通过非靶向尿液代谢组学揭示儿童苯丙酮尿症和高苯丙氨酸血症的营养与代谢特征

《The Journal of Nutritional Biochemistry》：Nutritional and Metabolic Signatures in Pediatric Phenylketonuria and Hyperphenylalaninemia: Insights from Untargeted Urinary Metabolomics

本研究旨在解决苯丙酮尿症(PKU)和高苯丙氨酸血症(HPA)的精准代谢监测难题。研究人员对82名儿科参与者进行了非靶向尿液代谢组学分析，首次系统性描绘了经典PKU、BH4反应型PKU和HPA三种临床表型独特的尿液代谢指纹。研究共鉴定出59种具有表型区分能力的代谢物，揭示了除苯丙氨酸代谢通路外的肌酸、支链氨基酸相关代谢物、微生物衍生代谢物以及维生素衍生物等显著差异。这为理解不同临床表型的代谢多样性、评估饮食干预效果以及未来制定精准营养策略提供了重要依据。

　　

在儿童代谢性疾病的研究版图中，苯丙酮尿症(Phenylketonuria, PKU)及其轻型——高苯丙氨酸血症(Hyperphenylalaninemia, HPA)一直是困扰医学界的难题。这两种疾病均由苯丙氨酸羟化酶(Phenylalanine hydroxylase, PAH)基因突变引起，导致体内苯丙氨酸(Phe)无法正常转化为酪氨酸(Tyrosine, Tyr)，进而引发血液中Phe浓度异常升高。虽然严格的低苯丙氨酸饮食管理是治疗的基石，但长期的营养限制是否会带来“按下葫芦浮起瓢”的新问题？例如，蛋白质摄入受限如何影响儿童的肌肉代谢和生长发育？依赖特殊配方营养补充剂（蛋白替代品）又会如何重塑体内的维生素代谢网络？更重要的是，不同严重程度（如经典PKU与BH₄反应型PKU）和不同治疗方案（如是否使用沙丙蝶呤 Sapropterin，一种合成的四氢生物蝶呤 Tetrahydrobiopterin, BH₄）的患者，其体内的代谢全景究竟有何异同？血液中的苯丙氨酸水平虽然是诊断和监控的“金标准”，但它真的能全面反映疾病带来的全身性代谢紊乱吗？这些问题，都指向了一个亟待探索的领域：超越苯丙氨酸，在更广阔的代谢维度上理解这些疾病。正是在这样的背景下，由巴塞罗那大学FLExOMics研究组主导的这项研究，将目光投向了尿液。

尿液作为一种无创、易于获取的生物样本，尤其适合儿科研究。利用非靶向代谢组学(untargeted metabolomics)技术，研究人员能够像进行一次全面的“代谢普查”，在不预设目标的情况下，系统地描绘不同临床表型患儿的尿液代谢指纹。这项发表在《The Journal of Nutritional Biochemistry》上的研究，正是试图通过这张精细的代谢地图，揭示PKU疾病谱系下的营养与代谢秘密，为未来的精准监控和个性化干预提供全新视角。

研究人员首先构建了一个包含82名儿童的观察性病例对照队列，其中包括21名经典PKU患儿、22名BH₄反应型PKU患儿、19名HPA患儿以及20名性别、年龄匹配的健康对照儿童。核心分析技术是高效液相色谱-四极杆飞行时间串联质谱(HPLC-Q-TOF-MS/MS)，分别在正离子(ESI+)和负离子(ESI–)模式下对尿液样本进行分析。数据处理采用了多元统计方法，如偏最小二乘判别分析(PLS-DA)，以识别不同组别间的代谢轮廓差异。最终，通过变量重要性投影(Variable importance in projection, VIP≥1.0)和假发现率(False discovery rate, FDR < 0.05)筛选出59种具有区分能力的代谢物，并进行了生物学通路富集分析。

3.1. 参与者特征

研究人群在人口统计学和人体测量学指标上无显著差异。正如预期，PKU亚组摄入的自然蛋白质百分比最低，所有PKU患儿均使用蛋白替代品补充剂，而BH₄组中只有50%使用。血浆苯丙氨酸水平在PKU和BH₄组最高，HPA组次之，对照组最低，且苯丙氨酸/酪氨酸比值也呈现相同趋势，这确认了不同组别在疾病核心生化指标上的差异。

3.2. 组别特异性判别代谢物的鉴定

通过PLS-DA分析，研究人员观察到不同临床表型及对照组之间存在明显的代谢指纹差异。对照组和PKU组分离明显，而HPA个体聚集在对照组和BH₄患者之间，BH₄组的代谢组则处于中间位置。在鉴定的59种代谢物中，包括了10种首次在儿科PKU患者中报道的新代谢物，例如N-苯乙酰基-苯丙氨酸以及一些未知的苯丙氨酸衍生物。

