營養學的革新

前言

從實現最佳健康的角度來說,營養學在許多方面都迷失了前沿。只是在不久前,營養在運動成績、健康老化、退行性疾病以及最重要的,盡可能長時間地維持健康等方面的作用,才被那些除了早期推崇者之外的大眾所意識到。為了更好地理解、調整以及提高營養在實現最佳健康上起的正面作用,營養學必須進行重大革新。

當談到營養學領域時,其中有幾個分支的革新已經時機成熟。但是在討論營養革新之前,我們先從營養簡史開始,幫助大家了解一下營養學發展到今天的歷程。

必需微量營養素和巨量營養素

說到必需營養素,我們指的是那些我們必須通過膳食或營養補充品來獲取,以維持生命的化合物。這些營養素是必需的,因為我們的身體無法合成它們。必需營養素一般可以分成兩類:1)必需巨量營養素和 2)必需微量營養素。

巨量營養素是那些我們需要較大量(一般大於1毫克)的營養素。這些是我們的細胞需要用來1)構造組成我們身體的結構和2)消耗以作為能量(脂肪、蛋白質和碳水化合物)的原材料。

必需微量營養素是那些我們身體需要但是需求量較小(一般小於1毫克)的礦物質和維生素。有些礦物質,比如類似鈣,可以被認為是巨量營養素,因為我們對其有較大劑量的需求。但是,由於我們無法消耗鈣及其他礦物質用做能量,大部分營養學家將它們分到「微量營養素一類」。簡單總結,必需「礦物質」是我們身體需要用來維持生命的「無機」物質;必需「維生素」是我們身體需要用來維持生命的「有機」化合物。

很早人們就意識到我們需要攝入食物(巨量營養素)才能生存。人類也主要通過早期物理學家,很早就認識到由於骨骼的組成成分,礦物質很重要。但是必需維生素對於健康的作用,之前很長時期都相對較為神秘。進入21世紀後,我們有幸回顧,才意識到必需維生素的發現過程是多麼有趣。因此,維生素將是這一簡短歷史回顧的主要重點。

必需維生素的發現

儘管當時他們自己沒有意識到,早期航海探險家其實為維生素的發現做出了巨大貢獻。在他們漫長的航程中,水手基本只能吃脫水食品和魚,而幾乎沒有新鮮水果和蔬菜。這種膳食讓水手面臨維生素C缺乏及壞血病。壞血病的嚴重症狀(全身虛弱、牙齒脫落、出血點及嚴重淤青等)最早會在航程的頭10至12週出現,這是歷史上最早觀察到並且記錄下來的營養缺乏疾病。但是,人們同時觀察到一旦水手抵達陸地並且開始攝入「酸性水果」,其症狀最短會在一至兩週內消失。英國海軍最早意識到這個現象,並且開始採取措施在水手每日口糧中加入柑橘類果汁(主要是檸檬或青檸汁),這幾乎完全治愈了水手的這個疾病。使得壞血病得以改善的具體化合物及確切原因,一直到1930年代早期,匈牙利科研人員Albert Szent-Györgyi發現維生素C時才被發現,這已經是上百年之後了。

再次強調,由於現代科學和醫學的發展,我們得以有幸回顧過去, 壞血病為何會成為那些早期探險家的心頭大患其實顯而易見。維生素C極易溶於水。我們對於維生素C的日常需求較高,是因為人類是少數幾種不能自身合成維生素C的動物之一。我們身體的回收循環系統不良這一事實,意味著維生素C通常是我們身體第一個耗盡的營養素。因此,壞血病是最早表現出明顯症狀的營養缺乏疾病之一。

讓我們快進到1800年代,亞洲、加勒比海和太平洋島嶼上的歐洲殖民地廣泛擴大,許多其他營養缺乏疾病慢慢開始被注意到。直到不同歐洲醫生的各種觀察被匯聚到一起,營養在預防營養缺乏疾病的重要性才得以明了。基本上來說,膳食統一、單一、受控及/或有限的水手、士兵、囚犯甚至包括家畜家禽成為了「疾病」高危群體。但是,要證明到底是什麼導致了這些疾病,其實很難。讓必需維生素的發現變得更加困難的是時機。對於營養缺乏疾病的研究,和「巴斯德革命」或「細菌致病理論」頂峰期處於同時代,那時候微生物被認為是所有疾病的根源。這導致了科研人員陷入了很多實驗絕境。

