营养创新
前言
在许多方面，营养一直是实现最佳健康的一个失落的前沿。只是在相对较近的时间里，除了一些早期的采用者之外，人们才认识到营养在运动表现、健康衰老、退行性疾病，以及最重要的是尽可能长时间保持健康方面的作用。为了进一步了解、调整和改善营养在最佳健康中发挥的积极作用，必须在营养方面进行重大创新。
说到营养领域，有几个领域的创新时机已经成熟。然而，在我们讨论营养学的创新之前，让我们先来了解一下营养学的简史，以帮助我们了解我们是如何走到今天的。
至关重要的微营养和宏营养物质
在谈论必需营养素时，我们谈论的是我们必须通过饮食或营养补充剂来维持生命的化合物。这些营养物质是必需的，因为我们的身体不会制造它们。基本营养素有两大类:1)基本宏2)必需营养素微营养。
宏营养素是我们大量需要的营养素(通常是>1克)。这些是我们细胞需要的原材料，1)构建构成我们身体的结构，2)燃烧能量脂肪，蛋白质,碳水化合物．
至关重要的微营养素是我们身体所需的矿物质和维生素，但数量较少(通常小于1克)。一些矿物质，比如钙，可以考虑宏营养素，因为我们需要大量的营养素。然而，由于我们不能燃烧钙和其他矿物质作为能量，大多数营养学家把它们归为“微营养类别。”简单地说，是必要的矿物质是无机我们的身体需要维持生命的物质维生素是有机我们身体维持生命所需要的化合物。
人们很早就认识到我们必须吃食物宏营养物质)才能生存。长期以来，人们(主要是早期的医生)也认识到，矿物质对骨骼的组成很重要。然而，必需维生素在健康中的作用仍然难以捉摸。这是21岁的奢侈圣世纪的后知后觉使得必需维生素的发现变得如此有趣。因此，维生素将是这篇简要的历史观点的主要焦点。
必需维生素的发现
尽管他们当时并不知道，但维他命的发现是最早的航海探险家们的功劳。在长途航行中，水手们几乎只吃脱水食物和鱼，很少或根本不吃新鲜水果或蔬菜。这种饮食使水手面临维生素C缺乏和坏血病的风险。坏血病的严重症状(全身虚弱、牙齿脱落、血斑、过度瘀伤等)在航行10 - 12周就会出现——这是第一个可观察到并有记录的营养缺乏疾病。然而，也有人观察到，一旦水手们上岸并开始食用“酸性水果”，他们的症状就会在短短一到两周内消失。英国海军是第一个注意到这一发现的，并在水兵的日常口粮中使用柑橘汁(主要是柠檬汁或酸橙汁)——几乎治愈了水兵的这种疾病。改善坏血病的确切原因和特定化合物一直没有被发现，直到20世纪30年代初，匈牙利研究人员Albert Szent-Györgyi发现了维生素c——确切地说，几百年后才发现。
再一次，在现代科学和医学的奢侈后见之明，我们很清楚为什么坏血病是这些早期探险家的主要担忧。维生素C是高水溶性的。我们每天对维生素C的需求量相对较高，因为我们是少数几种不合成维生素C的动物之一。事实上，我们不善于循环利用维生素C，这意味着维生素C通常是我们体内最先消耗掉的营养物质。因此，坏血病是营养缺乏表现出明显症状的首批疾病之一。
快进到19世纪，当时欧洲对亚洲、加勒比和太平洋岛屿的广泛殖民正在发生，许多其他营养缺乏疾病开始被观察到。只有当不同的欧洲医生的观察结果集中在一起时，营养在预防营养缺乏疾病中的作用才变得清晰起来。基本上，水手、士兵、囚犯，甚至农场动物的饮食都是同质的、受限制的和/或受限制的，他们都有患“疾病”的风险。然而，究竟是什么导致了这些疾病被证明是难以捉摸的。使必需维生素的发现进一步复杂化的是时机。对营养缺乏疾病的研究发生在“巴氏革命”——或“疾病的细菌理论”——的鼎盛时期，当时微生物被认为是导致疾病的原因所有疾病。这让研究人员走进了许多实验的死胡同。
