年齡是老年人患病和殘疾的一個(gè)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素。然而，相同實(shí)際年齡的個(gè)體往往表現(xiàn)出不同的生物衰老狀態(tài)，導(dǎo)致不同的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)概況?；诮M學(xué)數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的年齡估計(jì)器，即衰老時(shí)鐘，為解釋分子水平的生物衰老提供了一個(gè)有價(jià)值的框架。代謝組學(xué)能全面分析生物樣品中的小分子代謝物，提供與生理和病理過程相關(guān)的當(dāng)前代謝狀態(tài)的見解。受外界環(huán)境因素影響的代謝物是基因表達(dá)和酶活性的最終產(chǎn)物。因此，與表觀遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)相比，代謝組學(xué)在組學(xué)研究中更接近衰老表型，為衰老的量化提供了豐富的生物學(xué)信息。

2024年11月，上海交通大學(xué)卜軍課題組和新加坡國立大學(xué)Brian K. Kennedy等合作在Cell Metabolism雜志（27.7）上發(fā)表“Decoding aging clocks: New insights from metabolomics”的文章，本文綜述了代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘方法的發(fā)展，重點(diǎn)介紹了代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘的建立和解釋，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了它們的優(yōu)勢、局限性和應(yīng)用，并討論了它們潛在的生物學(xué)意義，這有可能推動(dòng)長壽研究和開發(fā)的創(chuàng)新。

Part.01、衰老時(shí)鐘代謝組學(xué)方法

選擇合適的生物樣本

衰老是一個(gè)復(fù)雜的過程，在不同的生物體、組織和細(xì)胞類型中以不同的速率和部分不同的機(jī)制發(fā)生。目前，所有的代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘都是通過生物體液（如血液、尿液和腦脊液）構(gòu)建的。

血液是循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，作為重要的運(yùn)輸介質(zhì)，有效地在全身循環(huán)營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物，從而維持生理穩(wěn)態(tài)和代謝平衡。血液的代謝組學(xué)特征可作為一面鏡子，提供對(duì)發(fā)生在不同器官、組織和細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的各種病理生理過程的見解。在標(biāo)準(zhǔn)做法中，空腹全血樣本在清晨采集，隨后處理以獲得血清或血漿。然后將這些標(biāo)本小心地保存在生物庫的超低溫（即-80°C）下。血清在制備過程中需要一個(gè)凝血過程，在此過程中血小板活化可以釋放物質(zhì)（如脂質(zhì)和磷脂酶），凝血過程中持續(xù)的糖酵解和代謝可導(dǎo)致葡萄糖水平降低和乳酸水平升高。收集血漿時(shí)，常用的抗凝劑包括肝素、EDTA和檸檬酸鹽。有研究認(rèn)為肝素管會(huì)在質(zhì)譜中引入化學(xué)噪聲；EDTA可能在核磁共振（NMR）分析中引入額外的信號(hào)并錯(cuò)誤地增加樣品中的肌氨酸濃度；檸檬酸鹽會(huì)阻礙內(nèi)源性分析物如檸檬酸鹽及其衍生物的分析。在運(yùn)輸或儲(chǔ)存過程中，如果不能將溫度保持在-80°C，會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)變化、半胱氨酸消耗和RNA降解產(chǎn)物的積累。此外，經(jīng)歷3-4次以上的凍融循環(huán)可能會(huì)影響血脂、氨基酸等代謝物的濃度。

與血清或血漿相比，尿液具有親脂分子濃度較低和極性化合物豐度較高的特點(diǎn)，為代謝組學(xué)研究提供了獨(dú)特的分析優(yōu)勢。尿液中含有多種內(nèi)源性廢物代謝物、食物、藥物、環(huán)境污染物和細(xì)菌副產(chǎn)品。鑒于腎臟過濾和濃縮各種代謝物進(jìn)入尿液的能力，基于尿液的代謝組學(xué)為開發(fā)檢測泌尿系統(tǒng)退化的衰老時(shí)鐘提供了一個(gè)有希望的窗口。建議采集中段晨尿樣本，最好是在無菌干燥容器中。盡管尿液樣本在室溫下可保持24小時(shí)的代謝穩(wěn)定，在-20℃或更低的溫度下可保持3個(gè)月的代謝穩(wěn)定，但仍建議在適當(dāng)?shù)臈l件下相對(duì)快速地冷凍，以獲得最佳的代謝組學(xué)分析。