直到1890年代,一位研究家禽雞的荷蘭醫生發現了雞(或是士兵)是否患上被稱為腳氣病的「神經疾病」,取決於它們被餵食了「糙米」還是「白米」。這一發現,為最終總結出「食物的成分」可能是健康或是疾病的成因這一理論,起了決定作用。這帶來了1900年代的科學革命,這場革命持續到1941年,直到最後一種必需維生素葉酸被發現。

膳食指南的建立

第二次世界大戰期間,正值全球戰爭和經濟蕭條,食物配給和饑荒問題蔓延,美國認為需要設定營養指南。顯然是為了在戰爭中取得優勢,美國國防顧問委員會命令國家科學院建立國家科學研究委員會,以探討營養對於國防可能的意義。其目標是保持健康的戰鬥隊伍及平民人口數量,並且幫助指導海外的救濟援助工作。1941年,第一個推薦每日攝取量(或RDA)開始實施。儘管這些膳食指南最先由美國建立,全球許多國家直接採納了該指南,或是使用在其基礎上修改的版本。RDA(或是拓寬後現在被稱為參考膳食攝取量的膳食指南 )一般平均5至10年才更新一次。因此,至制定初以來,這些膳食指南僅被更新過為數不多次,就成為了我們今天看到的版本。

預防營養缺乏疾病的政府法規與最佳健康

必需維生素的發現過程和政府法規制定的共同點,在於都是為了「預防營養缺乏疾病及其他營養不良問題的匯集」。因此,這些政府法規、指南及建議從來沒有為了達到「最佳健康」而考慮劑量問題。為了使監管機構最終將他們推薦的避免營養缺乏疾病的「最低量」修改成促進健康的「最佳量」,營養科學必須有重大的資金投入及發明新興試驗方法。 為了讓普通大眾從這項科學中受益,它必須易於接觸且易於理解,並且最終包含簡單和個人定制化的營養建議。想要將這些看上去截然不同的目標組合在一起實現,營養學必須有重大革新。

營養學的革新

營養研究的增加

我們的身體及細胞能運轉,是因為其中發生的生化反應。為了使這些化學反應能進行並且盡可能有效進行,需要一些處於合適濃度、平衡及形態的營養素及輔助因子參與,才能達到最佳工況。直到今天,用來決定我們作為個體應該尋求每日攝入的「最佳水平」營養素的基本營養研究,仍舊非常匱乏。例如,為了盡可能提高運動員成績或讓我們健康變老的最佳營養水平是什麼?比如更重要的,作為個體,我們如果想盡量長久保持健康(我們稱為「健康長壽」),需要日常攝入的營養水平又是多少?

科學文獻的缺乏,很可能是由於兩個主要因素。第一,是營養研究的整體資金缺乏,包括來自政府機構及民間企業。為何缺乏來自很多政府機構的資金有多重原因,情況很複雜。但是不管怎樣,相對於其他研究領域,針對營養研究的資金嚴重缺乏是事實。對於民間企業來說,大規模、長期的人體臨床試驗極其昂貴。這些臨床研究每年能花費數百萬美元。而且許多類似研究需要持續5、10、15、20年或更久,因此哪怕對於最大的企業來說,僅用利潤來投資這些試驗都成本過高。

其次,許多科學家近期都開始質疑「隨機安慰劑對照試驗」(被稱為RCT)這種傳統科學模型,是否對於營養臨床研究來說是正確的方法。RCT很適合製藥業,是因為他們實驗測試的那些分子基本在我們體內都不是自然存在的。由於很多政府禁止為天然化合物申請專利,製藥業必須得開發合成分子以便使用專利來保護他們的研究投資。這使得製藥實驗方法相對簡單很多而且容易決定直接因果關係。他們的潛在新藥物的成分在我們體內不是存在就是不存在;他們的潛在新藥物不是有效就是無效。由於使用嚴格的二元法,這些研究要合算得多並且容易得出直接結論。

