科研 | Gut: 肠道微生物特征的发现推动了肥胖患者益生元干预的功效
编译：小范儿，编辑：小菌菌、江舜尧。
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肠道菌群已被提出作为代谢紊乱的有治疗靶标。菊粉作为益生元可减轻肥胖症和相关疾病。本研究的目的是研究干预前肠道菌群的特征是否决定了对菊粉的生理反应。在饮食干预前，从4个肥胖供体的粪便中采集不同微生物多样性和组成的粪便，并接种到经过抗生素预处理的小鼠(hum-ob小鼠;人性化肥胖老鼠)。喂hum-ob小鼠高脂饮食并用菊粉治疗。3个月后比较在hum-ob小鼠中菊粉治疗后与一组补充菊粉的肥胖个体的代谢和微生物变化。
结果发现，从不同肥胖个体中获得粪便菌群的hum-ob小鼠对高脂肪饮食中菊粉的补充有不同的反应。在hum-ob小鼠中观察到几个细菌属，Barnesiella, Bilophila, Butyricimonas,Victivallis,Clostridium XIVa, Akkermansia, Raoultella 和 Blautia与代谢结果（肥胖和肝脂肪变性减少）相关。另外，在肥胖个体中，厌氧菌，Akkermansia和Butyricicoccus的干预前水平促进对菊粉的应答导致体重指数下降。这些发现支持在使用益生元进行营养干预之前表征肠道菌群对于增加肥胖和代谢紊乱的积极结果非常重要。
论文ID
原名：Discovery of the gut microbial signature driving the efficacy of prebiotic intervention in obesepatients
译名：肠道微生物特征的发现推动了肥胖患者益生元干预的功效
期刊：Gut
IF：17.943
发表时间：2020.1.17
通讯作者：Nathalie M Delzenne
作者单位：比利时布鲁塞尔卢凡大学卢凡药物研究所代谢和营养研究组
实验设计
在饮食干预前，从4个肥胖供体的粪便中采集不同微生物多样性和组成的粪便，并接种到经过抗生素预处理的小鼠(hum-ob小鼠;人性化肥胖老鼠)。喂hum-ob小鼠高脂饮食并用菊粉治疗。3个月后比较在hum-ob小鼠中菊粉治疗后与一组补充菊粉的肥胖个体的代谢产物和微生物变化。
结果
1. FMT后小鼠微生物群的特征
首先从菊粉干预之前的肥胖患者队列中选择四个捐献者，它们的区别在于肠道微生物群组成不同，以便对抗生素-PEG预处理的小鼠进行FMT（图1A）。通过总细菌的急剧减少证实抗生素PEG的效率，其可以消除超过99.8％的粪便细菌（图1B，C）。除SPF对照组外，所有小鼠均通过FMT与肥胖患者的粪便重新定殖。供体为肥胖、药物依赖型糖尿病或非糖尿病患者，粪便细菌属水平丰富度不同(Chao1指数，图1D)，肠道菌群组成科水平也不同(图1E)。未加权的UniFrac距离证实SPF和hum-ob小鼠之间的分布不同（图1F），hum-ob小鼠的肠道菌群与各自的供体非常接近。此外，在人类中比例最高但在小鼠中极少存在的柔嫩梭菌群水平在所有hum-ob小鼠中均明显增加，证实人类细菌在受体小鼠中定殖（图1G）。
2. 菊粉对hum-ob小鼠体重和肥胖的影响。
与SPF小鼠相比，接种供体1 （D1）粪便的小鼠体重显著增加，且仅在这一组通过添加菊粉恢复体重（图2A）。在肥胖方面，FMT增加D1组hum-ob小鼠的SAT和附睾脂肪组织（图2B,C），而在D1组和D4组补充菊糖减少肥胖。各组内脏脂肪组织重量均相似（图2D）。在SAT中，D1小鼠的平均脂肪细胞面积增加，而菊粉完全阻止这种作用（图2E，F）。菊粉治疗可显著降低D1和D4 hum-ob小鼠cd11c的表达，表明菊粉可降低SAT中活化的巨噬细胞浸润（图2G）。与未经治疗的对应者相比，菊粉还降低D1受体的SAT中炎性标志物（tnfa和ccl2）的表达（图2G）。在D1 hum-ob小鼠中，菊粉降低脂肪酸（FA）受体cd36的mRNA水平。在D1和D4 hum-ob小鼠中，菊粉都降低调节脂肪细胞分化和脂肪生成的Pparg mRNA水平。在BAT中，菊粉可特异性增强D1小鼠中产热标志物（ucp1，prdm16和ppargc1a）的表达，这种现象可促进FA氧化（图2H）。
