科研 | Nature子刊：低谷蛋白饮食诱导健康丹麦成年人肠道内微生物组的改变
本文由何琴编译，董小橙、江舜尧编辑。
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导读
在部分普通人群中，坚持低谷蛋白饮食已经变得越来越普遍。然而，健康人减少富含谷蛋白的食物（包括小麦、黑麦和大麦等谷物）的影响尚不清楚。目前关于富含谷蛋白的饮食对健康成人的客观证据和影响机制的缺乏，使得低谷蛋白饮食在公众具有高度争议性。有研究表明，无谷蛋白饮食（GFD）改变了健康成人的肠道微生物组和免疫功能，但结果不一致。因此，低谷蛋白饮食是否会影响健康人群的分类和功能菌群及宿主生理学，仍有待解决。
论文ID
原名：A low-gluten diet induces changes in the intestinal microbiome of healthy Danish adults
译名：低谷蛋白饮食诱导健康丹麦成年人肠道内微生物组的改变
期刊：Nature Communications
IF：12.353
发表时间：2018年11月
通信作者：Lea B. S. Hansen等人
通信作者单位：Departmentof Bioand Health Informatics, Technical University of Denmark
实验设计
作者进行了一项随机对照（1:1）交叉试验，两次为期8周的干预措施，一次为低谷蛋白饮食（2g谷蛋白/天），一次为高谷蛋白饮食（18g谷蛋白/天），其间至少6周（范围6-23周，中位数8周）的习惯饮食（12g谷蛋白/天）作为清洗期将其分开。试验于2012年7月至2013年11月进行。选取60名没有乳糜泻、糖尿病或其它自身疾病的白种丹麦中年人，年龄在22至65岁之间，身体和生化检查健康，体重稳定，体重指数（BMI）为25-35kg m-2和/或腰围（男性≥94cm，女性≥80cm）。研究参与者被随机分为两组：（1）进行低谷蛋白饮食，然后进行高谷蛋白饮食，或（2）进行高谷蛋白饮食，然后进行低谷蛋白饮食（图1a）。总共有51名参与者完成了研究，54名参与者进行了两次以上的访问并被纳入分析。在两次饮食干预期间，研究参与者被要求用自由提供的低谷蛋白或类似的富含谷蛋白膳食纤维的高营养产品替代所有谷物产品，要求他们随意饮用。于不同时间点收集各数据，数据收集的时间点由图1下部面板中的圆圈表示。
图1 实验设计图
实验内容
1 交叉干预
作者将不同时间点所测得的每个变量进行分析，比较了饮食对肠道微生物组的组成和功能、尿液代谢物、血清和粪便代谢物以及宿主生理指标的影响。其变量的变化见图2，红色箭头代表减少，绿色箭头代表增加，黑色水平箭头代表没有变化的。
图2 低谷蛋白和高谷蛋白饮食对健康成年人的肠道微生物组、尿液/粪便代谢物和宿主生理指标的影响
2 低谷蛋白饮食改变肠道微生物组
作者研究了208个粪便样品中微生物DNA的全基因组鸟枪序列。将微生物序列映射到人肠道微生物组参考基因的综合目录中，并根据样品间的丰度变化将基因分类到宏基因组物种。至少10个样品中被鉴定出有575个物种，在这些物种中，与高谷蛋白饮食干预相比，低谷蛋白饮食干预者有14种细菌的相对丰度有所改变。
图3 低谷蛋白饮食会改变肠道微生物的组成
为了探索饮食干预对肠道微生物组的功能变化的影响，作者将所有微生物基因与KEGG中原核生物进行了比对，分组成KEGG模块和定制模块。在饮食干预后，细菌碳水化合物降解发生改变，如与高谷蛋白饮食相比，低谷蛋白饮食使得糖代谢途径、碳水化合物摄取系统和其它糖运输系统降低。细菌转运谷氨酸、锌/锰和硫酸盐减低，而转运半胱氨酸和铁增强。
3 低谷蛋白饮食改变了肠道发酵
同高谷蛋白饮食相比，低谷蛋白饮食后空腹和餐后的氢气呼出减少，且腹胀减少。肠道发酵与细菌碳水化合物的变化相关。两个饮食干预之间的碳水化合物成分有几个不同，低谷蛋白饮食有较高水平的半乳糖、鼠李糖、甘露糖和半乳糖醛酸，而阿拉伯糖和木糖的水平较低，这些营养变化同低谷蛋白饮食后细菌转运阿拉伯糖/乳糖的功能降低是一致的。在两种饮食之间，膳食可发酵的总量，益生元，二糖、单糖和醇类（FODMAP）或抗解淀粉的摄入没有差异。然而，观察到质量差异，例如低谷蛋白饮食中较低水平的低聚果糖和甘露醇/山梨糖醇以及较高水平的乳糖。肠道发酵改变后呼吸氢浓度与与产甲烷相关的肠代谢呈负相关。后者包括利用H2或甲酸盐作为电子供体将CO2还原为CH4，同时通过延长肠道转运时间使蛋白质发生水解。