代謝組學(xué)平臺(tái)選擇

代謝組學(xué)數(shù)據(jù)采集主要涉及非靶向和靶向NMR或質(zhì)譜方法。非靶向代謝組學(xué)用于檢測、鑒定和量化廣泛的代謝物，而不考慮預(yù)先存在的假設(shè)。這種方法的結(jié)果很大程度上受到樣品制備、分離技術(shù)和儀器設(shè)置等因素的影響，特別是在沒有先驗(yàn)知識(shí)的情況下，需要明智的選擇和細(xì)致的文件。然而，非靶向代謝組學(xué)通過揭示新的衰老相關(guān)代謝特征，為衰老時(shí)鐘研究提供了相當(dāng)大的希望。另一方面，靶向代謝組學(xué)側(cè)重于一組特定的代謝物，利用同位素標(biāo)記的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)或外部校準(zhǔn)曲線進(jìn)行定量。一旦代謝物panel確定，分析工作流程和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高靈敏度和特異性。

圖1 代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘研究流程

（圖源：Huang et al., Cell Metabolism, 2024）

Part.02衰老時(shí)鐘的進(jìn)展：建立、評(píng)估和應(yīng)用

準(zhǔn)備代謝組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

在經(jīng)典的衰老時(shí)鐘研究中，實(shí)足年齡作為因變量，通過具有一系列綜合特征的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行預(yù)測，得出一個(gè)被稱為生物年齡的估計(jì)年齡。當(dāng)基于代謝組學(xué)時(shí)，這種估計(jì)被稱為代謝年齡。該過程的關(guān)鍵是代謝組學(xué)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，解決諸如代謝組學(xué)漂移（由于樣品降解或?qū)嶒?yàn)變化等因素），批次效應(yīng)（由不同處理和測量批次引起），異常值/缺失值管理以及數(shù)據(jù)歸一化和轉(zhuǎn)換等問題?？紤]到模型構(gòu)建過程中確定最佳方法的復(fù)雜性，建議對(duì)代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘研究中預(yù)處理方法的報(bào)告進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并提供詳細(xì)的解釋，以提高這一領(lǐng)域的研究質(zhì)量和可比性。

衰老時(shí)鐘開發(fā)中的機(jī)器學(xué)習(xí)

在衰老時(shí)鐘研究的典型機(jī)器學(xué)習(xí)工作流程中，研究隊(duì)列被劃分為子集，用于訓(xùn)練、驗(yàn)證和測試。模型在訓(xùn)練集上進(jìn)行訓(xùn)練，使用驗(yàn)證集（或交叉驗(yàn)證等重新采樣技術(shù)）來選擇最優(yōu)的預(yù)測模型。最后的測試集用于評(píng)估模型的性能。利用代謝組學(xué)方法，產(chǎn)生了大量的代謝組學(xué)特征。然后使用各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法（包括線性和非線性方法）處理這些特征，以構(gòu)建預(yù)測模型（圖2A）。多元線性回歸（MLR）是預(yù)測生物年齡的基本統(tǒng)計(jì)方法，其中實(shí)足年齡估計(jì)為加權(quán)代謝特征的線性函數(shù)。MLR在計(jì)算上很簡單，具有很高的可解釋性，權(quán)重表明了每個(gè)特征對(duì)年齡預(yù)測的影響方向和大小。然而，組學(xué)數(shù)據(jù)固有的復(fù)雜性和稀疏性給MLR帶來了巨大的挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)特征數(shù)量顯著超過樣本數(shù)量時(shí)，如在非靶向代謝組學(xué)數(shù)據(jù)中經(jīng)?？吹降哪菢?，或者當(dāng)同一途徑中代謝物之間存在高度共線性時(shí)。解決方案包括大樣本量、嚴(yán)格的特征選擇或主成分分析（PCA）等降維技術(shù)。