3. 菊粉可降低D1和D4 hum-ob小鼠肝脏脂质积累。
菊粉仅在D1和D4中降低脂质(甘油三酸酯和胆固醇)的积累（图3A-D）。D1小鼠的丝氨酸79残基上的乙酰辅酶A羧化酶（ACC）磷酸化增强，菊粉和AMP蛋白激酶（AMPK）的激活进一步增强这种作用（图3E）。菊粉还降低D1和D4小鼠的核固醇调节元件结合蛋白1 c和2（Srebp-1c和Srebp-2）（图3F，G）。在D1小鼠中，菊粉降低cd36和ppargc1a mRNA，两种涉及FA摄取和氧化的蛋白质（图3H）以及控制甘油三酸酯合成的标志物的mRNA水平，例如acaca，scd1，dgat2和elovl3（图3H）。菊粉还降低D4小鼠中的scd1和dgat2 mRNA。这些数据表明，菊粉通过调节参与脂肪形成和FA氧化的基因的表达降低D1和D4小鼠的肝脂质含量。
4.菊粉改善D1 hum-ob小鼠的肌肉胰岛素敏感性。
腓肠肌的生化分析显示，D1的hum-ob小鼠肌内脂质和甘油三酯的含量仅高于SPF对照小鼠，而SPF对照小鼠的肌内脂质和甘油三酯的含量被菊粉去除（图4A,B）。与这些发现一致，菊糖显著增强D1 hum-ob小鼠的蛋白激酶B、Akt（丝氨酸473）和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白mTOR（丝氨酸2448）磷酸化水平（图4C，D）。如在肝脏中一样，菊粉降低D1小鼠比目鱼肌中cd36 mRNA的表达。在D1和D4 hum-ob小鼠中，Pparg mRNA在D1肌肉中表达增加，而在菊粉中降低（图4E）。仅在D1小鼠中，菊粉抵消了hum-ob小鼠中Cpt1b mRNA的增加（图4E）。这些数据支持菊粉通过减少FA摄取提高D1小鼠肌肉中的胰岛素敏感性，从而限制PPARg（过氧化物酶体增殖物激活的受体γ）配体的可用性。
5. 菊粉不会改变整体菌群组成，但会引起供体体内菌群组成特异性变化。
在所有的组中，菊粉都增加了盲肠的含量和组织的重量，表明菊粉发酵过程相似（图5A，B）。与对照小鼠相比，FMT降低所有hum-ob小鼠的微生物α多样性（Chao1和Shannon指数）（图5C，D）。在D2和D4小鼠中，随着菊粉的加入，均匀度进一步下降。未加权的UniFrac距离显示出供体之间的个人差异导致的聚类（图5F）。单因素分析显示，菊粉在hum-ob小鼠的门和科水平上诱导供体特异性变化（图5E）。鉴定18个属的子集，这些子集受到菊粉的不同调节，具体取决于供体。显著的代谢作用与菊粉调节的18个属之间的相关性分析显示，在鉴定出的几种相关性中，一些属与肝脂质蓄积呈正相关（Barnesiella，Butyricimonas，Bilophila，Hungatella和Victivallis）。并且在D1小鼠中显著降低，该组表现出更好的菊粉代谢反应。此外，在第二种菊粉-应答者组D4小鼠中，与肝脂质含量呈负相关的四个属（Clostridium XIVa，Raoultella，Blautia和Akkermansia）特别增加。
6. 微生物群相关的标准驱动hum-ob小鼠和人类对菊粉治疗的代谢反应。
小鼠的FMT模型无法识别可能与体重变化有关的细菌。为此，我们使用菊粉治疗的肥胖患者的整个人类队列，验证某些细菌是否可能与菊粉对BMI的调节有关。在干预结束时，根据BMI变化的中位数将参与者分为菊粉组（n = 51），分别为无反应者（BMI不变）和反应者（BMI降低；图6A）。Chao1指数反映肠道菌群的丰富程度，无反应组和反应组相似（图6B）。令人惊讶的是，在临床干预期间，使用所有细菌属的变异的PCA不允许区分无反应者和反应者（图6C）。有趣的是，PCA只考虑hum-ob小鼠中突出显示的菊粉属的变异，倾向于将无应答者和应答者组分开（图6D）。PLS-DA基于人类实验方案中相同属子集（在小鼠中鉴定）的变异，表明负责不同BMI反应的主要变异似乎是应答者中Bifidobacterium spp的增加同时伴随Collinsella, Barnesiella, Akkermansia和Bilophila的降低（图6E）。