编译：风清扬，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
肠道微生物参与多种宿主代谢过程并发挥重要作用，研究人员已经利用无菌小鼠以及抗生素处理的低菌小鼠证明了该观点。例如给予抗生素处理的小鼠其葡萄糖耐受量显著增加，脂肪含量降低，而将肥胖小鼠或人肠道内的肠道菌群重新定植于无菌小鼠体内则会使得葡萄糖耐受量降低，表明肠道微生物能够参与机体葡萄糖稳态调节。尽管人们已经知晓肠道微生物能够调控宿主的葡萄糖稳态，然而其内在的机理尚未完全阐明。本文研究团队认为肠道微生物与肠道内细胞之间的交互作用是引起葡萄糖稳态发生改变的重要原因，肠道微生物影响了肠嗜铬细胞血清素（5-HT）的合成，进而影响宿主葡萄糖代谢。为了研究肠道微生物与5-HT以及宿主葡萄糖耐受量之间的关系，研究人员采用了抗生素干预（Abx）模型、5-HT生成抑制剂（LP533401）干预模型以及联合抗生素与5-HT抑制剂模型，动态评价不同天数下机体葡萄糖耐受量的改变。随后利用色氨酸羟化酶1敲除（Tph1-/-）动物模型，从基因水平干扰5-HT的生成，通过与Tph1+/+小鼠表型对比，证明肠道菌群以及5-HT对于宿主葡萄糖稳态调节的重要作用。结果表明不论是抗生素的给予或是5-HT抑制剂均能够有效增加小鼠葡萄糖耐受量。值得注意的是，Abx联合LP533401并没有进一步提高小鼠葡萄糖耐受量的作用，提示两者靶向宿主相同的葡萄糖代谢通路。Tph1-/-动物并不能从Abx中获益。Abx以及LP533401对于葡萄糖耐受量的调控作用均不影响动物本身的能量消耗、活动状态以及体重。本研究揭示了肠道微生物对于5-HT合成以及宿主葡萄糖稳态的调控作用，对于深入理解肠道微生物-宿主共代谢有着重要的参考价值。
原名：The gut microbiome regulates host glucose homeostasis via peripheral serotonin
期刊：PNAS
IF：9.58
发表时间：2019.10
通讯作者：Steinberg GR & Keating DJ
本文基于抗生素诱导的低菌小鼠模型以及5-HT合成抑制模型，分别于第0天和第28天检测各小鼠的葡萄糖耐受量以及血清中5-HT的含量，寻找肠道微生物-血清素与机体葡萄糖稳态之间的关系。
首先作者建立了Abx处理的低菌小鼠模型（饮用水中添加1g/L 氨苄青霉素，0.5g/L新霉素），5-HT合成抑制模型（LP533401，30mg/kg，灌胃）以及Abx和LP533401联用模型，利用葡萄糖耐受量实验评价各组小鼠在模型前后机体葡萄糖耐受量以及5-HT的变化。
随后比较各模型之间的差异，判断肠道微生物与机体5-HT对于葡萄糖稳态的调节作用。葡萄糖耐受量实验采用腹腔注射4g/kg葡萄糖，随后每15min检测小鼠血糖值，持续2小时。血清、结肠组织中5-HT含量检测采用ELISA法。
同时作者检测各小鼠耗氧量、静息能量消耗（24小时期间），排除了模型本身对于机体能量消耗、活动以及体重的影响。最后作者利用色氨酸羟化酶1敲除的动物模型（Tph1-/-），同样使用葡萄糖耐受量实验检测血糖值变化、腹腔注射胰岛素0.75U/kg检测胰岛素抵抗水平，证实肠道微生物对于5-HT以及机体葡萄糖代谢的调控作用。
1 抗生物通过降低机体5-HT水平提升宿主葡萄糖耐受量葡萄糖耐受量指的是机体对于血糖浓度的调节能力。利用腹腔注射4g/kg葡萄糖，并动态监测2小时内小鼠体内血糖值的变化，评价各模型小鼠对于葡萄量的耐受能力。结果显示正常对照组小鼠在第0天和第28天下对于葡萄糖的耐受程度并无差别（图1A）。然而，我们发现Abx或是LP533401处理的小鼠其葡萄糖耐受量显著增强，注射葡萄糖后在更短的时间内降低到正常血糖水平（图1B-C）。值得注意的是，联合Abx与LP533401处理的小鼠也展现出了同样的效应，但二者并无叠加作用，表明干扰肠道微生物引起的葡萄糖耐受量增加与5-HT抑制引起的糖耐受量增加很有可能是经由同一过程而产生的。（图1D-E）
图1 多种动物模型对于机体葡萄糖耐受量的影响。腹腔糖耐受量实验检测腹腔注射4g/kg葡萄糖后2小时内小鼠血糖值的变化（测量时间间隔：15min）。（A）空白对照组Day0与Day28时小鼠血糖值变化；（B）Abx组Day0与Day28时小鼠血糖值变化；（C）LP533401组Day0与Day28时小鼠血糖值变化；（D）Abx+LP533401组Day0与Day28时小鼠血糖值变化；（E）不同组别下Day0与Day28血糖浓度-时间曲线下面积，代表2h内机体对于葡萄糖的处置能力。为了检测不同模型下5-HT的水平，我们使用ELISA法检测了28天后血清与结肠部位5-HT的含量，发现Abx，LP533401以及Abx+LP533401均能显著降低5-HT水平到相似的程度，说明肠道微生物参与了宿主5-HT的合成过程（图2A-B）。Abx+LP533401并不会更显著降低5-HT水平，进一步佐证了两种模型可能通过相同途径调控机体葡萄糖稳态。与此同时，我们采用代谢笼检测24h内各小鼠的耗氧量、二氧化碳排放量以及静息能量消耗量，结合小鼠水平活动情况分析以及体重测量，发现小鼠5-HT以及葡萄糖耐受量增加与小鼠本身能量消耗（图2C）、呼吸频率（图2D）、活动能力（图2E）以及体重（图2F）无关，证明5-HT对于葡萄糖耐受量的调控作用。
