林旭 孫亮 魯玲 牛振華 羅耀淦 汪荻 吳延普

作為全球經濟發展最快的國家,在過去幾十年中我國居民經歷了西方國家人群需要一二百年才完成的膳食結構和生活方式的轉型,伴隨而來的是心腦血管疾病、2型糖尿病和某些癌癥等慢性疾病的快速攀升,嚴重威脅國民的健康。4次全國性營養調查顯示:不健康的膳食因素是造成我國心血管代謝性疾病負擔最重要的因素。如何借助“精準營養”理念和研究策略,優化國民營養,促進健康仍是巨大的挑戰,同時也是國內外營養及相關研究領域的前沿熱點。
近20年來,我們通過多組學隊列和10余項營養干預研究,在探究中國人群營養需求和與心血管代謝性疾病相關的遺傳和環境因素方面獲得了一系列成果。
食物中含有成千上萬種營養素和生物活性成分,單種營養素對機體表型的影響有限。不同個體在遺傳易感性、代謝表型和營養適應性方面的差異,都會影響個體化的營養需求和干預效能,《自然》(Nature)周刊曾以“餐桌上的大科學”來描述營養的復雜性。人類基因組計劃的完成、多組學技術的發展和多學科的交叉融合,使得營養基因組學能從基因組、表觀基因組、轉錄組、蛋白組、代謝組以及宏基因組學等維度,探索膳食營養如何通過影響基因表達,進而對個體營養需求和人體當前及未來健康狀況產生影響,并揭示相關代謝調控網絡及機制。
近年來,國際上已有多個科研組織和機構相繼開展營養基因組學研究。例如,由荷蘭人類營養基因組學中心聯合歐洲多國的營養研究中心,成立了歐洲營養基因組學組織(NuGO),專注于分子營養學、個性化營養學、營養基因組學和營養系統生物學等領域。美國國立衛生研究院也啟動了“營養促進精準健康”(Nutrition for Precision Health)計劃,開發能預測個人對食物和飲食模式反應的算法,其中也包括基因對個體營養代謝的影響。目前我國營養基因組學研究仍處于起步階段,過去十多年來,我們基于包括基因組在內的多組學人群隊列,系統研究了營養代謝相關基因在歐美人群和中國人群遺傳結構上的差異,同時探索了遺傳風險因素與膳食的交互作用對代謝性疾病風險的影響,為制定適合中國人群和特定人群的精準營養干預策略,提供了重要的循證依據。
膳食與遺傳交互作用對血液膽固醇水平的影響
在全球許多發達國家和發展中國家,血液膽固醇水平異常是心血管疾病、阿爾茨海默癥和癌癥等疾病的關鍵危險因素之一,主要表現為總膽固醇(TC)和低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)水平較高和高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)水平較低。大量研究表明,飲食和生活方式,遺傳變異和藥物可能會單獨或共同影響血液膽固醇的水平。全基因組關聯研究(GWAS)已發現400多個與血液膽固醇水平相關的遺傳位點,其中部分參與膽固醇的生物合成、吸收和外排。這些遺傳位點有可能通過影響膽固醇調控進而影響血液膽固醇水平對膳食膽固醇攝入的應答效應。比如NPC1L1基因上的單核苷酸多態性位點(SNP)可通過影響膽固醇吸收,進而影響膽固醇攝入與血液膽固醇水平的關系[1]。
一項包含200多個國家1億多成年人的研究報告指出,2017年非高密度脂蛋白膽固醇(non-HDL-C)水平升高導致全球390萬人死亡,其中一半發生在亞洲國家。人體內的膽固醇約有30%從食物獲取,約70%由肝臟合成。由于許多研究發現膳食膽固醇與血液膽固醇的相關性較弱,美國和中國居民膳食指南先后取消了每日膽固醇攝入不超過300毫克的限制。這是否意味著可以任意攝取肉類等富含膽固醇的動物性食物呢?然而,不同個體血液膽固醇水平對膳食膽固醇攝入的應答存在著差異。在對西方人群的研究中發現,包括血漿載脂蛋白E等基因在內的數個SNP位點,能獨立影響血液膽固醇對膳食膽固醇攝入的應答。由于單個SNP位點的作用較弱,且體內膽固醇水平的調控又涉及多個基因,所以,目前國內外缺乏對多個基因位點協同作用的系統研究。
