2013至2014年間的某段時(shí)間，有19人自愿被關(guān)在診所里好幾天——不是一次完成，而是分成4次。在每次為期3天的短暫逗留期間，他們每天獲得的飲食都不同且被嚴(yán)格控制，同時(shí)禁止運(yùn)動(dòng)。受試者可以使用電腦，也可以接受他人的探訪，只要客人不偷偷帶零食進(jìn)來就行。受試者需要把自己從早上、下午到晚上排出的所有尿液都交給研究人員。

這些參與者暫時(shí)犧牲自由來幫助營養(yǎng)學(xué)家加里·弗羅斯特（Gary Frost）和他在倫敦帝國理工學(xué)院的同事們，研究飲食習(xí)慣是如何影響分泌入尿液中的代謝物的相對(duì)濃度的，以及尿如何作為個(gè)人飲食的一個(gè)指標(biāo)。該團(tuán)隊(duì)的飲食實(shí)驗(yàn)范圍從健康到暴飲暴食不等。弗羅斯特的團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，這種代謝組學(xué)分析將為營養(yǎng)學(xué)家提供更為可靠的數(shù)據(jù)，而不是像傳統(tǒng)方法一樣詢問自由散漫的受試者一直在吃什么——這種方法因其極高的誤差而臭名昭著。

“大多數(shù)人都記不清楚吃了什么東西……人們會(huì)否認(rèn)吃過甜點(diǎn)，或者忘記他們吃過巧克力?！贝笮l(wèi)·維斯卡特（David Wishart）說道。他是一位生物化學(xué)家，在阿爾伯塔大學(xué)從事代謝組學(xué)和營養(yǎng)學(xué)研究，但并未參與弗羅斯特的研究。他補(bǔ)充道：“血液和尿液不會(huì)說謊?！?/p>

的確，弗羅斯特的團(tuán)隊(duì)能夠利用志愿者的數(shù)據(jù)將尿液中代謝物的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)單一的分值，現(xiàn)在可以利用這個(gè)分值來推斷那些不受他們飲食控制的人的飲食。其他在營養(yǎng)學(xué)研究中尋求客觀性的研究人員正在對(duì)代謝物進(jìn)行鑒定，以揭示一個(gè)人是否吃了某種特定的食物。

這種方法還不完善，也未被廣泛使用，研究人員仍在努力確定與某些食物或飲食品質(zhì)相關(guān)的代謝物。但是通過仔細(xì)分析，科學(xué)家開始發(fā)現(xiàn)關(guān)于人們飲食的微妙信息，比如他們攝入了多少牛奶和奶酪，或者喝了什么樣的煮咖啡。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及飲食與代謝產(chǎn)物相關(guān)性數(shù)據(jù)的積累，研究人員希望將飲食流行病學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化，以期能夠闡明特定飲食習(xí)慣與疾病風(fēng)險(xiǎn)之間的聯(lián)系。有些人甚至從中看到了機(jī)遇，開展個(gè)性化營養(yǎng)建議，以幫助人們促進(jìn)或保持身心健康。例如，溫哥華有一家名為Molecular You的公司，其首席信息官就是韋斯卡特，該公司利用代謝組學(xué)和其他信息為顧客提供飲食習(xí)慣建議，以改善他們的健康狀況。

巴塞羅那大學(xué)營養(yǎng)研究員克里斯蒂娜·安德列斯-拉庫耶娃（Cristina Andrés-Lacueva）說：“人們對(duì)代謝組學(xué)寄予厚望，認(rèn)為它將在破譯飲食與健康之間的相互作用方面發(fā)揮主導(dǎo)作用?！?/p>