直到19世纪90年代，一位研究鸡的荷兰医生才发现，鸡(或士兵)患上脚气病这种“神经系统疾病”的区别在于他们吃的是“糙米”还是“白米”。这一发现最终巩固了“食物成分”可能导致健康或疾病的概念。这在20世纪初引发了一场科学革命，一直持续到1941年，叶酸，最后发现的必需维生素，被描述出来。
制定膳食指南
在第二次世界大战期间，全球战争和经济萧条正在发生，粮食配给和饥饿肆虐，美国认为有必要制定营养指南。毫无疑问，为了在战争中占得上风，美国国防咨询委员会授权美国国家科学院成立美国国家研究委员会，调查营养在国防中可能发挥的作用。其目标是维持一支健康的战斗部队和平民人口，并帮助指导海外救援工作。1941年，第一个每日推荐津贴(rda)开始实施。虽然这些膳食指南最初是由美国制定的，但世界上许多国家要么完全采用了这些指南，要么有了一些修改版本。rda(或现在更广泛的膳食指南，称为膳食参考摄入量)平均每5到10年才更新一次。因此，从一开始，这些饮食建议只更新了几次，让我们处于今天的状态。
预防营养缺乏疾病与最佳健康之间的政府规定
基本维生素是如何发现的，政府指南是如何制定的，共同之处是"预防营养缺乏疾病和其他营养不良并发症"。因此，这些政府法规、指南和建议从未被认为是达到“最佳健康”的剂量。监管机构最终要将其建议从“最低量”的营养素以避免营养缺乏疾病改为“最佳量”的营养素以促进健康，必须在营养科学方面进行重大投资和新的实验方法。为了让公众从这门科学中受益，它必须是易于理解的，最终是简单的，个性化的营养建议。要结合这些看似不同的目标，必须在营养学方面进行重大创新。
营养创新
增加营养研究
我们的身体和细胞工作是因为它们内部发生的生化反应。为了使这些化学反应发挥作用并尽可能有效地发挥作用，它们需要大量的营养物质和辅助因子——以正确的浓度、平衡和形式——来发挥最佳作用。到目前为止，在确定我们个人每天应该努力摄入的营养素的“最佳水平”方面，基础营养研究严重缺乏。例如，什么是最优的营养水平，以最大限度地发挥运动表现，让我们健康地老去?最重要的是，作为一个个体，我们每天需要摄入多少营养才能尽可能长时间地保持健康——我们所谓的“健康寿命”?
科学文献中的这种差距可能是由于两个主要因素造成的。首先，营养研究普遍缺乏资金，无论是政府机构还是私营部门。许多主要政府机构缺乏资金可能是多因素和复杂的，但无论原因是什么，相对于其他研究领域，营养研究没有投入资金。至于私营部门，大规模、长期的人体临床试验非常贵了。这些临床研究每年要花费数百万美元。而且，由于许多研究需要持续5年、10年、15年、20年或更长时间，即使是最大的公司，仅靠收入来资助这些研究，成本也变得过高。
其次，许多科学家最近质疑传统的“随机、安慰剂对照试验”(所谓的rct)的科学模式是否是进行营养临床研究的正确方法。这些随机对照试验在制药行业效果很好，因为他们实验测试的分子几乎从来没有在我们的体内自然发现过。由于许多政府禁止为天然化合物申请专利，制药业必须开发合成分子来保护他们的研究投资。这使得药物实验方法更直接，更容易确定直接的因果关系。他们潜在的新药要么在我们身上找到，要么不在我们身上;他们潜在的新药要么有效，要么无效。由于这种文字二进制方法，这些研究更具成本效益，更容易得出直接的结论。
但在营养方面却不是这样。当在人类身上进行类似的临床研究时，我们体内都会有一定的营养基线水平，这仅仅是因为我们所吃的食物。更复杂的是，根据我们每个人的具体饮食，我们中的一些人会有相对高水平的某些营养素，而另一些人则相对低水平。在设计营养研究时，这一事实几乎从未被考虑过。综上所述，营养实验方法变得不那么简单。这些不同的基线水平增加了实验误差。由于实验误差可能变得很高，这使得确定营养干预对特定健康结果的直接因果关系变得更加困难。没有适当的实验设计，有巨大的测试对象的数量和适当的统计分析，这一药物和营养研究的核心差异经常解释科学文献中发表的许多模棱两可的结果。