實(shí)際年齡和代謝物之間的非線性關(guān)系往往更準(zhǔn)確地反映了現(xiàn)實(shí)世界的動(dòng)態(tài)（圖2B）。研究發(fā)現(xiàn)了代謝物隨年齡變化的多種非線性模式，包括成年前黃嘌呤和組氨酸代謝的強(qiáng)勁增長趨勢，以及單?；视秃忘S體酮類固醇代謝的拋物線型趨勢。這就需要在衰老時(shí)鐘模型中使用非線性機(jī)器學(xué)習(xí)算法。支持向量機(jī)（SVM）和決策樹及其擴(kuò)展（如隨機(jī)森林和極端梯度增強(qiáng)）等算法已經(jīng)有效地應(yīng)用于代謝組學(xué)數(shù)據(jù)集。深度學(xué)習(xí)模型在分析大規(guī)模數(shù)據(jù)集中復(fù)雜的非線性關(guān)系方面顯示出巨大的前景。

圖2 代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘的開發(fā)和分析。(A) 開發(fā)和評(píng)估代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘的標(biāo)準(zhǔn)程序，強(qiáng)調(diào)了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在其構(gòu)建和測試中的應(yīng)用。(B) 實(shí)際年齡與生物標(biāo)志物：說明了實(shí)際年齡與代謝組學(xué)生物標(biāo)志物之間的非線性關(guān)系，強(qiáng)調(diào)了非線性算法在構(gòu)建更準(zhǔn)確和反映代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘方面的適用性。

（圖源：Huang et al., Cell Metabolism, 2024）

衰老時(shí)鐘的實(shí)際應(yīng)用

大眾：保持日常生活習(xí)慣。許多研究探討了生活方式因素對(duì)人體代謝物的影響。例如，睡眠剝奪是現(xiàn)代社會(huì)普遍存在的問題，它已被證明會(huì)顯著提高27種代謝物的水平：色氨酸、血清素、?；撬?、8種酰基肉堿、13種甘油磷脂和3種鞘脂。在日常生活中，這些因素相互作用，代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘的概念可以作為一個(gè)綜合框架來整合和理解它們的整體影響。值得注意的是，吸煙和飲酒與加速生物衰老有關(guān)，這表明這些時(shí)鐘有可能反映日常行為對(duì)代謝年齡的累積影響。

預(yù)防醫(yī)學(xué)專家：疾病和死亡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測。衰老時(shí)鐘在預(yù)測未來疾病發(fā)生、進(jìn)展和死亡率方面具有重要潛力，因此在風(fēng)險(xiǎn)分層和告知公共衛(wèi)生政策方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。最近有超過10萬名參與者的大規(guī)模研究強(qiáng)調(diào)了代謝組學(xué)在使用核磁共振衍生譜預(yù)測常見疾病方面的有用性，包括代謝、血管、呼吸、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和癌癥等廣泛的疾病。代謝年齡是一種全面的、可改變的代謝衰老標(biāo)志物，能夠識(shí)別出各種衰老相關(guān)疾病，特別是心臟代謝疾病的高風(fēng)險(xiǎn)個(gè)體。