作者通过气相色谱质谱（GC-MS）以及超高效液相色谱质谱（UPLC-MS）对尿液样本进行了无目标的代谢分析。与高谷蛋白干预相比，在低谷蛋白干预期间发现更低浓度的小麦衍生化合物（3,5-二羟基氢化肉桂酸- 葡糖苷酸和半乳糖基甘油）。相反，木酚素降解（肠内酯- 葡糖苷酸）后的产物——宿主-微生物共代谢物的浓度增加，表明在低谷蛋白饮食期间减少富含麸质的食物和肠道微生物组的相关变化导致膳食纤维降解发生改变。
为了确定呼吸氢水平与肠道微生物组和尿液代谢组变化之间的相关性，作者开发了呼吸氢和细菌种类和尿液代谢物的共生网络。呼吸氢与小麦相关的尿代谢物和B.longum呈正相关，与尿肠内酯- 葡糖苷酸负相关，证实两种饮食方案之间膳食纤维组成的差异导致结肠发酵改变。
总的来说，这些结果表明，低谷蛋白饮食后的呼吸氢减少和腹胀减少是由肠道微生物组的变化和由膳食纤维组成的质量差异引起的。
图4 低谷蛋白饮食对肠道发酵的影响。a 在相同的标准餐后的呼吸氢水平。b 用视觉模拟量表（VAS）评估肠胀气变化的图。c 呼吸氢水平和细菌种类和尿液代谢物的线性回归网络。
4 低谷蛋白饮食导致体重减轻
两次干预期间，葡萄糖、脂质代谢测量值和总能量摄入没有任何差异，近端肠降血糖素激素胃抑制肽（GIP）的水平和远端肠激素胰高血糖素样肽2（GLP-2）没有变化。然而经过8周的饮食干预后，与高谷蛋白饮食相比，低谷蛋白饮食的体重平均下降了0.8±0.3 kg（图5a）。同时，多肽YY（PYY）的餐后血浆浓度增加（图5b和补充表7; PAUC = 0.012，线性混合模型）。由此推出不同的机制是体重减轻的原因。但空腹或餐后血浆PYY浓度的变化与结肠短链脂肪酸（SCFA）合成相关的细菌的变化或SCFA的粪便和血清浓度之间没有任何关联。
在不同的尿液代谢物中，与高谷蛋白饮食期相比，低谷蛋白饮食后β-氨基异丁酸（BAIBA）增加（图5c）。然而，尿液BAIBA浓度的变化与细菌嘧啶降解无关，表明尿液BAIBA的变化与肠道微生物组的变化无关，它们可能与低谷蛋白饮食对宿主代谢的其他影响直接相关。同时，BAIBA的尿液浓度增加和PYY的餐后血浆水平升高表明低谷蛋白饮食的摄入通过改变产热或脂肪氧化来调节能量稳态。
作者通过靶向代谢组学定量分析了脂肪酸，酰基肉碱（将脂肪酸转运到线粒体中以便分解）和血清中的BAIBA。与高谷蛋白饮食相比，低谷蛋白饮食后除了血清中亚麻-肉碱显著增加，其它代谢物没有发生改变，表明脂肪氧化未发生改变。
作者针对与微生物群-肠-脑轴相关的代谢物进行了分析，包括粪便和血清中的5-羟色胺，犬尿氨酸，谷氨酸，γ-氨基丁酸。与高谷蛋白饮食干预相比，低谷蛋白饮食干预后粪便犬尿氨酸浓度显著增加（图5d），但犬尿氨酸的底物-芳香族氨基酸及其衍生物的血清和粪便浓度未改变，表明微生物群的色氨酸降解途径改变了。粪便犬尿氨酸浓度与尿液BAIBA水平呈正相关，表明结肠微生物在脂肪褐变具有一定作用。
图5 低谷蛋白饮食对宿主代谢标志物的影响 a 低谷蛋白和高谷蛋白饮食期后参与者的体重变化图。b 参与者血浆中的多肽YY浓度图。c 参与者尿液中BAIBA浓度图。d 参与者粪便中犬尿氨酸浓度图。
5 低谷蛋白饮食对免疫系统有微妙的影响
作者评估了全身炎症标志物以及全血中由体外脂多糖（LPS）诱导的细胞因子的反应。结果血清中全身炎症标志物浓度（即C-反应蛋白（CRP），白细胞介素（IL）-6，肿瘤坏死因子α（TNF-α）或血液免疫细胞群计数（即白细胞，淋巴细胞，中性粒细胞，单核细胞）没有任何变化。肠炎标志物（即空腹血浆瓜氨酸和粪便钙卫蛋白）没有任何变化，通过测量空腹血清连蛋白和尿中乳果糖和甘露醇，也没有发现肠道通透性的变化。但与高谷蛋白饮食期相比，低谷蛋白饮食干预后炎性小体相关的细胞因子IL-1β的释放减少。且细菌脂质A合成（存在于所有革兰氏阴性细菌中）的丰度与LPS诱导的全血中IL-1β的释放呈正相关。这些发现表明，与高谷蛋白饮食期相比，低谷蛋白饮食干预后选择性降低炎性体反应的激活。
结 论
总之，对健康的中年成年人进行为期8周的低谷蛋白饮食干预会引起肠道微生物组的变化和复杂碳水化合物的发酵（如尿液代谢组的变化和呼吸氢的减少）。结肠微生物组成和发酵的变化表明，低筋性饮食对健康中年人的影响可能在一定程度上得到推动，比如通过减少富含谷蛋白的食物而不是减少麸质摄入本身来改变膳食纤维的量。
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