进一步组合实验设计和结果解释的是，营养物质在任何单一的生化/代谢途径中都不孤立地起作用。在我们细胞内的每一个特定的代谢途径中，都会有一些营养物质和辅助因子促进生化/代谢反应。因此，在代谢途径所需的所有其他营养素的背景下，通过实验测试一种营养素，并测量健康改善，充其量是有希望的。基于营养和生化/代谢科学，最佳实践将包括在特定生化/代谢途径中对所有营养素进行实验管理，其中需要特定的健康结果。然而，这与每个科学家都被教导的数百年的“科学方法”相悖。
科学方法表明，相对于对照组或安慰剂组，只能改变一个实验变量。在营养与健康和疾病的每一个案例中，这都是一种有缺陷的方法。适当的营养和生化/代谢实践将要求在给定的代谢途径中对所有已知的营养素进行实验管理，以期望改善健康。然而，这种做法不仅违背了科学方法，而且还混淆了对结果的明确因果解释。虽然这一事实得到了许多营养和生化/代谢科学家的认可，但在申请政府研究资金时，任何科学方法之外的实验设计通常被认为是“设计不良”，经常无法获得资助。
简单地说，营养学要有重大创新，就需要基础营养学的复兴。为了实现这一点，传统营养实验设计的教条必须发生改变。还需要开发新的实验范式来回答营养实验问题。这正是一些具有前瞻性思维的营养和生化/代谢科学家正在做的事情——寻找传统科学方法之外的方法来回答营养研究问题。这些科学家对营养科学采取了一种非假设驱动、非目标的方法。也就是说，相对于对照组，同时进行多种营养干预，测量大量生化和代谢结果，然后根据已知的生化和代谢原理重建数据。虽然这是一种昂贵、复杂和耗时的方法，但它使这些科学家能够在多种营养干预及其对生化和代谢途径的影响之间建立强有力的关系。换句话说，他们让数据来讲述故事，而不是因为有缺陷的实验设计而强迫数据进入先入为主或有偏见的假设。这可能是营养科学家未来需要采取的方法。
最终，研究经费的增加，对基础营养研究的重新复兴和承诺，以及改进和新颖的实验设计构成了营养科学的重大创新。
有条件的必需营养素和非必需营养素及辅助因子
我们显然需要必要的营养物质来生存和健康。但是营养学的一个新方面正日益受到重视，那就是所谓的“有条件必需”营养素。如上所述，最后一种必需维生素(叶酸)是在1941年发现的。虽然有一些潜在的尚未发现的必需营养素，如吡啶喹啉醌(简称PQQ)、麦角硫氨酸等，但发现另一种绝对必需维生素的可能性不大。然而,是通过不断增加的营养研究，可能会出现越来越多的有条件必需营养素和辅助因子的特征，包括必需维生素和矿物质。
什么是“条件必需营养素和辅助因子”?与与营养缺乏疾病直接相关的必需营养素不同，没有直接条件性必需营养素和辅助因子与营养缺乏疾病之间的联系。然而，我们谈论的是潜在的亚临床缺陷，没有明显的疾病迹象，但代谢和细胞功能受损。
在我们生命的不同阶段，一种营养物质或辅助因子可能成为有条件的必需品。例如，我们知道随着年龄的增长，我们的身体不能像年轻时那样有效地吸收矿物质和一些维生素。此外，研究表明，非必需营养素和辅助因子，如硫辛酸和肉碱，随着年龄的增长而减少。我们知道，许多优秀运动员和育龄妇女往往需要更多的铁和许多其他营养物质，以最大限度地提高携氧能力，减轻运动和养育孩子的额外压力。我们知道，急性身体损伤后，维生素D水平会急剧下降。我们知道，我们一生中大部分的骨量都是在20岁之前增加的，所以一磅一磅(或一公斤一公斤)，儿童比成年人需要更多的骨矿物质。