关键发现包括：尿液苯丙氨酸水平在PKU亚组中显著高于对照组，并且与血浆苯丙氨酸水平呈强正相关。此外，维生素及其衍生物，如4-吡哆酸（维生素B₆代谢物）、泛酸（维生素B₅）以及α-生育酚（维生素E）代谢物α-CEHC，主要在PKU组中升高，并与蛋白替代品提供的能量摄入百分比呈正相关。这一结果清晰地提示，这些维生素代谢物的升高与特殊配方营养补充剂的摄入直接相关。

3.3. PKU表型和对照组代谢指纹的特征

文氏图分析揭示了各组特有的上调代谢物：PKU亚组有11种独有的上调代谢物，主要是维生素衍生物；BH₄组则有2种独有代谢物，包括8-羟基-7-甲基鸟嘌呤和一种蝶呤衍生物（7,8-二氢生物蝶呤）。而3-甲基组氨酸、1-甲基组氨酸、肌酸以及咖啡因及其代谢物等，则是对照组和HPA组的特异性标志物，其中一些也与BH₄组共有，反映了较宽松的饮食限制。

通过将代谢物归类为不同亚类并绘制饼图，研究进一步刻画了各组的代谢特征：PKU亚组的尿液代谢特征中，72%的代谢物与苯丙氨酸代谢、维生素和蝶呤衍生物相关。BH₄组表现出最大的代谢异质性，包含苯丙氨酸代谢、酰基肉碱衍生物和咖啡因代谢等多种通路。相比之下，HPA组的代谢谱最接近健康对照组，其特征是非大分子中性氨基酸(Large Neutral Amino Acid, LNAA)衍生物和咖啡因代谢物的平衡分布。

研究还根据代谢物来源进行了分类。对照组中严格由微生物衍生的代谢物比例最高，而PKU组中则未发现此类代谢物。这表明PKU严格的饮食限制可能显著影响了肠道微生物群的组成及其与宿主的代谢相互作用。同样，作为肉类摄入生物标志物的甲基组氨酸和肌酸，在PKU组中水平最低，在BH₄组中居中，在HPA和对照组中最高，直观反映了饮食中动物蛋白摄入的梯度差异。支链氨基酸(Branched-Chain Amino Acid, BCAA)衍生物的减少，可能暗示了肌肉储存量降低或代谢改变。

代谢通路富集分析证实，对照组与PKU之间受影响最大的通路是苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成以及咖啡因代谢。HPA与PKU之间则在色氨酸、精氨酸和脯氨酸代谢方面存在差异。

这项研究首次通过非靶向尿液代谢组学，系统描绘了儿科PKU不同临床表型（经典PKU、BH₄反应型PKU、HPA）与健康对照之间独特的代谢指纹。研究结论强调，观察到的代谢多样性不仅源于苯丙氨酸羟化酶缺乏的核心病理生理，更受到治疗方案和营养因素的深刻塑造。

一方面，PKU和BH₄反应型患者尿液中最显著的特征是苯丙氨酸及相关代谢通路的过度活跃，这是疾病的直接后果。同时，维生素衍生物的水平升高，直接关联于富含维生素的蛋白替代品补充剂的使用。另一方面，微生物衍生代谢物和食物相关代谢物（如肉类标志物肌酸、甲基组氨酸）的逐步下调，从对照组到HPA、BH₄，再到PKU最为显著，这清晰地映射出饮食限制的严格程度梯度，并提示了由此可能引发的肠道菌群改变和肌肉代谢变化。BH₄反应型组表现出的最大代谢异质性，则反映了该群体内部在膳食限制、补充剂使用、沙丙蝶呤剂量和血液苯丙氨酸控制方面的个体差异。

这项研究的深远意义在于，它将尿液代谢组学提升为一种有力的工具，能够超越单一的血浆苯丙氨酸指标，从全局视角捕捉PKU疾病谱系下的复杂代谢重塑。这些发现不仅深化了我们对不同临床表型代谢特征的理解，更重要的是，为未来开发更精准的监控策略指明了方向。例如，通过监测特定的维生素或微生物代谢物，可以评估营养补充的效果和肠道健康状态；而肌肉相关代谢物的变化，则提示需要关注患者的身体成分和骨骼健康。最终，这些代谢指纹有望指导制定个性化的精准营养策略，在控制苯丙氨酸的同时，优化整体代谢健康，从而改善PKU和HPA患儿从早期开始的生活质量。