01 文章导读
衰老过程伴随着机体代谢的显著变化。代谢组学与代谢流技术是研究代谢物丰度变化及代谢通路活性的有效手段，但目前哺乳动物相关研究仍存在局限，仅明确了烟酰胺和葡萄糖两种循环代谢流的特征，且二者在老年小鼠体内维持稳定。与之类似，组织代谢流检测显示老年视网膜的糖酵解能力得以保留，但其余循环系统及组织代谢流的年龄相关变化规律仍需深入探究。
2025年10月16日，来自美国普林斯顿大学的Joshua D. Rabinowitz团队在Cell Metabolism上在线发表题为Aged mice exhibit widespread metabolic changes but preserved major fluxes 的文章。以常用的C57BL/6J小鼠为模型，系统解析了年龄相关的代谢变化特征，采用代谢流技术研究证明衰老小鼠代谢虽广泛改变但是主要代谢流稳定不变。
02 研究思路
03 研究内容及结果
1. 老年小鼠血清代谢物浓度广泛变化
为系统探究衰老相关代谢变化，本研究采集年轻小鼠（3-6月龄）、老年小鼠（21月龄以上）的血液样本开展非靶代谢分析（HILIC模式），经线性模型分析及FDR校正后，约30%代谢物的变化主要和年龄有关，5%受年龄和性别共同影响；后续对覆盖从成年到老年全生命周期的独立C57BL/6J小鼠队列样本进行非靶代谢分析，线性回归结果显示，初始研究中受年龄显著影响的代谢物，在生命周期研究中均呈现相应的近似线性年龄趋势。此外，老年小鼠血糖及酮体水平降低，与LC-MS检测显示的3-羟基丁酸（3-Hydroxybutyric acid）、乙酰乙酸（Acetoacetic acid）减少一致；循环甘油三酯（TG）浓度也降低，但血清游离脂肪酸总量无显著年龄相关变化，与棕榈酸（Palmitic acid）、油酸（Oleic acid）不随年龄变化的结果相符。老年小鼠瘦素和胰岛素水平升高，推测老年小鼠胰岛素分泌增加可能是导致血糖及其他循环代谢物降低的原因之一。
2. 核心循环代谢流量（Fluxes)在老年小鼠中大部分得以保留
衰老小鼠的代谢物浓度虽存在显著变化，但这仅能反映代谢物的含量，无法体现其代谢速率。而代谢物进出血液循环的流量(flux)（可直观反映全身生成量），可通过向实验对象输注稳定同位素标记的目标代谢物，再检测内源性代谢对输注示踪剂的稀释程度来测定。
为探究核心代谢活动随衰老的变化规律，研究人员开展了代谢流实验：先为年轻（3-6月龄）和老年（21月龄及以上）野生型C57小鼠植入颈静脉导管，再通过导管向小鼠体内恒速输注涵盖多种中心代谢途径的稳定同位素标记物。被示踪的代谢物既包含葡萄糖（Glucose）、乳酸（Lactic acid）、乙酸（Acetic acid）、甘油（Glycerol）等通量最高的循环碳载体，也涵盖棕榈酸（Palmitic acid）、3-羟基丁酸（3-Hydroxybutyric acid）、多数氨基酸及牛磺酸（Taurine）等主要循环代谢物。实验结果显示，尽管多种核心代谢物的浓度随衰老发生显著变化，但其代谢流量大多保持稳定；在所有核心代谢流量(fluxes)（定义为代谢流量＞100μmol/min/sample）中，仅谷氨酰胺（Glutamine）的代谢流量随年龄增长逐步上升，是唯一出现显著变化的指标。进一步明确肥胖与衰老对核心代谢物流量的影响是否存在相似性，研究人员采用上述相同方法，检测了肥胖年轻的（ob/ob）小鼠（3-5月龄）及年龄匹配野生型小鼠的代谢物水平和循环代谢流量。结果表明，二者变化特征差异显著：衰老仅选择性改变glutamine的循环代谢流量，核心代谢流量整体保持稳定；而肥胖会显著改变glucose、lactic acid等多种关键循环碳载体的流量，且核心代谢流量的变化程度远大于衰老。此外，衰老状态下代谢流量的稳定性显著优于代谢物浓度，而肥胖状态下代谢物浓度与流量的变化程度并无明显差异。
3.老年小鼠谷氨酰胺（Glutamine）代谢流量升高