對於營養學來說,情況不是這樣。進行類似人體臨床研究時,我們身體都會由於我們攝入的食物,已經或多或少有個基線水平。讓這個情況變得更為複雜的是,由於不同人攝入不同的特定膳食,有些人會某些營養素水平相對高,而有些人相對低。而在設計營養研究時,幾乎不會考慮到這個情況。這些因素合在一起,使得營養實驗方法變得很不容易。不同的基線水平增加了實驗誤差。由於實驗誤差可能會很高,這導致決定營養干預對於某個健康結果是否有直接因果關係變得很困難。沒有合適的實驗設計、沒有大量測試對象以及合適的統計分析,這些製藥和營養研究的核心差別常常能夠解釋發表的科學文獻中的含糊結果。

讓實驗設計和結果的解讀變得更困難的是營養素單獨對任何生化/代謝途徑都不起作用。在我們細胞內的任何特定代謝途徑中,都會有多個營養素及輔助因子共同協作以促成生化/代謝反應。因此,在代謝途徑需要其他營養素的前提下,去實驗測試單一營養素並且衡量健康改善,最多也就只能報以一定希望而已。根據營養及生化/代謝科學,最佳實踐手段包括在期待特定健康結果的給定生化/代謝途徑上,實驗提供所有營養素。可是,這違背了每個科學家學到的,有上百年曆史的「科學方法」。

傳統科學方法一般針對控制或安慰劑組,一次只改變一個實驗變量。基本上對於和健康與疾病相關的所有營養情況,這都是一個有缺陷的方法。正確的營養及生化/代謝慣例要求,在給定代謝途徑里想要改善健康,所有已知營養素都得實驗提供。然而,這個習慣不僅違反傳統科學方法,而且迫使結果的清晰因果關係解讀變得更加困難。儘管很多研究營養及生化/代謝的科學家意識到了這一點,但當申請政府研究經費時,任何有別於傳統科學方法的實驗設計,一般都會被認為是「設計不合理」而導致拿不到經費。

簡單來說,營養學的重大革新發生的前提是基本營養科學的復興再生。這又取決於傳統營養學實驗設計能否改變教條。還需要發展出新的實驗模板來回答營養實驗問題。一些有前瞻性思維的生化/代謝科學家正是這樣做的,尋找傳統科學方法之外的新方法來解決營養研究問題。這些科學家將非假設驅動及非目標對比法帶到營養科學。具體來說,他們同時給控制組很多營養干預,測量大量生化代謝結果,再根據已知生化代謝原則來重建數據。雖然這種方法花費高、更複雜且更費時間,但這些科學家得以找出多種營養介入和其對生化代謝途徑的強關聯。換句話說,他們讓數據本身來作出結論,而不是由於實驗設計的缺陷被迫將數據強行帶入到預想或偏差假設中。這很有可能是未來營養學家會採用的方法。

最終,科研經費的增加、基本營養研究被重新重視和再次興起及改進過的創新實驗設計會給營養科學帶來偉大的革新。

條件必需及非必需營養素及輔助因子

我們顯然需要必需營養素才能生存及保持健康。但是有一個被稱為「條件必需」營養素的新營養方向,正在逐漸被人們認識到。上面提到過,最後一種必需維生素(葉酸)是1941年發現的。儘管存在一些尚未確認但可能成為必需營養素的潛在候選,例如吡咯並喹啉醌(簡稱PQQ)、麥角硫因等,但發現其他完全必需維生素的可能性幾乎為零。可是,隨著營養研究的增加,很有可能會界定出越來越多條件必需營養素和輔助因子,包括條件必需維生素及礦物質。

什麼是「條件必需營養素及輔助因子」呢?不同於必需營養素會直接導致營養缺乏疾病,條件必需營養素及輔助因子和營養缺乏疾病沒有直接關聯。但是,我們討論的是那些可能無明顯疾病症狀,但導致代謝及細胞功能受損的潛在亞臨床缺乏。