我們通過運用“中國老齡人口營養健康狀況研究”2330名調查對象的數據,建立以多個SNP位點為基礎的膽固醇遺傳風險分數(genetic risk score, GRS),研究中國人群的血液膽固醇水平對膳食膽固醇攝入的應答,是否受到多個基因累積效應的影響,同時探討了高膳食膽固醇攝入能否強化易感基因對血液膽固醇的不良作用。通過分別構建TC和低密度脂蛋白膽固醇LDL-C的GRSTC(57個SNP)和GRSLDL-C(45個SNP),發現膳食膽固醇攝入與血液TC、LDL-C和non-HDL-C的水平顯著正相關,GRSTC和GRSLDL-C的增加會顯著升高血液TC和LDL-C的水平;在同等膳食膽固醇攝入下,高GRSTC和GRSLDL-C個體的血液TC、LDL-C和non-HDL-C水平顯著高于低GRSTC和GRSLDL-C個體;在膳食膽固醇攝入較高的人群中,GRSTC和GRSLDL-C與血液TC和LDL-C的正相關關系尤為顯著。
該研究首次揭示了由多個膽固醇易感基因位點組成的膽固醇GRS與膳食膽固醇的交互作用,及其對血液膽固醇水平的影響。提示膽固醇GRS較高即遺傳易感性較高的個體對膳食膽固醇攝入較為敏感,更易引發血液TC和LDL-C水平升高,而膳食膽固醇攝入過多也會放大易感基因對血液TC和LDL-C的不良影響。這為個體化的膳食膽固醇推薦和需求提供了重要的循證依據。
紅細胞膜脂肪酸的全基因組關聯研究
2015版《美國膳食指南》取消了脂肪占總膳食攝入能量30%比例的說法,由于這與以往一直提倡的“低脂膳食”觀點大相徑庭,而引起廣泛關注。該指南強調了優化膳食脂肪種類,推薦富含不飽和脂肪酸植物油如大豆、玉米、橄欖油和菜油等,作為膳食脂肪主要來源。然而,由于中西方人群在飲食習慣和遺傳背景方面的差異,美國健康膳食建議在多大程度上有助于我國居民的健康,仍有待研究。通過整合分析,我們建立了全基因組關聯研究和脂肪酸譜兩種組學及其他表型數據庫,開展了(紅細胞膜)脂肪酸全基因組關聯研究,做了跨種族的薈萃分析。
在多不飽和脂肪酸研究方面,發現編碼?-5去飽和酶的FADS1基因位點在中國漢族人群中與多個多不飽和脂肪酸水平顯著相關,且當紅細胞膜上的必需脂肪酸亞油酸(18:2n-6)和十八碳三烯酸(18:3n-3)含量較低即攝入量較低時,FADS1-rs174550位點的多態性和低高密度脂蛋白水平呈強相關關系,提示這些脂肪酸的水平會影響基因變異與血脂的關系。在中國人群中首次發現兩個新的與二十二碳四烯酸(22:4n-6)水平顯著相關的遺傳位點MYBrs9399137和AGPAT4-rs729986,并觀察到這兩個位點在中西方人群間存在顯著的異質性。還在中歐人群跨種族薈萃分析中發現兩個新位點:DGAT2-rs10899123位點與γ-亞麻酸(18:3n-6)水平顯著相關,PPT2-rs3134603位點與二十二碳五烯酸(22:5n-3)水平顯著相關。還驗證了之前在歐洲人群中報道的FADS1/2、ELOVL2、NTAN1、NRBF2和GCKR位點,并發現FADS1/2位點對相關多不飽和脂肪酸的作用效應大小在中歐人群間存在顯著不同,而中國人群中ELOVL2上新發現的位點rs2281591與在歐洲人群中已報道的位點rs3734398對于22:5n-3水平的關聯是相互獨立的,提示中歐人群在脂肪酸相關遺傳背景上存在顯著差異。