將代謝物與特定食物聯(lián)系起來

在科學(xué)家開始將代謝物與健康和疾病聯(lián)系起來之前，他們必須詳細(xì)說明攝入不同食物時(shí)的相關(guān)生物標(biāo)記物。2019年，韋斯卡特與來自歐洲和新西蘭的合作者一起完成了一個(gè)項(xiàng)目，目的是鑒定各種食物和飲品的生物標(biāo)記物，從可口可樂到雞胸肉，再到格律耶爾干酪。潛在的生物標(biāo)記物包括直接從這些食物中提取的化合物，或人體代謝物，或腸道微生物產(chǎn)生的代謝物濃度的波動(dòng)。這項(xiàng)被稱為食物生物標(biāo)記聯(lián)盟（FoodBAll）的研究發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)很有希望的候選標(biāo)記物。

例如，研究乳制品血液生物標(biāo)記物的團(tuán)隊(duì)提出用糖醇半乳糖醇作為牛奶攝入量的指標(biāo)，用芳香族化合物3-苯乳酸作為奶酪攝入的信號(hào)。FoodBAll的合作者還開發(fā)了驗(yàn)證這些新型生物標(biāo)記物的操作流程，并創(chuàng)建了幾個(gè)在線數(shù)據(jù)庫來為食物代謝組學(xué)研究添磚加瓦（參見表1）。

表1 你的食物里有什么？參與FoodBAll項(xiàng)目的研究人員建立了幾個(gè)數(shù)據(jù)庫，以給對(duì)食物生物標(biāo)記物的研究提供便利。

甚至除了FoodBAll小組之外，只要研究人員開始觀察，他們就能發(fā)現(xiàn)代謝物揭示飲食習(xí)慣的驚人細(xì)節(jié)。例如，國際癌癥研究機(jī)構(gòu)的生化學(xué)家奧古斯汀·斯卡爾伯特（Augustin Scalbert）就對(duì)各種各樣的咖啡感興趣?？Х冗€與一系列的健康效應(yīng)有關(guān)，因此科學(xué)家想要知道與研究對(duì)象攝入的是哪一種咖啡以及攝入量多少相關(guān)的最好的生物標(biāo)記物。斯卡爾伯特和他的同事們比較了來自4個(gè)國家的451人的血液代謝物：法國人經(jīng)常喝濃縮咖啡；在德國滴濾咖啡是標(biāo)配；在希臘煮咖啡是首選；而在意大利，最受歡迎的是“摩卡壺”煮制的類似濃縮咖啡的咖啡。在法國和德國，葫蘆巴堿是咖啡攝入的最佳標(biāo)記物。但斯卡爾伯特說，在希臘，估計(jì)某人咖啡攝入量的最佳方法是用奎尼酸，而在意大利則是用氨基酸衍生物環(huán)（異亮氨?；?脯氨?；?。結(jié)果表明，理想的生物標(biāo)記物可能取決于所研究的人群。

將代謝物與特定疾病的風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)系起來

長期以來，人們一直認(rèn)為飲食與癌癥風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。但大多數(shù)研究只是簡單地詢問人們吃了什么，然后追蹤后來的癌癥診斷情況。

與許多營養(yǎng)研究人員一樣，美國癌癥協(xié)會(huì)的流行病學(xué)家現(xiàn)在也在尋找與個(gè)體化飲食相關(guān)的特定標(biāo)記物，以獲得飲食與癌癥相關(guān)性的更可靠的數(shù)據(jù)。幾年前，瑪吉·麥卡洛（Marji McCullough）和王英（Ying Wang）分析了來自91種食物組和食物個(gè)體的1 186種血清代謝物。該研究基于癌癥預(yù)防研究II（Cancer Prevention study II）的一部分內(nèi)容，在這部分研究中，有1 369名女性填寫了食物頻率問卷。相關(guān)性很強(qiáng)：科學(xué)家能夠?qū)?2種食物個(gè)體和食物組與199種不同的代謝物聯(lián)系起來，其中包括與咖啡及包含沙丁魚和鮭魚在內(nèi)的深色魚類相關(guān)的一些新穎的、尚未被命名的生物標(biāo)記物。麥卡洛和她的同事們希望在未來的研究中對(duì)這種分析方法進(jìn)行驗(yàn)證并將其應(yīng)用于癌癥風(fēng)險(xiǎn)的研究中?！斑@還是個(gè)年輕的領(lǐng)域。”她說道。