一種營養素或輔助因子可能會在我們人生不同階段成為條件必需。比如,我們知道隨著年齡增大,我們的身體對於礦物質及一些維生素的吸收不像年輕時候那麼高效。此外,研究表明像硫辛酸和左旋肉鹼這些非必需營養素和輔助因子隨年齡增長而降低。我們知道許多精英運動員和育齡女性往往需要更多鐵及許多其他營養素,以最大化載氧能力來支持額外的運動和撫養子女壓力。我們知道在受急性身體傷害後,維生素D水平會急降。我們知道在20歲之前我們就會獲得這輩子大部分的骨骼質量,因此相對於體重來說,兒童比成人需要更多骨骼礦物質。

我們還需要更多地了解那些按照嚴格營養定義來說不算「必需」,但可能會導致亞臨床和細胞、組織或器官功能受損的候選營養素及輔助因子。或者,設法描述通過提高補充劑用量能提供額外健康益處的那些條件必需營養素和輔助因子。將研究拓展到描繪條件必需營養素和輔助因子,從而更好地確定生命中每個特定階段所需要的確切劑量,將會是營養學的偉大革新。

個體化營養

一些理論生物學家提出,在此時此刻及現在特定環境下,生出一個和我們完全一樣的人的概率大約是1:400,000,000,000 (是的,1比400兆億)。根據這個定義,如果現在地球上生活著400兆億人口,那可能會有一個人各方面都跟您我一模一樣。可是現在地球上只有七十億人,存在兩個完全一樣的人幾乎不可能。因此,很容易推測出我們都有個人化、獨特及定制化的營養需求這一結論。

回顧歷史,政府機構還沒有考慮到這種差別化。許多來自各個監管機構的推薦都簡單地將所有營養需求按照人口統一歸類。直到近期,才意識到不同「人生階段」可能有不同營養需求:比如我們的年齡、是否抽煙,及女性的話是否在孕期或哺乳期。

營養學想要出現有意義的創新,要提高營養的功效來促進最佳健康,了解更小及更明確定義的人群(當然最終目標是任何單一個體的具體明確營養需求)的特殊營養需要最為重要。

瞄準細胞及分子的營養素

我們很早就意識到我們的細胞有著被稱為細胞訊號傳輸途徑的廣泛通訊網絡。這些細胞訊號傳輸途徑讓細胞能夠在單個細胞內部、和相鄰細胞及與相隔很遠的其他細胞交換信息。

這些細胞訊號傳輸途徑的唯一目的是幫助細胞、組織或器官對其環境適應及反應。那麼它是如何工作的呢?在細胞表面和內部都有「感應分子」(一般是蛋白質)。類似於鎖和鑰匙,當正確的分子(鑰匙)碰到了相應的感應器(鎖),會激活細胞訊號傳輸途徑,這時通訊開始了。想象一下多米諾骨牌被碰倒。一旦被激活,細胞訊號傳輸途徑最終會讓細胞、組織、器官甚至整個身體產生生理反應,會開始或停止生物過程。

某些營養素能作用於分子級,能夠瞄準細胞訊號傳輸途徑並讓健康受益。比如,黑巧克力或葡萄籽中的化合物有助於心血管健康。咖啡因能產生腎上腺素的效果,提高我們的認知功能及提升運動成績。某些來自植物的營養素(植物營養素)被證實能激活我們身體的天然排毒過程,其他一些營養素能起到非類固醇消炎藥的作用(被稱為NSAID)。這些都是由於營養素能在分子一級起作用,激活了細胞訊號傳輸途徑。營養學家現在正利用分子內天然化合物的分子瞄準能力,以得到特殊、健康及有效的生理作用。

了解到底哪些營養素,需要具體多少劑量才能瞄準某條細胞訊號傳輸途徑,最終讓健康受益的研究還處於早期,其創新的時機已經成熟。

營養的「組學」革命

所謂「組學革命」最近在科學界非常流行,尤其是在生物科學界。這個短語說法來自很多生物學子領域的後綴,比如基因組學(研究脫氧核糖核酸DNA)、蛋白質組學(研究蛋白質和酶)、微生物組學(研究我們體內及體表的微生物)和代謝組學(研究代謝)。