需要更好地了解根据严格的营养定义可能不是“必需的”，但可能导致亚临床和损害细胞、组织或器官功能的候选营养素和辅助因子。或者，描述有条件的必需营养素和辅助因子，通过增加补充水平提供额外的健康益处。将研究扩展到有条件地描述必需营养素和辅助因子，以更好地确定在生命周期的特定时期所需的确切剂量，将是营养学的一大创新。
个性化的营养
一些理论生物学家提出，我们中的任何一个人在这个特定的时间点，在这些特定的环境下，出生时完全像我们自己的几率大约是1:4千亿(是的，400万亿分之一)。所以根据这个定义，如果目前有400万亿人生活在地球上，那里可能做一个在各方面都和你我一模一样的人。由于目前地球上只有70亿人，我们中任何两个人完全相同的可能性很小。因此，人们可以很容易地推测，我们都有个人的，独特的，个性化的营养需求。
从历史上讲，政府机构没有考虑到这种细微差别。来自各个监管机构的许多建议都将所有的营养需求归纳为基于人群的大型群体。直到最近，人们才认识到不同的“生命阶段”和营养需求:例如，我们多大了，我们是否吸烟，或者一个女人是否怀孕或哺乳。
为了在营养方面进行有益的创新，最重要的是要了解更小和更明确的人群的特定营养需求——最终是任何特定的个体的确切、特定的营养需求——以提高营养的功效，因为它与促进最佳健康有关。
营养物质的细胞和分子靶向
人们早就认识到，我们的细胞包含广泛的通信网络，称为细胞信号通路。这些细胞信号通路允许细胞将单个细胞内发生的事情传递给邻近的细胞，或可能距离较远的细胞。
这些细胞信号通路的唯一目的是帮助细胞、组织或器官适应环境并做出反应。这是如何工作的呢?在所有细胞的表面和内部都存在“传感器分子”(通常是蛋白质)。就像锁和钥匙一样，当正确的分子(钥匙)碰到正确的传感器(锁)，你就启动了一个细胞信号通路，交流就开始了。想象一连串的多米诺骨牌被推倒。一旦启动，细胞信号通路最终将对细胞、组织、器官甚至身体的整个生理产生生理效应——要么开启生物过程，要么关闭生物过程。
某些营养素可以在分子水平上针对细胞信号通路发挥作用，从而对健康有益。例如，黑巧克力或葡萄籽中发现的化合物有助于心血管健康。咖啡因可以模仿肾上腺素，提高我们的认知功能和运动表现。植物中的某些营养素(植物营养素)已被证明可以激活我们身体自身的自然排毒过程，而其他营养素则像非甾体类抗炎药(所谓的非甾体抗炎药)一样起作用。这是因为营养物质在分子水平上激活细胞信号通路。营养科学家现在正在利用分子靶向细胞内的天然化合物，以引发特定的、健康的和有效的生理效应。
确切地了解哪种营养物质——以及具体的剂量——针对特定的细胞信号通路以产生健康益处，目前尚处于起步阶段，创新的时机已经成熟。
营养学的“组学”革命
所谓的“组学革命”已经成为科学界的潮流，尤其是在生物科学领域。这个短语来自许多生物学子领域的后缀，比如gen组学(对DNA的研究组学(蛋白质和酶的研究)，微生物组学(对生活在我们体内和体表的微生物的研究)和代谢组学(新陈代谢的研究)。
这种“组学”趋势是生物学中一个被称为“系统生物学”的概念的结果，即我们体内的所有个体系统是如何运作的，从而造就了我们。这是一种更加计算或工程的方法来理解生物学:从观察我们的DNA中有什么，以及它告诉我们我们对特定健康结果的倾向(gen组学)，以及我们的细胞如何将DNA信息转化为细胞蛋白质机制(prote组学)，以及所有生活在我们体内和体表的共生微生物如何与我们的环境相互作用并影响我们的生理机能(微生物组学）.