为进一步研究glutamine对衰老小鼠的影响，采用双标记[U-13C，15N]-glutamine进行补充输注实验。实验结果证实，老年小鼠无论禁食或再喂食，glutamine循环代谢流量均升高；追踪其碳、氮代谢轨迹可见，循环中α-酮戊二酸（ α-Ketoglutaric acid）、柠檬酸（Citric acid）的13C标记略升，glucose / lactic acid无变化，提示该通量增加与TCA循环分解代谢增强相关（为glutamine特有，其他输注底物无此衰老相关变化）。组织层面，老年小鼠多组织中glutamine对TCA循环的贡献增加，而其他底物无年龄相关变化；同时glutamine经谷氨酸介导的转氨流量也上升。衰老过程中glutamine作为氮供体和TCA循环底物的利用效率均提升。
4.赖氨酸（Lysine）向哌啶酸（pipecolic acid）的分解代谢在老年小鼠中明显增强
禁食状态下必需氨基酸的循环流量因全身蛋白质分解流量稳定而保持不变，但氨基酸的利用效率变化仍可能改变其浓度或下游代谢去向。在血清代谢组学数据中发现，赖氨酸（Lysine）的代谢产物氨基己二酸（aminoadipic acid）（酵母氨酸途径）水平下降，哌啶酸（pipecolic acid）（哌啶甲酸途径）水平升高。与年轻小鼠相比，老年小鼠中Lysine转化为Aminoadipic acid的贡献显著降低，而转化为pipecolic acid的贡献明显升高。此外，通过对多组老年小鼠的十余种组织开展代谢组学分析，结果显示多个老年组织存在Lysine耗竭，且多数组织中aminoadipic acid浓度下降、pipecolic acid浓度广泛升高，这些实验共同提示老年小鼠的lysine分解代谢从酵母氨酸途径途径转向了哌啶甲酸途径。
5.循环牛磺酸（Taurine）代谢流量和浓度在老年小鼠中保持不变
与肥胖小鼠代谢流量翻倍形成鲜明对比的是，老年小鼠循环Taurine代谢流量和浓度均稳定，与Singh等人“Taurine随龄下降”的结论不同（可能是其使用ELISA检测方法误差所致）；老年小鼠不同组织中的牛磺酸水平仅呈现小幅差异，而牛磺酸相关代谢物中，亚牛磺酸（Hypotaurine）在所有检测组织中均显著下降，其余相关代谢物则多维持稳定或有所升高。
6.不同组织中年龄诱导的代谢变化程度存在差异
针对taurine、lysine等循环代谢流量不随衰老改变但组织浓度变化的现象，进一步对老年小鼠15种组织的代谢特征进行分析发现：组织代谢特征基本不受性别影响，部分代谢物衰老变化跨组织一致、部分具组织特异性；按代谢物衰老浓度变化的组织数量可分为“衰老稳健型”（仅少数组织变化）和“广泛衰老敏感型”（多数组织变化），并筛选出19种多组织同向变化的衰老敏感代谢物，含4种随龄下降的一碳代谢氨基酸。
7.除核心代谢外，外周代谢物水平的改变与流量变化一致
探究核心代谢外的外周代谢物——4-羟脯氨酸（4-hydroxyproline）、1，5-脱水葡萄糖醇（1,5-anhydroglucitol ）、己酰甘氨酸（hexanoylglycine）和肉豆蔻酰肉碱（myristoyl carnitine）泛组织浓度变化诱因，发现核心代谢物浓度变化极少反映代谢流量变化，但这些外周代谢物的浓度变化方向与循环流量完全一致（1,5-anhydroglucitol代谢流量升高，其余降低），且其流量变化幅度大于浓度；衰老时核心代谢流量基本保留，非核心代谢物流量变化程度远超组织浓度变化。
04 研究结论
作者利用代谢组学和代谢流技术，对广泛使用的C57BL/6J小鼠进行系统分析，以探究与年龄相关的代谢变化。在血清与组织代谢组层面，观察到随年龄增长的广泛代谢变化，但循环代谢流量分析显示，核心代谢流量维持显著稳定，仅glutamine流量呈轻微却显著升高，其余主要循环碳载体的通量在衰老过程中均未发生显著改变。
05 代谢流量(Fcirc)的计算