「組學」的趨勢來自於生物學里被稱為「系統生物學」的某個概念,研究我們體內的各個獨立系統是如何工作的以成就了現在的我們。這是從一種更計算或工程的方法來了解生物學:從了解我們的DNA和其對於我們對某種健康成效偏好的意義(基因組學),到我們的細胞如何將DNA資訊變成細胞蛋白質生產車間(蛋白質組學),到所有生活在我們體內及體表的互惠共生微生物如何與我們周圍環境互動及影響我們的生理(微生物組學)。

系統生物學的承諾是研究那些系統間的複雜相互作用,以幫助我們了解生物的複雜性。雖然系統生物學本意是為了使用更少還原的方法來研究生物學,但它沒能完全實現當初的承諾。由於發現細胞內有多個系統,因此只研究某個單一係統(基因組學、蛋白質組學和微生物組學等)無法讓我們了解全部狀況,事實上了解到的情況比那些獨立系統間的實際互相作用要少得多。但是如果您認為從生物學角度來講,我們只不過是一組生化反應的集合(也正是這些生化反應造就了今天的我們),那麼有一種「系統方法」能帶給我們極佳的見解並且幫助我們在營養有所創新。這個承諾就是代謝組學。

代謝組學的承諾

正如上面所述,代謝組學研究的是我們整個代謝的生化學原理。代謝組學的承諾來自於其研究考慮了很多(如果不是全部的話)系統生物學下的子系統。按照等級分層來說,這是一個能考慮到同時包含所有潛在變量的系統,無論是繼承自我們父母的DNA;無論我們將DNA轉化成對細胞有用的蛋白質機器的效率怎樣;無論是我們的微生物如何作用於生理學;也包含那些我們甚至都還沒有討論過的情況,比如我們對於營養素的吸收效率、我們的生活方式以及我們生活的環境。所有這些都直接或間接影響著我們的細胞生化反應,而代謝組學考慮到了全部這些。

代謝組學的承諾還來自於我們對於自身獨特的細胞生化學的多年了解;可以說,我們體內每一個代謝途徑都已經被詳細研究過,不僅僅是那些主要方式和途徑,還有那些次要途徑和「代謝產物」。有著了解如此詳盡的細胞生化學,包含了需要的生化反應物、代謝中間體及所有必需酶、輔助因子、維生素、礦物質等才能進行的生化反應,我們得以了解我們的代謝是處於功能最優化還是可能被擾亂了。正由於在我們身體內,每時每刻都有無數化學反應正在進行,我們完全可以獲得每分鐘甚至每秒鐘的快照,來了解我們代謝的運行情況。

討論了這麼多,其實代謝組學的這個承諾正是其被耽誤的原因。很多科研人員迴避全面代謝組學,因為其固有的複雜性。要完全了解我們的「代謝組」(組成我們代謝的所有東西),就必須在各種情形下,盡可能頻繁地同時檢測成千上萬代謝產物,才能得到準確的描繪。不難想象,這複雜度呈指數倍快速增長。

但是,這個領域的技術在迅速提高。現在已經能夠實驗測量成百上千中代謝產物,並且能夠測量的代謝產物種類每天都在增加。但是這種程度的複雜度只在基本代謝組學研究的初期才會出現。一旦獲取到很多生活方式場景中某代謝組的一個精準快照,只需要使用少數幾種代謝產物就能知道我們細胞的確切功能狀態。這時回到營養,我們就能決定身體到底需要什麼才能保持那些細胞工作於最佳狀態。我應該吃什麼?碳水化合物?蛋白質?脂肪?什麼時候吃?我是否缺乏營養?我需要哪些營養?什麼時候需要?需要多少劑量?代謝組學所能提供的粒度等級、特異性和即時反饋這些才是其真正承諾。