在單不飽和脂肪酸方面,首次發現FADS1/2和PKD2L1基因與異油酸、FADS1/2和GCKR基因與二十碳-11-烯酸(20:1n-9)的水平關聯關系,并驗證了在西方人群中發現的FADS1/2、PKD2L1、GCKR、HIF1AN和LPCAT3基因與棕櫚油酸和(或)油酸的關聯關系。通過跨種族精細定位大幅縮小了GCKR基因上功能性位點的范圍,提示錯義突變位點rs1260326可能是真正的作用位點。通過順式表達數量性狀位點分析,發現PKD2L1-rs603424位點可能通過影響硬脂酰輔酶A去飽和酶基因的表達,調控單不飽和脂肪酸水平。經過通路分析,發現上述顯著位點分別位于不飽和脂肪酸代謝和過氧化物酶體增殖物激活受體信號通路上。
這些研究不僅為研究血液脂肪酸水平相關基因的結構、功能和潛在機理提供了重要線索,也為制定適合中國人群的營養推薦和開展“精準營養”提供了循證依據。
脂質是脂肪和類脂的總稱,包括數千種脂質分子,可歸為幾大類,如鞘脂、甘油磷脂、甘油酯、固醇脂和游離脂肪酸等[2]。脂質分子結構復雜,在細胞發育、能量儲備、信號傳導、物質運輸等生命活動過程中發揮著重要作用。脂質組學是代謝組學的一大分支,它通過檢測各種生物樣本(如血液等),來對生物體組織或細胞中的脂質代謝相關分子及不同代謝分子間的相互作用進行全面系統分析、鑒定,揭示脂質代謝與細胞、器官乃至機體的生理病理過程間的相互關系和代謝網絡。它為發現疾病早期生物標記物、干預靶標、疾病精準分型,以及闡釋疾病發生發展相關代謝通路和調控因素提供了新契機。
我們基于“中國老齡人口營養健康狀況研究”前瞻性隊列研究,通過與其他團隊合作,運用高通量靶向液相色譜——電噴霧串聯質譜法,對2248名志愿者的血漿脂質進行定量檢測,建立了包括728種脂質分子的數據庫,結合膳食問卷、紅細胞膜脂肪酸譜和全基因組關聯研究數據,系統探討了多種脂質分子與2型糖尿病、代謝綜合征、高血壓等心血管代謝性疾病的風險關聯,以及基因、膳食攝入、體力活動水平等對這些關聯的調控作用和主要的代謝調控網絡和通路。研究填補了脂質組與心血管代謝性疾病方面的多項空白,發現多個心血管代謝性疾病早期診斷、精準分型的生物標記物,以及可精準干預的潛在靶標和調控因素,為相關疾病的精準防診治提供了新思路。
鞘脂與心血管代謝性疾病
鞘脂是一類含有鞘氨醇骨架的兩性脂,廣泛分布于細胞膜或血漿脂蛋白上,分為神經酰胺、鞘磷脂和鞘糖脂等。神經酰胺參與胰島素抵抗、胰島β細胞功能紊亂、線粒體及內質網功能紊亂、炎癥等重要生理過程,而鞘磷脂和鞘糖脂與炎癥和胰島素敏感性相關。
有關鞘脂與2型糖尿病、代謝綜合征的前瞻性隊列研究仍較為缺乏,已有研究僅包括有限的幾種鞘脂。我們發現,14種血漿鞘脂(4種神經酰胺、9種鞘磷脂和1種鞘糖脂)水平的升高,能顯著增加6年后2型糖尿病的發病風險,其中11種鞘脂為首次發現。不同于西方人群以飽和神經酰胺為主,中國人群中與糖尿病相關的神經酰胺主要為單不飽和神經酰胺,并與高碳水化合物膳食攝入有關的從頭合成脂肪酸途徑相關。通過中介分析發現,在與2型糖尿病風險相關的14種鞘脂中,有13種主要由胰島β細胞功能受損介導。孟德爾隨機化分析發現,特定神經酰胺(d18:1/20:1)與2型糖尿病風險可能存在因果關系。還首次發現8種超長鏈(碳原子數>20)神經酰胺、鞘磷脂,能顯著增加6年后代謝綜合征的發病風險;另外13種鞘脂分子包括9種羥基鞘磷脂[SM(OH)],能顯著降低6年后代謝綜合征的發病風險。分層分析進一步顯示,神經酰胺與代謝綜合征的關系僅在炎性因子水平高的人群中顯著,提示慢性炎癥狀態會增強神經酰胺與代謝綜合征的風險關系。