图2不同模型下血清素以及正常机体活动的变化。黑色：正常对照组；灰色：LP533401组；蓝色：Abx组；橘色：Abx+LP533401组。（A）Day28时血清5-HT含量（μg/ml）；（B）Day28时结肠组织5-HT含量（ng/μg protein）；（C）Day28时各组小鼠能量消耗（Kcal/hr）；（D）Day28时各组小鼠呼吸换气率（VCO2/VO2）;（E）Day28时各组小鼠水平活动情况（beambreaks×103）；（F）Day28时各组小鼠体重（g）。2 基于Tph1-/-小鼠评价肠道微生物对于5-HT合成以及宿主葡萄糖稳态的作用色氨酸羟化酶1是肠嗜铬细胞代谢色氨酸形成5-HT的关键限速酶，在此我们构建了Tph1-/-小鼠，Abx处理Tph1-/-以及Tph1+/+小鼠28天，同样评价机体对于葡萄糖的耐受能力。Tph1敲除本身能够提高动物的葡萄糖耐受量（表现在Day0时），而抗生素处理能够显著提高Tph1+/+小鼠葡萄糖耐受量，但无法提高Tph1-/-小鼠葡萄糖耐受量。在Day0和Day28Tph1-/-小鼠有着相似的葡萄糖处置能力（图3A-B）。腹腔注射0.75U/kg胰岛素检测各组小鼠的胰岛素敏感度发现并无差异（图3C）。同样的，采用代谢笼检测24h内各小鼠的耗氧量、二氧化碳排放量以及静息能量消耗量，结合小鼠水平活动情况分析以及体重测量，发现Tph1-/-与Tph1+/+小鼠24h能量消耗（图3D）、呼吸频率（图3E）、活动能力（图3F）以及体重（图3G）并无差别。
图3 抗生素引起的葡萄糖耐受增强依赖Tph1。（A）使用抗生素处理Day0和Day28天时Tph1+/+与Tph1-/-小鼠血液中葡萄糖浓度；（B）不同基因型小鼠Day0与Day28血糖浓度-时间曲线下面积，代表机体对于葡萄糖的处置能力；（C）Day0和Day30时腹腔注射0.75U/kg胰岛素后检测2h内机体血液中葡萄糖浓度的变化；（D）各组小鼠能量消耗（Kcal/hr）；（E）各组小鼠呼吸换气率（VCO2/VO2）；（F）各组小鼠水平活动情况（beam breaks×103）；（G）各组小鼠体重（g）。图D-F各数值于Day32-34测定，图G于Day36时测定。在这里，我们研究了肠道微生物对于小鼠体内血清素以及葡萄糖稳态的调节作用，使用基因敲除动物以及化学抑制模型为肠道微生物通过影响肠道内5-HT的生成从而调控机体葡萄糖稳态这一观点提供重要数据支持。由于机体内5-HT主要来源于肠嗜铬细胞代谢色氨酸（依赖于色氨酸羟化酶1），因此使用Tph1抑制剂LP533401来抑制机体5-HT的生成。我们发现通过抗生素造成低菌动物模型能够影响宿主血清与结肠组织内5-HT的含量，表明肠道微生物参与了肠嗜铬细胞色氨酸代谢过程。与此同时，不论是LP533401还是Abx都能够显著增强小鼠葡萄糖耐受量，证实了血清素对于宿主葡萄糖稳态的调控作用。然而，我们发现LP533401和Abx联合给药并没有叠加作用，体现于机体葡萄糖耐受量相似、5-HT水平相当，表明LP533401和Abx给药可能作用于机体的同一环节从而调控葡萄糖的分解代谢，从侧面说明了肠道微生物能够直接调控机体5-HT的生成。如果肠道微生物通过其他途径影响宿主葡萄糖代谢过程，我们应该看到LP533401+Abx组小鼠葡萄糖耐受量增加更为明显。利用Tph1敲除动物模型，我们进一步评价了肠道微生物对于宿主代谢的调节作用。Tph1-/-动物较Tph1+/+动物，其葡萄糖耐受量本身就较高，提示5-HT对于宿主葡萄糖稳态的调控作用。然而，当我们给予Tph1-/-动物抗生素28天后，并不能看到小鼠葡萄糖耐受量的任何变化，再次说明肠道微生物的确通过5-HT影响宿主葡萄糖代谢过程，而非其他过程。Abx与LP533401引起葡萄糖耐受量的改变并不依赖于影响小鼠本身正常生理活动状态，体现在静息能量消耗、生理活动、呼吸频率以及体重维持不变。本研究提示在正常饮食下肠道微生物通过调控肠嗜铬细胞血清素的生成从而影响宿主葡萄糖稳态。机体葡萄糖代谢紊乱发生于肥胖症、糖尿病等多种疾病中，因而明确体内调节葡萄糖代谢的过程与关键分子显得尤为重要。近年来有关肠道微生物的研究表明肠道微生物能够参与机体葡萄糖代谢过程，影响宿主葡萄糖稳态，然而其原因仍旧不得而知。本文作者从肠道微生物直接能够接触到的肠壁细胞入手，发现肠道微生物能够直接影响肠嗜铬细胞产生血清素，进而通过血清素调控机体葡萄糖稳态，解释了肠道微生物对于宿主代谢过程的调控机理。同时留给广大研究者去探寻具体肠道微生物如何影响肠嗜铬细胞血清素的生成，明确具体肠道微生物种群发挥作用。
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