《The FASEB Journal》：High Relevance of Fatty Acid Oxidation in a Migrating Mammal, the Nathusius' Pipistrelle (Pipistrellus nathusii)
编辑推荐：
蝙蝠是唯一能够进行动力飞行的哺乳动物，使其能在相对短时间内飞行较长距离。然而，哺乳动物通常无法仅通过氧化脂肪酸来为耐力运动提供能量，这可能阻碍蝙蝠进行类似鸟类的长距离跨大陆迁徙。本研究采用非靶向代谢组学方法，揭示野生捕获纳氏伏翼的氧化燃料。研究人员在受控风洞或
蝙蝠是唯一能够进行动力飞行的哺乳动物，使其能在相对短时间内飞行较长距离。然而，哺乳动物通常无法仅通过氧化脂肪酸来为耐力运动提供能量，这可能阻碍蝙蝠进行类似鸟类的长距离跨大陆迁徙。本研究采用非靶向代谢组学方法，揭示野生捕获纳氏伏翼的氧化燃料。研究人员在受控风洞或野外条件下，对飞行蝙蝠全血中的极性代谢物和脂质进行调查，并分析代谢物如何应对生理挑战。与静息蝙蝠相比，风洞飞行后约70%的检出酰基肉碱（acyl carnitine, CAR）显著升高。磷脂（phospholipid）水平变化不一：部分在飞行后显著增加而另一些显著降低，且多数在1小时恢复期内未恢复至静息水平。迁徙季节期间，研究人员观察到含不饱和脂肪酸的磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine, PE）显著增加，以及多种磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine, PC）及其溶血衍生物的整体增加。尽管迁徙对磷脂产生明显影响，但两个季节中飞行后的恢复均较不显著，且仅24%的酰基肉碱在休息1小时后增加。研究人员得出结论：耐力运动如迁徙对脂质组成及其丰富度的影响大于短距离飞行，表明脂肪酸氧化在为蝙蝠迁徙提供能量方面具有相对较高的相关性。
飞行脊椎动物具备多种生理适应性，使其能够在迁徙期间进行高强度运动，有时甚至跨越漫长距离。尽管已知迁徙鸟类主要通过脂肪酸氧化（fatty acid oxidation）供能，但关于迁徙蝙蝠所用氧化燃料的研究仍十分有限。本研究以长距离迁徙物种纳氏伏翼（Pipistrellus nathusii）为对象，利用非靶向代谢组学技术，系统比较了受控风洞条件与野外自由飞行情境下，蝙蝠在迁徙期与非迁徙期的运动—恢复代谢特征，为理解哺乳动物耐力运动的代谢适应提供了新见解。
当前研究背景与核心问题
长距离迁徙要求动物在极短时间内跨越巨大空间距离。尽管飞行动物的运输成本相对较低，但其仍需形态与生理层面的适应性变化以支撑高强度耐力运动。迁徙鸟类已充分适应耐力飞行，部分物种可连续飞行数千公里而不显疲态。相比之下，蝙蝠的迁徙生理适应性研究明显不足，尽管少数物种已被报道单次飞行可达数百公里，部分种群能在繁殖地与越冬地之间迁徙数千公里。关键问题在于：与鸟类不同，蝙蝠作为哺乳动物，其利用脂肪作为高强度有氧运动燃料的能力可能受到限制，这或许制约了其迁徙能力。代谢组学为研究运动哺乳动物的代谢机制提供了有力工具，非靶向代谢组学策略能覆盖更广泛的化合物类别，有助于探索稀有代谢物类别或意外代谢通路。然而，迄今尚无针对迁徙蝙蝠的代谢组学研究。
研究人员开展的研究与主要结论