通過前瞻性隊列和另一項獨立干預人群脂質組的相互驗證,發現4種鞘磷脂與奶制品攝入有強相關。奶制品攝入及其相關的脂質分子還與血壓、空腹血糖的6年變化呈顯著負相關,且鞘磷脂還能部分介導奶制品攝入與血壓、血糖變化的關系。通過整合全基因組數據和兩樣本的孟德爾隨機化分析,發現SM(OH)C32:2與血壓水平可能存在因果關系。奶制品是健康膳食模式的組成部分之一,明確奶制品攝入與心血管健康的關系,有助于預防或延緩心血管疾病發生。然而,傳統的膳食問卷由于調查對象的回憶偏差等原因,難以獲得準確的奶制品攝入數據,而該研究提示,特定血漿鞘磷脂分子有可能成為客觀和敏感的奶制品攝入的生物標志物,而被運用于大規模流行病學研究,為更精確評估奶制品攝入與疾病關系提供新路徑。
甘油磷脂與代謝性疾病
作為哺乳動物細胞膜含量最豐富的磷脂成分,甘油磷脂參與多種生理功能,如細胞信號傳導、脂蛋白分泌和代謝,以及參與內質網、線粒體的功能等。甘油磷脂代謝紊亂會引發內質網應激、代謝紊亂,如肥胖、胰島素抵抗和血脂異常等。
迄今有關甘油磷脂與糖尿病、代謝綜合征等的前瞻性隊列研究非常有限,對亞洲人群的研究尤為缺乏。我們發現有11種甘油磷脂[1種磷脂酰膽堿(PC)、9種磷脂酰乙醇胺(PE)和1種磷脂酰絲氨酸]水平的升高,能顯著增加6年后代謝綜合征的發病風險,且這些脂質分子的sn-2位置大部分含有長鏈或超長鏈多不飽和脂肪酸,這些正相關性在總紅細胞膜n-3多不飽和脂肪酸濃度較低的志愿者中更為顯著,提示增加n-3多不飽和脂肪酸攝入,可能有助于降低甘油磷脂對心血管健康的不良影響。同時,首次發現8種甘油磷脂[1種溶血磷脂酰膽堿(LPC)、6種磷脂酰膽堿和1種磷脂酰乙醇胺],尤其是與從頭合成脂肪酸途徑相關的磷脂酰膽堿水平的升高,會顯著增加6年后糖尿病發病風險。
甘油酯與2型糖尿病
甘油酯是人體內一種主要脂質和最多的能量儲存物質,包括單酰基甘油(MAG)、二酰基甘油(DAG)和三酰基甘油(TAG)。細胞內DAG是一種生物活性脂質,可充當誘導胰島素抵抗的第二信使,TAG在脂肪酸氧化和脂質合成中起重要調節作用。
有關甘油酯與2型糖尿病的前瞻性研究仍較匱乏。我們共發現9種甘油酯 (2種DAG和7種TAG)水平升高,會顯著增加6年后2型糖尿病發病風險,其中TAG的特征為短鏈(碳鏈長度46~52)、高飽和(碳-碳雙鍵數0~2)。分析發現,作為肝臟脂肪累積指標的脂肪肝指數(fatty liver index, FLI)升高,也會顯著增加6年后2型糖尿病發病風險,且甘油酯與6年后FLI升高風險也呈正相關。通過中介分析,發現甘油酯與2型糖尿病的風險關系主要經FLI介導,提示肝臟脂肪累積在甘油酯代謝失衡增加糖尿病發病風險的過程中發揮關鍵作用。
脂質組與高血壓
高血壓和血脂異常往往同時存在,現有證據也支持血脂異常在高血壓發病機制中至關重要。現有一些隊列研究發現了甘油三酯、總膽固醇或低密度脂蛋白膽固醇升高與高血壓發病的相關性。機制研究提示了相關的病理生理機制,如內皮功能障礙、血管緊張素過表達、胰島素抵抗和脂肪細胞因子失調等。然而,由于脂質代謝的復雜性,常規的臨床血脂指標無法解釋特定脂質種類或亞類的紊亂與高血壓風險之間的聯系。通過系統分析血液靶向脂質組中的不同亞類和高血壓患病風險的關聯關系,我們發現與高血壓風險顯著相關的多種脂質分子,以及不同脂質亞類與高血壓患病風險的不同關聯關系。值得注意的是,與其他脂質亞類相比,磷脂酰乙醇胺的關聯性信號特征尤為顯著。同時發現特定結構的磷脂酰乙醇胺結構(sn-2位置含有長鏈或超長鏈多不飽和脂肪酸)與高血壓風險顯著正相關,提示磷脂酰乙醇胺相關代謝通路可能在高血壓發病過程中發揮重要作用。