单因素分析证实，与无应答者相比，有应答者的Collinsella和Akkermansia明显减少（图6F）。为了评估某些属是否可以预测对菊粉的反应，基于干预前存在的所有属进行PLS-DA分析（图6G）。在无应答和应答者之间观察到清晰的分离；在负责该特定聚类的主要变量中，发现了上面概述的一些属，例如Collinsella，Bifidobacterium，Akkermansia，Bacteroides和其他新属，例如Butyricicoccus似乎在应答者中高度存在（图6G）。与无应答者相比，单因素分析仅显示应答者中Akkermansia和Butyricicoccus的基础含量显着较高，而厌氧菌的水平较低。这些数据表明，就对菊粉的特异性反应而言，一部分细菌可能在人类队列中观察到的BMI个体间反应中发挥重要作用。
讨论
菊粉型果聚糖可作为具有益生元特性的有趣膳食纤维，因为许多动物数据和一些菊粉干预研究均支持其对体重和肥胖相关疾病的潜在的治疗效果。菊粉干预后与肠道菌群变化之间的联系仍不明确。先前的研究表明，接种健康瘦人粪便后，短链果聚糖降低无菌小鼠的体重增加、脂肪量积累和盲肠含量增加。作者认为，这些结果可能取决于用于接种的人体肠道微生物群。我们研究中表明，在定植不同肥胖患者粪便中的“人源化”小鼠中，菊粉反应差异很大，这为干预前肠道微生物群的组成影响健康结果提供了证据。为此，给小鼠接种来自不同肥胖供体的样品，即使当小鼠表现出相同的饮食行为时，菊粉也会对HFD的hum-ob小鼠体重增加产生不同的影响。菊粉对脂肪组织、肝脏和骨骼肌的代谢变化有不同的调节作用。最后，在hum-ob小鼠中观察到的个体间差异伴随着菊粉伴随特定的肠内菌群的变化。
在两组小鼠（D2和D3）中，菊粉没有作用，而另外两组（D1和D4）中，菊粉有积极的作用，D1中代谢改善更显著。接受糖尿病供体（D1）和糖尿病前前期供体（D4）肠道菌群的两组小鼠对菊粉响应者，但是接受另一位糖尿病供体（D2）粪便的小鼠对菊粉的补充没有反应，这表明糖尿病患者状况不是菊粉代谢反应的主要驱动因素。但是，在今后的针对大量糖尿病患者和非糖尿病患者的干预研究中，必须挑战这一假设。在D1小鼠中，FMT加重HFD的影响，菊粉抵消这些影响中的大部分，如体重和脂肪增加以及肝和肌肉脂质积累。最近的研究表明，肠道菌群对抗性淀粉的膳食补充剂的反应取决于接种小鼠的健康供体最初的肠道菌群。在本研究中，可以概括微生物群选择性改变对解释肠道菌群的重要性。在D1组中，菊粉优先减少与有害代谢特征正相关的细菌。减少Bilophila和Barnesiella，增加Bifidobacterium。在喂食HFD的传统小鼠中，益生菌前处理导致Bifidobacterium增加，而Bilophila减少。Vandeputte等人还证明，菊粉在轻度便秘的个体中选择性地增加Bifidobacterium和减少Bilophila，这种作用与改善便秘相关。在人源化的小鼠中，我们的数据支持这些细菌的变化对于获得有趣的健康影响也很重要，甚至超出了肥胖的范畴。有趣的是，在D1小鼠在干预过程中也观察到供体1对菊粉的强烈作用。即使供体1增加身体活动可以明显改善干预过程中的代谢参数，但hum-ob小鼠模型支持该供体的肠道菌群有利于对菊粉的代谢反应。
在D4小鼠中，即使FMT不会加重HFD的影响，菊粉也会改善脂肪量和肝脂肪变性。在这一组中，菊粉优先上调已知的对宿主代谢有益的细菌，如A.muciniphila，在我们的研究中与脂肪肝呈负相关。有研究表明，Akkermansia的施用可以防止肥胖症发生并逆转HFD喂养小鼠的代谢紊乱。有趣的是，整个队列的应答者组的特征是基线时Akkermansia的丰度较高，但干预后其丰度降低。Dao等人也表明，在低热量饮食干预中，基线时Akkermansia丰度较高的肥胖受试者代谢变化有较大的改善，但在干预期间，这一组的Akkermansia也有所下降。这说明干预前Akkermansia的丰度越高，饮食干预的成功率越高，但菊粉治疗后Akkermansia的增加并不是代谢改善的驱动因素。