臨床醫(yī)生：評(píng)估身體功能和指導(dǎo)決策。傳統(tǒng)上，治療決定以實(shí)際年齡為指導(dǎo)，導(dǎo)致老年人傾向于采用保守方法。然而，這可能會(huì)導(dǎo)致那些盡管年事已高，卻可以從更積極的治療中受益的人錯(cuò)過機(jī)會(huì)。因此，生物年齡的概念在這種情況下變得至關(guān)重要。例如，65歲以下的股骨頸骨折患者一般被定義為“年輕患者”，而75歲以上的患者被定義為“老年患者”。對(duì)于介于兩者之間的患者，其損傷前的生理狀態(tài)決定了其被分類為“年輕”或“老年”患者。對(duì)于年輕患者，手術(shù)治療目標(biāo)通常是保留股骨頭并實(shí)現(xiàn)骨愈合，而髖關(guān)節(jié)置換術(shù)通常更適合老年人。然而，可以想象的是，70歲甚至80歲的健康狀況良好且代謝年齡較年輕的患者可能從股骨頭保存中獲益更多，可能顯著改善他們未來的生活質(zhì)量。因此，衰老時(shí)鐘可以作為許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測試的替代品，為臨床決策提供更全面的視角。

研究人員：評(píng)估抗衰老干預(yù)措施。衰老時(shí)鐘的開發(fā)主要是為了量化抗衰老干預(yù)措施的功效，為評(píng)估抗衰老干預(yù)措施提供了一種創(chuàng)新的選擇。代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘提供了兩個(gè)顯著的優(yōu)勢：它們對(duì)外部影響的敏感性允許在短期干預(yù)后評(píng)估急性衰老變化，并且某些代謝物對(duì)衰老的既定因果關(guān)系有助于對(duì)年齡變化的生物學(xué)解釋。因此，代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘有望評(píng)估抗衰老干預(yù)措施（圖3）。

圖3 代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。生活方式影響評(píng)估：評(píng)估日常行為如何影響衰老加速。疾病和死亡率預(yù)測：利用時(shí)鐘預(yù)測疾病發(fā)病和死亡率，協(xié)助初級(jí)預(yù)防戰(zhàn)略。干預(yù)益處-風(fēng)險(xiǎn)分析：根據(jù)生理年齡而不是實(shí)際年齡區(qū)分醫(yī)療干預(yù)的適宜性?？顾ダ喜呗栽u(píng)價(jià)：評(píng)估各種抗衰老方法的療效。

（圖源：Huang et al., Cell Metabolism, 2024）

Part.03衰老時(shí)鐘生物學(xué)見解

雖然實(shí)際年齡與許多代謝物的變化有關(guān)，但這并不一定意味著因果關(guān)系?；祀s因素（如人口統(tǒng)計(jì)、生活方式和健康狀況）可能扭曲年齡與代謝物之間的關(guān)系，使這些代謝物無法準(zhǔn)確反映衰老過程。此外，衰老標(biāo)志物并不一定是有害的——它們也可以代表對(duì)衰老的中性反應(yīng)，甚至是適應(yīng)性反應(yīng)。例如，a-酮戊二酸在老年人中增加，但已顯示出改善衰老表型的潛力。同樣的復(fù)雜性也適用于胰島素和成纖維細(xì)胞生長因子-21 (FGF21)，它們與衰老的關(guān)系是多方面的，不能僅僅通過它們在不同年齡組中的水平來捕捉。建立在因果關(guān)系基礎(chǔ)上的衰老時(shí)鐘可以更好地反映體內(nèi)促衰老和抗衰老力量之間的動(dòng)態(tài)平衡，指導(dǎo)有針對(duì)性的抗衰老干預(yù)。

代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘在衰老機(jī)制研究中具有巨大的潛力，因?yàn)橐阎S多小分子具有抗衰老作用，例如NAD+增強(qiáng)劑，如煙酰胺核苷（NR）和NMN，它們已經(jīng)在抗衰老市場上獲得了突出地位。常見的氨基酸如?；撬峥梢酝ㄟ^多種機(jī)制促進(jìn)長壽，包括減少細(xì)胞衰老，防止端粒酶缺乏，改善線粒體功能。甘氨酸可以增強(qiáng)自噬，有助于其抗衰老作用。相反，限制支鏈氨基酸的攝入已顯示出促進(jìn)健康衰老的潛力。孟德爾隨機(jī)化（MR）為識(shí)別代謝物與衰老之間的潛在因果關(guān)系提供了一種有價(jià)值的大規(guī)模方法。代謝組學(xué)和相關(guān)方法的不斷發(fā)展有望更深入地了解衰老的生物學(xué)機(jī)制和代謝物-衰老關(guān)系的因果關(guān)系。這一進(jìn)展有望將分子機(jī)制與臨床應(yīng)用更緊密地聯(lián)系起來。