系统生物学的前景是研究这些系统中复杂的相互作用，以帮助我们理解生物学的复杂性。虽然系统生物学的目的是给我们更少的还原论的生物学方法，但它并没有完全兑现它的承诺。事实证明，细胞内有许多系统，因此研究单个系统(基因组学、蛋白质组学、微生物学等)并不能给我们完整的画面，更不用说所有这些单独系统之间的相互作用。但是，如果你相信，从生物学的角度来说，我们只不过是一袋生化反应——正是这些生化反应造就了我们——那么可能会有一种“系统方法”，可以给我们提供巨大的洞察力，帮助我们在营养方面进行创新。这个希望就是代谢组学。
代谢组学的前景
如上所述，代谢组学是研究我们整个新陈代谢的生物化学。代谢组学的前景来自于它考虑了系统生物学中的许多(如果不是全部的话)系统。从层次上讲，这是一个可以同时考虑所有潜在变量的过程，而不管我们从父母那里遗传了什么DNA;不管我们如何有效地将DNA转化为对细胞有用的蛋白质机制;不管我们的微生物群如何影响我们的生理机能;抛开我们还没有讨论的事情，比如我们吸收营养的效率，我们的生活方式，以及我们生活的环境。所有这些都直接或间接地影响我们的细胞生化反应，而代谢组学将所有这些因素都考虑在内。
代谢组学的前景还来自于这样一个事实:我们特定的细胞生物化学已经为人所知很多年了;也就是说，从字面上看，我们体内的每一条代谢途径都已经被绘制出来了——不仅是主要的参与者和途径，还有次要的途径和“代谢物”。有了如此明确的细胞生物化学，包括生化反应物，代谢中间体，以及所有必要的酶，辅助因子，维生素，矿物质等，需要进行这种生物化学，我们可以知道我们的新陈代谢是最佳运作还是可能受到干扰。因为我们体内每时每刻都有数万亿个化学反应在发生，所以我们可以每分钟甚至每秒钟都能看到我们的新陈代谢是如何运行的。
综上所述，正是代谢组学的这一承诺也成为了阻碍它发展的因素。由于代谢组学固有的复杂性，许多研究人员都对其敬而远之。为了全面了解我们的“代谢组”(构成我们新陈代谢的一切物质)，人们实际上必须在广泛的情况下，尽可能频繁地同时测量数十万种代谢物，以获得准确的视图。你可以想象，这会变得指数级复杂非常很快。
但这一领域的技术正在迅速发展。现在可以通过实验测量数以万计的代谢物，而且每天都在增加。但这种复杂性只存在于最初的基础代谢组学研究中。一旦在许多生活方式场景中捕捉到代谢组的准确快照，就有可能利用其中一些关键来了解我们的细胞是如何运作的回到营养，我们可以准确地确定我们需要摄入什么来保持这些细胞尽可能最佳地运作。我该吃什么?碳水化合物吗?蛋白质?胖吗?什么时候?我是否缺乏营养?我需要什么营养?什么时候? And at what dose? The level of granularity, specificity, and real-time feedback provided by metabolomics is its real promise.