本研究设计了两组采样方案：受控风洞实验与野外自由飞行采样。风洞实验中，16只纳氏伏翼经训练后在6–8 m/s风速下飞行30分钟，采集静息、飞行后立即及飞行后1小时恢复三个时间点的全血样本；野外实验则在迁徙前（7月）与迁徙期（8月）分别于拉脱维亚两个站点采集自由飞行蝙蝠的血样。所有样本均采用亲水相互作用液相色谱—串联质谱（HILIC LC–MS/MS）进行非靶向代谢组学分析，结合主成分分析（PCA）与偏最小二乘判别分析（PLS-DA）等多元统计方法，并通过线性模型评估生理状态、迁徙状态与性别对代谢物的影响。
研究核心发现包括：风洞飞行后约70%的检出酰基肉碱显著升高，磷脂变化复杂且恢复不完全；迁徙期蝙蝠血液中不饱和脂肪酸磷脂酰乙醇胺及多种磷脂酰胆碱显著增加；迁徙对脂质组成的影响显著大于短距离飞行；氨基酸代谢在运动后出现特征性变化。这些结果表明脂肪酸氧化在蝙蝠迁徙能量供应中具有重要地位，挑战了哺乳动物无法有效利用脂肪进行高强度运动的传统认知。该论文发表于《The FASEB Journal》。
关键技术方法
样本队列来源于拉脱维亚Pape鸟类环志站及Engure鸟类观测站的野生纳氏伏翼，受控实验在隆德大学风洞完成。代谢物提取采用乙腈沉淀法，使用超高效液相色谱—四极杆飞行时间质谱（UHPLC–QTOF MS）在正负离子模式（ESI(+/?)）下进行数据采集，依赖信息依赖采集（IDA）模式获取二级质谱。数据处理采用GeneData Expressionist Refiner MS进行峰提取与保留时间校正，通过MS/MS谱图与MassBank、MS-DIAL LipidBlast等光谱库比对，结合GNPS分子网络、Sirius与MS2Query等工具进行代谢物鉴定。统计分析运用R语言mixOmics包进行PCA与PLS-DA分析，提取变量投影重要性（VIP）>1的特征，并通过线性模型分析季节、生理状态与性别因素。
研究结果
受控条件下蝙蝠全血代谢组特征：研究人员对40个样本进行HILIC LC–MS/MS分析，PCA未显示运动相关的明显聚类，但PLS-DA揭示了运动与静息状态的分离。1065个ESI(+)特征和446个ESI(?)特征具有VIP>1。磷脂酰乙醇胺（n=45）、磷脂酰胆碱（n=42）及亚油酸衍生物（n=14）呈现多样化响应，多数增加但部分降低。所有酰基肉碱（n=27）在运动后立即升高，恢复期有所下降但未完全恢复至静息水平，如CAR 12:0。溶血磷脂酰胆碱LPC O-13:0在运动后升高并维持至恢复期，而PE 36:3则呈相反模式。进一步分析显示，大多数代谢物仅受飞行影响（n=685），性别影响较小。除酰基肉碱外，研究还鉴定出N-酰基牛磺酸类代谢物在飞行后立即升高并在1小时恢复后回落。两种磷脂酰胆碱（PC 34:1与PC-DAG 34:5）在运动后两组均升高，而另两种（PC 34:0与PC 36:2）则呈相反趋势。18种氨基酸中5种在受控飞行条件下显著改变：丙氨酸在飞行后立即升高，谷氨酸与甘氨酸在恢复期显著降低，缬氨酸在运动后较静息降低，酪氨酸在飞行后立即升高后恢复。
自由飞行蝙蝠跨季节全血代谢组特征：对47个野外样本的分析中，PCA显示高度变异，无明确季节或生理状态聚类。PLS-DA第一维度区分了迁徙前与迁徙期（解释约11%方差），第二维度区分运动后与恢复状态（解释约7%方差）。迁徙影响最为显著（n=677），生理状态次之（n=137），性别影响最小（n=33）。磷脂酰胆碱（n=141）、磷脂酰乙醇胺（n=68）及酰基肉碱（n=9）在迁徙期及恢复期增加最为明显。具体而言，PE 38:7、PC 35:1及CAR 20:4在迁徙期显著升高，而CAR 16:4则主要受生理状态影响。线性模型进一步确认：磷脂酰乙醇胺PE 40:9与磷脂酰胆碱PC 40:3受迁徙显著影响；CAR 14:1与次黄嘌呤受运动显著影响；脱氧尿苷与尿囊素则在两种因素共同作用下变化。18种氨基酸中10种仅受生理状态影响，运动后立即高于恢复期；4种受季节与生理状态双重影响；精氨酸和丝氨酸仅受季节影响。