斯卡爾伯特同意這一說法?！拔覀冋谝稽c(diǎn)一點(diǎn)地學(xué)著去開發(fā)這些信息，并充分利用它們來理解食物攝入、不同食物、不同飲食習(xí)慣以及癌癥風(fēng)險(xiǎn)之間的聯(lián)系?！?/p>

他之所以對(duì)咖啡感興趣，是因?yàn)榭Х饶芙档突几伟┘捌淝罢茁愿尾〉娘L(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)美國疾病控制和預(yù)防中心的數(shù)據(jù)，每年約有3.3萬美國人罹患肝癌，但經(jīng)常喝咖啡的習(xí)慣會(huì)使患肝癌的風(fēng)險(xiǎn)降低50%。憑借他們對(duì)咖啡生物標(biāo)記物的了解，斯卡爾伯特和他的合作者調(diào)查了收集自男性吸煙者的血液樣本，這些血樣是20世紀(jì)80年代在芬蘭進(jìn)行的一項(xiàng)預(yù)防肺癌的營養(yǎng)補(bǔ)充劑試驗(yàn)中收集的。在這個(gè)數(shù)據(jù)集中，飲用咖啡與血液中幾種化合物的濃度升高有關(guān)——包括神經(jīng)遞質(zhì)血清素、構(gòu)成細(xì)胞膜的甘油磷脂以及來自咖啡豆的葫蘆巴堿——還有較低濃度的酪氨酸和膽汁酸。

然后，研究人員將后來被診斷為肝癌或在2012年底前死于肝病的受試者的數(shù)據(jù)與參加了同一試驗(yàn)但擁有健康肝臟的志愿者的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。那些健康對(duì)照者血樣中所含的咖啡化合物和相關(guān)分子水平往往較高，而那些患肝病或癌癥的人血樣中的酪氨酸和膽汁酸水平較高。

“這是一項(xiàng)做得很好、設(shè)計(jì)得很完善的研究。”維斯卡特說，他沒有參與那項(xiàng)特別的研究，但在其他項(xiàng)目上與斯卡爾伯特有過合作。他說，該項(xiàng)研究結(jié)果與其他研究結(jié)果相吻合，這些研究表明，攝入咖啡可以減少腸道炎癥，同時(shí)能夠促進(jìn)有益微生物的生長——這些因素可以減少膽汁酸和酪氨酸等化合物造成的損害。

關(guān)于整體飲食，代謝產(chǎn)物能告訴我們什么

弗羅斯特和其他研究者正試圖從更廣義的角度來審視飲食習(xí)慣，以量化一種飲食的整體健康程度。在一項(xiàng)由位于倫敦的英國國家健康研究所/威康信托帝國臨床研究中心進(jìn)行的鎖定研究中，他和他的團(tuán)隊(duì)為他們的研究對(duì)象提供了4種不同的餐飲計(jì)劃：飲食1包含世界衛(wèi)生組織認(rèn)為健康的食物，包括全麥谷物、清蒸鮭魚和葡萄。飲食4則包含完全相反的食物范圍，有糖衣麥片、油炸豬肉香腸和牛奶巧克力。飲食2和飲食3處于這兩個(gè)極端之間。

在短短幾天時(shí)間內(nèi)，研究人員就能檢測出這些菜單對(duì)受試者代謝組學(xué)概況的影響。對(duì)于吃營養(yǎng)膳食飲食1的人來說，其尿液中有19種代謝物的濃度要高于吃垃圾食品飲食4的人。例如，其中一種代謝物是馬尿酸鹽，它是水果和蔬菜攝入量的指標(biāo)。相反地，食用不健康飲食4的人與食用飲食1的人相比，有9種代謝物含量更高。紅肉的生物標(biāo)記肉毒堿就是其中之一。