圖4連接代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘與分子機(jī)制。 (A) 連接代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘的關(guān)鍵代謝特征與特定代謝物和代謝途徑的過程說明。(B) 代謝物在人體內(nèi)表現(xiàn)出與年齡相關(guān)的增加或減少。(C) 探索代謝物與衰老之間的因果關(guān)系是對(duì)衰老時(shí)鐘進(jìn)行生物學(xué)解釋的關(guān)鍵一步。NAD+，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸；NR，煙酰胺核苷；NMN，煙酰胺單核苷酸。

（圖源：Huang et al., Cell Metabolism, 2024）

Part.04總結(jié)

本綜述深入闡述了代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘的新興領(lǐng)域，探索了與這些時(shí)鐘相關(guān)的方法、建模復(fù)雜性和解釋的細(xì)微差別，同時(shí)將它們與衰老的潛在分子機(jī)制聯(lián)系起來。代謝組學(xué)作為測量生物衰老的關(guān)鍵工具，在衰老研究中提供了有前途的干預(yù)目標(biāo)。盡管代謝組學(xué)衰老時(shí)鐘取得了顯著進(jìn)展，但技術(shù)改進(jìn)和模型增強(qiáng)仍有很大的空間。我們確定了未來探索和發(fā)展的三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：開展全面的縱向研究；結(jié)合來自不同生物標(biāo)本和平臺(tái)的數(shù)據(jù)來揭示衰老的普遍性和特異性；構(gòu)建強(qiáng)大的框架，將代謝組學(xué)與其他組學(xué)數(shù)據(jù)整合到衰老時(shí)鐘研究中。應(yīng)對(duì)這些機(jī)遇和挑戰(zhàn)對(duì)于充分利用這一快速發(fā)展領(lǐng)域的潛力至關(guān)重要。這些努力將為更好地理解健康老齡化鋪平道路，最終為個(gè)人和社會(huì)的福祉做出貢獻(xiàn)，并彌合老齡化和健康長壽方面的前沿研究與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用之間的差距。

Part.05拜譜小結(jié)

代謝組學(xué)是一個(gè)有趣且快速發(fā)展的研究領(lǐng)域，涉及體內(nèi)小分子的全面分析，并提供最終的基因組與環(huán)境相互作用的結(jié)果。因此，利用代謝組學(xué)來表征生物衰老并構(gòu)建衰老時(shí)鐘具有巨大的潛力。拜譜生物作為國內(nèi)領(lǐng)先的多組學(xué)公司，可提供完善成熟的代謝組學(xué)檢測服務(wù)，包括基于 LC-MS和GC-MS的非靶向代謝組學(xué)、醫(yī)學(xué)高通量靶向代謝組學(xué)（可定量檢測1000余種醫(yī)學(xué)常見代謝物）、醫(yī)學(xué)高通量靶向脂質(zhì)組學(xué)（可定量檢測4000余種脂質(zhì)分子）等，結(jié)合豐富的生信分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可為衰老時(shí)鐘的構(gòu)建、生物標(biāo)志物的篩選等研究提供全面的服務(wù)。歡迎咨詢。

參考文獻(xiàn)：

Huang H, Chen Y, Xu W, et al. Decoding aging clocks: New insights from metabolomics. Cell Metab. Published online December 5, 2024. doi:10.1016/j.cmet.2024.11.007B1