回到我们关于坏血病的例子(维生素C缺乏引起的疾病):人们的牙齿容易脱落，容易擦伤，而且通常死于心血管疾病(动脉瘤或心脏病发作)的原因是因为胶原蛋白合成需要维生素C——胶原蛋白是将细胞和血管粘合在一起的“分子胶水”。在这个例子中，利用代谢组学，如果我们能确定胶原蛋白合成或一些看似不相关的代谢物何时开始受损，我们就可以进行干预，并建议摄入维生素C，以使这一代谢途径回到正轨。这种代谢损害可以在任何临床症状出现或甚至亚临床后果对细胞产生负面影响之前被识别出来。我们可以用类似的例子来最大化能量生产、肌肉合成、大脑功能和疾病或健康的标记。从字面上说，每一个生物过程都可以用代谢组学来优化。
一个更好的基本理解代谢组学和哪些关键代谢物使用作为最佳营养状况和健康的标志是倒数第二营养方面的创新。
医疗设备、健身追踪器、酒精测试仪和光学扫描仪
目前市场上有许多设备，消费者可以通过这些设备来测量一些重要的健康终点。就目前公认的医疗设备而言，它们包括测量血压、脉搏波速度、体重、身体成分、血脂、胆固醇、c反应蛋白、体温和血糖的仪器，仅举几例。
健身追踪器的普及已经成为一个价值数十亿美元的全球产业。显然，人们需要能够实时反馈健康状况的设备。最流行的健身追踪器会告诉我们走了多少步，跑了多远，游泳的效率如何，骑自行车的节奏和能量输出，心率，燃烧的卡路里，以及我们的睡眠质量。
近年来，非侵入性技术再次兴起，将特定波长的光照射到人体组织中，以确定健康终点，如血氧饱和度、脉搏、黄斑色素密度、皮肤健康、水合作用，甚至某些营养素和抗氧化剂的状态，血糖是“大型制药公司”的“圣杯”。你可能也熟悉酒精测试仪，它可以测定我们血液中的酒精含量。呼气测试仪(测量我们呼吸中的代谢物)也重新兴起，以确定代谢健康状况，甚至是完全的疾病状态。
这个行业让我们缺少的是能够结合所有将上述端点和其他端点整合到一个设备中，让我们全面了解我们的健康状况。将所有这些端点和技术合并到一个单一的设备中，可以实时测量我们的营养和健康状况，这将是营养领域的一个巨大创新。
将医疗设备与营养、医疗和代谢组学数据相结合
营养方面需要出现的最后一个创新是采用上述综合医疗设备，并将其与营养、医学和代谢组学方面的最新科学发现相结合。想象一下，如果你可以把一个医疗设备举到你的手指上;也许输入一小滴血，或者用光照射进去，或者通过管子吹气，就能实时了解你的新陈代谢(代谢组)的整体情况。然后，你就可以根据这些信息，得到你可能缺乏的营养素、你应该吃的食物，或者你是否需要锻炼的建议。这样的设备可以确保我们的新陈代谢和生物化学尽可能高效地工作，而且几乎是实时的。我们可以最大化运动表现，优化我们的健康，最重要的是，尽可能长时间地保持我们的健康寿命。
结合前沿的营养突破，特别是在代谢组学领域，与一个全面的、非侵入性的医疗设备，让我们即时了解我们的代谢健康，从而了解我们的整体健康的最终营养方面的创新将对人类健康产生重大影响。
结论
19世纪中期到20世纪中期是营养学的决定性时期。这100年为我们今天对营养的看法定下了基调——用最少量的营养来治疗营养缺乏症。我们需要改变目前的营养教条，从最低营养量到最佳营养水平，以促进最佳健康。如果要在营养学方面进行有意义的创新，就必须重新重视和致力于基础营养学研究，特别是营养物质如何在分子水平上发挥作用。新的适用于营养的科学方法也必须被开发出来，并被科学界所接受，以减少对营养研究的还原论方法，而更多地采用系统或工程方法。在营养学中最有前途的系统方法是代谢组学，这是大多数营养学研究应该发生的地方。将新颖的、非还原论的、无目标的、非假设驱动的研究方法应用于代谢组学，将在营养学领域创造真正的创新。一旦我们对营养物质如何直接或间接地影响我们的新陈代谢有了相对完整的了解，我们就能将这些知识与现有的医疗设备结合起来，开发出新的医疗设备吗?总之，这将把基础研究转化为可用和可操作的信息，任何消费者都可以采取深思熟虑的行动，最终延长他们的健康寿命。
这就是营养创新的前景。
