜在的抑制作用。此外，肥胖常伴有肌内脂质积累，进一步引发胰岛素抵抗和2型糖尿病。在本研究中，HFD处理显著增加了骨骼肌中的TG、TC和FFA水平，而补充FA显著降低了肌肉TC和FFA水平（表1）。同样，之前的一项研究也表明FA对HFD诱导的肥胖小鼠肌肉TG积累具有抑制作用，并且可能通过提高胰岛素受体底物1、磷脂酰肌醇3-激酶和磷酸化蛋白激酶B的蛋白质表达水平来实现。生活方式干预，包括Ex、饮食和行为改变，可以共同发挥保肝作用。富含多酚的食物，如绿茶，与积极的Ex相结合，可以比单独的Ex对减轻NAFLD产生更佳的疗效。与此一致，本研究表明，与Ex组相比，Ex-FA组的肝脏TG浓度较低（表1），这表明FA和Ex的协同作用对肝脏的保护作用更加突出。
图10 Ex、FA 和 Ex-FA在HFD诱导小鼠中调节作用的简要示意图HFD，高脂饮食组（模型）；Ex，高脂肪饮食和运动；FA，含阿魏酸的高脂饮食；Ex-FA，高脂肪饮食，运动和阿魏酸。长期摄入HFD会产生过量的ROS，导致全身氧化应激和脂质过氧化，从而引发氧化损伤。在这项研究中，长期摄入HFD使骨骼肌中的ROS水平以及肝脏和骨骼肌中的MDA浓度显著升高（图4、5），这表明HFD摄入引起了氧化应激。Ex在调节身体的抗氧化系统方面表现出双重作用，主要取决于其持续时间和强度。简而言之，适度的Ex可以改善氧化还原稳态，而强化和耗尽的Ex可以增强脂质过氧化并导致氧化损伤。先前的研究报道，8周的耐力训练可以抑制HFD诱导的大鼠肥胖引起的氧化应激。不一致的是，本研究中特定强度下的 Ex对ROS清除和MDA减少的影响不显著（图 4、5）。Ex持续时间、训练项目和动物物种的差异可能导致这些结果的差异。此外，目前还没有明确的动物Ex强度定义。由于HFD喂养小鼠的ROS水平在单独使用Ex后没有升高，可以推测，本研究中的Ex强度可能不够强烈。与单独的Ex相比，Ex与FA联合处理显著降低了肝脏和肌肉中的ROS水平和MDA浓度（与HFD相比；图4、5）。在具有相似结构的化学物质中，FA在体外显示出最好的抗氧化活性。已发表的研究还表明，FA处理可以缓解HFD诱导的氧化应激，在体内表现出抗氧化能力。因此，FA可以增强运动小鼠的抗氧化系统。此外，身体疲劳与氧化应激密切相关，可能导致不同的Ex表现。FA给药可以增加肝脏抗氧化酶的活性，并与Ex达到刺激作用，以增强耐力和减少疲劳。与此一致，Ex-FA组小鼠的运动距离明显长于其他组小鼠，表明Ex和FA联合处理具有抗疲劳作用（图3）。代谢物的差异可以部分说明体内生理活动的变化。在这项研究中，Ex、FA 和 Ex-FA处理后的HFD小鼠表现出不同的代谢特征。本研究的结果表明，一些差异代谢物可能解释了Ex、FA和Ex-FA处理下抗肥胖作用的机制。胆汁酸与胆固醇的分解代谢密切相关，并有助于调节脂质代谢。肥胖人群的循环胆汁酸水平升高。在高脂肪和高胆固醇饮食条件下，胆汁酸的合成上调。牛磺鹅去氧胆酸（TCDCA）是一种传导性胆汁酸，参与胆汁酸的合成和分泌，以及胆固醇的代谢。甘氨胆酸是另一种参与胆汁酸合成和排泄的生物标志物。在这项研究中，血清中TCDCA和甘氨胆酸的丰度因HFD摄入而显著增加，而在Ex组中显著降低（补充表S1）。研究人员已经证明Ex可以降低肥胖者血清胆汁酸浓度，这可能是通过增加运动时的排泄来实现的。此外，血清中TCDCA和甘氨胆酸的丰度在Ex-FA组和FA组中也分别下降（补充表S2、S3），表明FA干预对胆汁酸具有调节作用。此外，以往的研究发现，多酚类化合物与胆汁酸之间的疏水相互作用可以抑制胶束胆固醇的溶解和胆汁酸进入结肠的吸收，导致粪便中胆汁酸浓度升高。二酰基甘油（DG）是脂质代谢的内源性中间体，在肥胖患者中升高，进一步导致胰岛素抵抗。在这项研究中，几种DG化合物被确定为ND和HFD组之间的差异代谢物。如补充表S2所示，HFD摄入导致DG (13:0/20:3(8Z, 11Z, 14Z)/0:0)，DG (13:0/22:6(4Z, 7Z, 10Z, 13Z, 16Z, 19Z)/0:0)，DG (15:0/18:3(6Z, 9Z, 12Z)/0:0)和DG (18:3(6Z, 9Z, 12Z)/17:2(9Z, 12Z)/0:0)丰度增加，这被FA显著逆转。Ex-FA处理也表现出对DG (13:0/20:3(8Z, 11Z, 14Z)/0:0)丰度的降低作用（补充表S3）。这一结果与之前的研究一致，即富含FA的米糠可使高能量饮食诱导的大鼠体内中DG化合物水平降低。因此，FA的抗肥胖作用可能部分归因于对脂质代谢中间体的调节。此外，高尿酸血症是肥胖相关的代谢紊乱之一，黄嘌呤氧化酶被认为是拮抗高尿酸血症的靶点。FA已被证明是一种黄嘌呤氧化酶抑制剂。因此，HFD显著提高了血清尿酸的丰度，但可被FA处理显著降低（补充表S2）。我们对代谢途径进行拓扑分析以进一步评估 Ex、FA 和 Ex-FA处理的抗肥胖作用的可能机制。如表2和图9所示，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢被确定为所有处理组的共同途径，并且我们发现几种不同的途径在不同的组中具有特异性。尽管与脂质代谢直接相关的途径不是该拓扑分析中的主要途径，与HFD组相比，FA或Ex-FA组的脂质代谢生物标志物显著不同。这可能是因为血清代谢谱反映了全身代谢情况。脂质代谢的主要器官，如肝脏和脂肪组织，可能更适合分析脂质代谢的代谢特征，这将在未来的研究中进行。基于以上所有讨论，简要示意图总结了Ex、FA和Ex-FA在HFD诱导小鼠中的调节作用（图 10）。总之，本研究表明，Ex、FA和Ex-FA在HFD喂养的小鼠中表现出不同的抗肥胖作用。它们对体重调节也有类似的效果。Ex可以减轻HFD引起的血脂异常，而FA可以减轻肝脏和肌肉中的脂质沉积。此外，Ex-FA不仅对血清、肝脏和骨骼肌中脂质含量的调节具有综合作用，而且对抗氧化能力和Ex能力也有增强作用。Ex、FA和Ex-FA处理的小鼠产生不同的代谢谱，这可能通过不同的代谢途径实现。https://www./articles/10.3389/fnut.2022.957321/full
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