為了將這些個(gè)體信號(hào)納入更廣泛的評(píng)估中，數(shù)據(jù)科學(xué)家約蘭·鮑斯馬（Joram Posma）應(yīng)用了機(jī)器學(xué)習(xí)。他利用飲食1或飲食4參與者的生物標(biāo)記物水平訓(xùn)練計(jì)算機(jī)算法，通過分析他們的尿液來預(yù)測一個(gè)人的飲食質(zhì)量。然后，研究小組利用過渡飲食（飲食2和飲食3）的數(shù)據(jù)測試了他們的模型。果不其然，該模型正確地識(shí)別出了飲食2攝入者具有相對(duì)健康的代謝物組，而飲食3的攝入者則更傾向于具有不健康的代謝物組。該團(tuán)隊(duì)還在來自丹麥和英國的其他人群中驗(yàn)證了該模型。那些飲食更健康的人具有的代謝物組與那些在鎖定實(shí)驗(yàn)中攝入飲食1的受試者更為類似。

“這篇論文很有意思，因?yàn)樗趦蓚€(gè)不同的人群中將干預(yù)性研究和觀察性研究結(jié)合在了一起，”斯卡爾伯特說，他并沒有參與這項(xiàng)研究，“這類研究通常會(huì)針對(duì)特定的食物，但很少會(huì)針對(duì)整體飲食?！?/p>

以代謝產(chǎn)物概況為基礎(chǔ)，研究小組現(xiàn)在可以計(jì)算出單一的飲食代謝類型評(píng)分（DMS）來代表一個(gè)人飲食習(xí)慣的健康程度。弗羅斯特說：“我們可以知道你在飲食健康譜上的位置?！?/p>

參與該項(xiàng)目的化學(xué)家伊莎貝爾·加西亞-佩雷斯（Isabel Garcia-Perez）補(bǔ)充道，關(guān)鍵在于這些分值是客觀的，不受攝入者錯(cuò)誤回憶的干擾。她目前正在將該算法投入實(shí)踐。在一項(xiàng)有關(guān)客戶與營養(yǎng)師之間配合度的試驗(yàn)中，加西亞-佩雷斯將利用飲食評(píng)分，讓飲食建議提供者在面見客戶之前就能了解到他們的飲食習(xí)慣，并能確定客戶會(huì)在多大程度上遵守或不遵守他們制定的飲食計(jì)劃。她預(yù)測，如果客戶的代謝物組能夠就他們對(duì)指導(dǎo)的遵守情況提供頻繁可靠的反饋，那么這些客戶則能更為積極地堅(jiān)持?jǐn)z入推薦的飲食。

麥卡洛和同事們正在尋找血液中廣泛飲食模式的簡單標(biāo)記物。他們專門尋找可能會(huì)顯示出4種不同飲食指標(biāo)得分的代謝產(chǎn)物，這4種不同的飲食指標(biāo)包括：替代型地中海飲食評(píng)分、替代型健康飲食指數(shù)、中止高血壓飲食療法以及健康飲食指數(shù)。這些反映健康飲食的指數(shù)中得分最高的預(yù)測指標(biāo)包括魚類攝入的標(biāo)記物，如omega-3脂肪酸DHA，以及水果和蔬菜攝入的標(biāo)記物，如胡蘿卜素。

麥卡洛表示，最終，這類研究可能會(huì)產(chǎn)生人們負(fù)擔(dān)得起的血液測試，該測試能顯示一個(gè)人真正的飲食模式——這是一種可被臨床醫(yī)生用來評(píng)估疾病風(fēng)險(xiǎn)并據(jù)此為患者提出建議的客觀方法?！扒奥仿?，”她說道，“但其潛力巨大。”

資料來源 The Scientist