回到壞血病(維生素C缺乏疾病)的例子:個體牙齒脫落、容易淤青及通常死於心血管疾病(動脈瘤或心臟病)的原因是維生素C為膠原和成(將我們的細胞和血管保持在一起的「分子粘合劑」)所必須。在這個例子中,使用代謝組學,如果我們可以確定膠原和成及到目前為止看似無關的代謝產物是在何時受損的,我們就能介入並且推薦攝入維生素C來將代謝途徑送回正軌。該代謝受損能遠在任何臨床症狀出現前,或甚至在亞臨床後果開始給細胞造成不利影響前就被發現。同時我們還能使用類似方法來最大化產生能量、合成肌肉、大腦功能及標記疾病或健康。基本上來說,每個生物過程都能使用代謝組學來最優化。

更好地來基本了解代謝組學,及使用何種代謝產物來標記最佳營養狀態和健康,是營養學數一數二的革新。

醫療設備、健身追蹤器、呼吸測試器及光學掃描儀

市場上目前有一些儀器可以讓消費者測試某些重要健康指標。就目前能被接受的醫療設備來說,舉幾個例子,包括測量血壓、脈搏波傳導速度、體重、身體成分、血脂、膽固醇、C-反應蛋白、體溫及血糖等的儀器。

健身追蹤器的流行帶來了一個全球數十億美元的產業。顯然,能做出即時健康測試反饋的設備會很有需求。最流行的健身追蹤器能告訴我們走了多少步、跑了多遠、游泳划水效率如何、騎車節奏及輸出力量如何、心率、消耗熱量及我們睡眠質量如何。

近年來,非侵入性技術捲土重來,使用特殊波長的光線來照射人體組織,以確定血氧飽和度、脈搏、黃斑色素密度、皮膚健康、含水量甚至某些營養素和抗氧化劑狀態等健康指標,其中以血糖為「製藥業巨頭」的「聖杯」。您可能熟悉能測試我們血液中酒精含量的呼吸測試器。現在新的呼吸測試器也再次出現,但是測試的是我們呼吸中的代謝產物,以決定代謝健康甚至當場能給出疾病狀態。

這個行業缺乏的是將上面提到的所有指標匯集在一起做成一個儀器,給出我們健康狀態的綜合狀況。如果能將所有這些指標和科技匯總成一個單一設備,以即時檢測我們的營養和健康狀態,這會是營養的一個重大革新。

將醫療設備與營養、醫療和代謝組學數據組合

營養學中最後一個必要革新是將上面提到的綜合設備儀器和營養、醫學和代謝組學中的最新科學發現相結合。想象一下如果您能夠手持一個醫學儀器,將其貼近您的手指;或許只需要驗一滴血或打出一道光、或對著管子吹口氣就能獲取一個您即時代謝(代謝組)情況的總體快照。您能使用這些信息,來獲取您含量較低的營養素、您需要吃的食物或是否需要運動等建議。類似儀器能保證我們保持自身代謝和生化反應隨時能最優化進行。我們能夠最大化提高運動成績、最優化健康,及最重要的——盡量長時間保持健康長壽。

融匯前沿營養突破(尤其是在代謝組學領域)及綜合非侵入式醫療設備,給我們提供代謝健康及總體健康的即時快照,是能有意義影響人類健康的營養學終極革新。

結論

1800年代中期至1900年代中期是營養學的定義期。那100年給我們現今如何思考營養學定下了基調,用最少量的營養素來治療營養缺乏疾病。我們需要改變現在的營養教條理念,從最少量營養變成最優量營養,來促進最佳健康。如果意義重大的營養學革新即將發生,需要重新強調和投入到對基本營養學的研究,尤其是營養素是如何作用於細胞水平的。科學界還需要開發及接受新的營養學科研方法,對營養研究需要更少採取還原方法、更多系統及工程方法。營養學中最有前途的系統方法是代謝組學,這也應該占到營養學研究的絕大部分。在代謝組學中使用新興、非還原法、非目標對比及非假設驅動的研究方法會創造出許多真正的營養學革新。一旦我們對營養如何直接及間接影響代謝有了相對完整的認識,我們就能將這個認知結合到現有醫療設備以開發出新設備。這些加在一起,能將基礎研究變成可用及可行的信息,使得任何消費者都可以採取行動最終提高他們的健康壽命。

這就是營養革新給我們的承諾。

Can’t find what you are looking for? Please try your search again or submit a question here