讨论
研究人员在讨论部分深入分析了各项发现的意义与机制内涵。酰基肉碱的动态变化被确认为脂肪酸氧化的关键指标。肉碱穿梭系统介导线粒体脂肪酸转运：脂肪酸经酰基辅酶A合成酶活化后，由肉碱棕榈酰转移酶I（CPT I）转化为酰基肉碱，经肉碱—酰基肉碱转位酶转运至线粒体基质，再由肉碱棕榈酰转移酶II（CPT II）重新转化为酰基辅酶A进入β-氧化通路以生成三磷酸腺苷（ATP）。风洞实验中酰基肉碱的显著升高及不完全恢复，与哺乳动物运动研究中的发现一致，如大鼠跑步后血浆短链、中链及长链酰基肉碱均增加，反映脂肪酸向肌肉组织的增强输入。人类中等强度运动研究同样支持这一模式。迁徙蝙蝠中不饱和脂肪酸磷脂酰乙醇胺的特异性增加尤为引人注目。由于哺乳动物无法从头合成多不饱和脂肪酸，这些成分必须通过饮食获取。纳氏伏翼在迁徙期捕食更多水生及湿生昆虫，这些猎物富含长链多不饱和脂肪酸，可能直接贡献于血液中不饱和磷脂酰乙醇胺的升高。这一发现与鸟类研究中膳食多不饱和脂肪酸改善运动氧化代谢能力的证据相呼应，提示季节性食性转变可能通过膳食途径驱动代谢适应。
研究人员还探讨了磷脂代谢的结构性调整。磷脂酰胆碱与磷脂酰乙醇胺的增加可能反映膜合成或重塑的需求，而不饱和脂肪酸磷脂酰乙醇胺的特异性富集提示Lands循环中的脂肪酸重塑机制。胆碱水平在季节间保持恒定，表明存在维持或补充机制；丝氨酸可流向鞘脂合成或一碳代谢而不贡献于磷脂酰丝氨酸水平，这反映了支持迁徙能量与结构需求的策略性代谢调整。氨基酸代谢方面，野外条件下运动后多种氨基酸升高，可能源于肌肉蛋白降解提供三羧酸循环底物或糖异生前体，但这一模式在风洞实验中未能复制，提示模拟与自然飞行环境间存在代谢需求或底物利用差异。这种不一致性可能归因于多种因素：圈养蝙蝠实验前禁食16小时以上，而野外蝙蝠摄食状态不可控；圈养蝙蝠食谱固定且充足，野生蝙蝠则面临觅食能量成本与能量赤字；圈养蝙蝠可能进入更长时间的蛰伏状态，影响飞行前燃料储备；此外，野外蝙蝠捕获前的飞行时长不可控，而代谢物谱已知随运动持续时间变化。
讨论部分还涉及了氧化应激的复杂性。研究人员前期研究表明迁徙 impose 急性氧化应激，但由于仅检出氧化型谷胱甘肽（GSSG）而未检出还原型谷胱甘肽（GSH），无法评估关键的氧化还原比例。N-酰基牛磺酸作为一类重要但报道甚少的代谢物，在本研究中显示出与酰基肉碱相似的变化模式，其在非模式哺乳动物中的作用值得进一步探索。
研究结论
与通过脂肪酸氧化获取长距离迁徙能量的鸟类不同，此前假设哺乳动物因缺乏必要酶类而耐力有限。研究人员假设迁徙蝙蝠在代谢特性上与迁徙鸟类趋同进化，从而从其高飞行代谢率的脂肪酸氧化中获取能量，而非像非飞行哺乳动物那样。研究观察揭示脂肪酸氧化在为纳氏伏翼飞行供能中发挥重要作用。特别是，研究人员证实迁徙蝙蝠体内不饱和脂肪酸磷脂酰乙醇胺水平升高。圈养蝙蝠风洞飞行后多种酰基肉碱血液水平升高，表明脂肪酸转运与β-氧化在短距离飞行中的重要性，因其将结合脂肪酸递送至线粒体。嘧啶代谢物受到影响，且糖异生氨基酸丙氨酸在飞行后耗竭，提示某种形式的蛋白质消耗。这些发现为耐力运动哺乳动物——长距离迁徙物种纳氏伏翼——的生理适应性提供了宝贵信息。该物种可作为未来哺乳动物模型，用以阐明参与脂肪酸氧化的运动相关酶适应性。