低堅果攝入(<114克/周)是我國居民心血管代謝性疾病死亡的重要風險因素之一[3]。《中國居民膳食指南(2022)》推薦11歲及以上人群堅果攝入在50~70克/周,但目前我國居民堅果攝入量仍遠低于這一推薦量。世界范圍內的人群研究中,也發現低堅果和種子攝入量(<21克/天)與較高的非傳染性疾病的發病率和死亡率相關[4]。我國是全球花生產量第一的大國,花生在我國有長期食用史,作為零食和食物組成已很好地融入我國的飲食文化中。相對其他堅果,花生具有價格便宜、受眾廣泛的優勢。花生富含不飽和脂肪酸、植物來源蛋白質、膳食纖維、維生素、植物甾醇等生物活性物質,這些成分均可能改善心血管代謝疾病風險因素,被認為是具有心血管保護作用的營養成分。另一方面,精白米是東亞國家最重要的主食之一,以精白米為原料制作的零食在我國也較為常見。此前在綜合了東西方多個流行病學隊列人群的薈萃分析提示,頻繁的精制谷物攝入(包括精白米)與更高的2型糖尿病風險相關,且因亞洲人群的精白米攝入量比西方人群高,這一相關性也更強[5]。因此,用花生替代精白米制品或許是一種經濟有效的改善代謝的膳食干預措施。
代謝綜合征是心血管代謝疾病多種風險因素的集合,也是重要的疾病預防窗口。我們通過開展一項為期12周的平行設計隨機對照營養干預研究,納入224名代謝綜合征或代謝綜合征高風險的志愿者,將其隨機分為花生干預組和對照組,前者每日午餐和晚餐前分別食用1包輕鹽烤花生,后者每日午餐和晚餐前分別食用1包等能量的精白米棒。結果發現,花生干預組比對照組顯著增加了代謝綜合征的逆轉率,即在干預后代謝情況得到改善,不再符合代謝綜合征診斷標準。有趣的是,由于花生的高能量密度和高脂肪含量,人們往往擔心攝入花生可能會增加體重,但在該項研究中,花生干預組志愿者的平均體重和腰圍非但沒有增加,甚至還比干預前顯著降低。這提示在用花生替代精制碳水化合物時,并不會增加體重,首次證實花生作為零食替代等能量精白米,能降低心血管代謝風險。這有望為制定符合中國人群特點的營養推薦和健康膳食模式提供新的循證依據。
膳食模式是指長時間形成的飲食組成方式,包括食物品種、數量及比例。相比單一食物或營養素,膳食模式的整體作用對于指導日常膳食更具參考價值。以蔬菜水果、全谷物、堅果、海魚與橄欖油為核心組成的地中海膳食,近年來廣受國外科研人員和公眾推崇,并連續多年被譽為最佳綜合膳食模式,但該膳食模式能否被亞洲人接受并有效改善代謝健康,尚缺乏亞洲人群干預研究的數據。
另一方面,我國江南地區在傳統上以植物性膳食模式為主導,富含蔬菜水果和全谷物,并有較多豆制品和淡水魚,采用油菜籽、葵花籽、花生油等富含多不飽和脂肪酸的植物油進行烹飪,這與國外推崇的健康膳食模式存在異曲同工之妙。雖然全國性流行病學調查顯示我國肥胖、糖尿病患病率均呈現“北高南低”的特點[6],但作為廣為國人接受的本土化膳食模式,傳統江南膳食能否發揮與地中海膳食相媲美的健康效能,是一個值得探索的科學問題。近30年來,我國膳食模式逐漸向精加工、高動物性食物和高脂肪攝入的特點轉變,不健康的膳食模式也成為當前慢性代謝性疾病快速攀升的重要原因之一[3]。
為探究在適當能量限制下傳統江南膳食與地中海膳食對國人健康的影響,我們與其他團隊合作開展了一項基于中國人群膳食模式的干預研究。共招募了253名年齡25~60歲超重或肥胖,且空腹血糖偏高的志愿者。所有志愿者被隨機分配到3個等能量限制(相比日常能量攝入減少25%)膳食組:地中海膳食組(84人),傳統江南膳食組(85人),高精米和紅肉攝入的對照膳食組(84人)。在為期6個月的供餐干預期間,志愿者每周在5個工作日接受研究者精心設計制作的早中晚三餐,周末和節假日允許他們與家人一起自由進食。在干預的6個月中,研究者借助連接志愿者手機的體重秤和智能手環,動態監測其體重和運動步數變化。志愿者分別在干預開始前、3個月末和6個月干預結束時,再進行包括口服葡萄糖耐量試驗、連續血糖監測、腹部脂肪檢測在內的體檢。通過對6個月的數據進行系統分析發現,盡管志愿者普遍在周末及節假日有一定程度的體重反彈,但并不影響在干預6個月后取得可觀的減重效果(3組均減重約7%且無顯著組間差異)。基于口服葡萄糖耐量試驗的空腹血糖、胰島素、胰島素敏感性指標、血脂等指標與干預起始相比,3種膳食組均有顯著改善,但無顯著組間差異。值得注意的是,與對照膳食組相比,干預6個月后,地中海膳食組和傳統江南膳食組均在一定程度上降低了低血糖的發生風險。這提示盡管攝入更高比例的碳水化合物,注重全谷物攝入的傳統江南膳食在減重與血糖穩態控制方面,均表現出與地中海膳食類似的效果。這也與《中國居民膳食指南(2022)》中推薦的更關注“全谷物”而非“谷物”的建議不謀而合。同時,研究結果也強調了“食不過量”的重要性,尤其是對于超重肥胖群體或者代謝高危個體來說,進行適當的能量控制就能取得可觀的代謝獲益。
早在1948年,世界衛生組織就將健康定義為:健康不僅是沒有疾病或羸弱,而是生理、心理和社會功能等方面的完滿健全狀態[7]。但該定義難以對健康進行精準的量化,日常生活中往往將未達到臨床疾病診斷標準的狀態定義為“健康”。有些學者提出,通過機體在應對各種外界壓力時(如應激、饑餓、或進食等)重獲內穩態平衡的能力來定義和量化健康,這種定義將健康視為一種動態、連續可量化的狀態,為健康的量化提供了新思路[8]。
近年來,在歐盟資助的NutriTech(營養技術)項目的框架下,研究人員通過開展內穩態研究進行了各種嘗試。荷蘭科學家最早建立了“表型可塑性”(phenotypic flexibility, PhenFlex)試驗[9]。通過對志愿者在標準混合餐干預前后多個時間點的血液代謝組學和多器官功能相關指標動態改變水平,以及恢復平衡所需時間的系統評估,運用內穩態指數計算模型,對不同個體在維持和重獲代謝內穩態方面的能力和健康狀況,進行量化評估。在對100多位糖尿病高危患者開展每季度的臨床實驗室指標和多組學檢測分析研究發現,長期、多時間點的多組學譜和臨床檢測能更全面、有效地評估健康,并對疾病進行早期預測和早期診斷[10]。
目前國際上有關內穩態的研究仍處于探索階段,國內類似研究更為缺乏。值得注意的是,國內外的許多研究均發現,中國人群和西方人群在遺傳背景和營養代謝等方面存在較大差異,基于西方人群建立的內穩態評估系統,未必適用于中國人群,建立基于中國人群的內穩態評估體系尤為必要。我們已完成2期代謝內穩態研究,旨在探索并建立適合中國人群遺傳和代謝特點的內穩態評估體系,為精準健康評估、精準疾病預測和精準干預方案提供循證依據。
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關鍵詞:脂質組 營養干預 膳食模式 內穩態 ■