在D4小鼠中，菊粉还增加了Faecalibacterium spp、Lactobacillus spp和Bifidobacterium spp的含量，与之前的研究结果一致，肥胖和糖尿病患者的prausnitzii F.较低，体重减轻后增加。此外，与安慰剂相比，菊粉型果聚糖干预增加肥胖妇女队列中的Bifidobacterium spp 和 Faecalibacterium。最后，在对乳酸菌的益生菌干预研究中也观察到肥胖和代谢紊乱的改善。
菊粉在D1和D4 hum-ob小鼠中的生物学效应具有一些相似之处，但并非全部。菊粉通过降低两组中srebp1和srebp2蛋白的核表达以及脂肪形成基因的mRNA表达降低肝脂质含量。先前的数据显示，在小鼠中，经过简化的人类肠道菌群定植和菊粉处理后，涉及脂肪生成、FA伸长和去饱和的基因减少。在D1小鼠中，我们发现这些变化可以通过菊粉调控肝ACC磷酸化来调节，控制FA的合成和氧化。然而，在D4小鼠中，其机制似乎与ACC无关。这表明菊粉干预可能会促进脂肪变性和肝病的改善，但是取决于最初的微生物组，其背后的分子机制可能不同。仅在D1 hum-ob小鼠中观察到肌肉甘油三酯含量降低和胰岛素敏感性改善，证实两个应答组之间的应答模式不同。再次，将肠道微生物变化与菊粉反应联系起来显示，Butyricimonas，Victivallis和Bilophila与肌脂肪病呈正相关，D1小鼠中有3个属因菊粉减少。
在我们的研究中，chao1丰富度指数在基线时是相似的，菊粉在hum -ob小鼠和人类群体中都没有改变它。先前的研究表明，在健康人中，最初的粪便双歧杆菌数量与菊粉或富含低聚果糖的菊粉导致的双歧杆菌增加量之间呈反比关系，表明菊粉可能在基线时双歧杆菌含量较低的个体中引起更大的代谢反应。在我们的人类队列中，应答者中双歧杆菌属的基线水平并未降低。实际上，在有应答者和无应答者之间，只有3个属在基线上有显著差异，即使基线上的其他细菌似乎推动了两组之间的分离。我们认为，响应的幅度可能受到同时受益生元影响的一部分细菌（而不是一种特定细菌）的影响。与此相符的是，Zhao等人证明了一组短链脂肪酸（SCFA）产生细菌被膳食纤维促进，并且是改善宿主血糖控制的关键。他们鉴定15个产SCFA菌株，分别属于Faecalibacterium、Lactobacillus、Bifidobacterium和Ruminococcus属，这些菌株一方面可以发挥有益的作用，另一方面可以阻止有害细菌。因此，我们在一组应答小鼠中发现prausnitzii、Lactobacillus spp和Bifidobacterium属的增加。
目前的数据表明，肠道菌群的特异性驱动着对菊粉的代谢和微生物反应。选择一种特定的营养策略来处理非酒精性脂肪肝、葡萄糖稳态或肥胖，不仅需要关注最初的肠道菌群，还需要关注肠道菌群被特定的益生元充分修饰的能力。在我们的研究中，患者D4符合菊粉干预的所有“微生物标准”，但对该患者无效，因为他没有遵循饮食和行为建议。其结果是体重和脂肪量的增加，这可能抵消菊粉对代谢紊乱的潜在有益作用。
这意味着成功的饮食干预（即益生元）必须被视为改善代谢健康的工具之一，但患者的积极性仍然至关重要。我们研究的局限性可能是所有人类捐赠者都是女性，而粪便移植仅在雄性小鼠中进行。这是由于之前所有在HFD小鼠中测试菊粉的实验都是在雄性小鼠中进行的，雄性小鼠比雌性小鼠更容易出现代谢紊乱。此外，在人群队列中，菊粉治疗对BMI的改善没有性别差异。
总之，应该为益生元干预开发个性化方法，以针对倾向于产生良好反应并避免不利结果的肥胖患者为目标。在这个复杂的生态系统中，识别菌群是驱动对益生元代谢反应的重要因素，可以给肥胖症患者代谢紊乱的个性化管理提供充分的营养建议。
评论
肠道菌群可作为代谢紊乱的治疗靶标。菊粉作为益生元可减轻肥胖症和相关疾病。本文研究干预前肠道菌群的特征是否决定了对菊粉的生理反应。发现从不同肥胖个体中获得粪便菌群的hum-ob小鼠对高脂肪饮食中菊粉的补充有不同的反应。在hum-ob小鼠中观察到几个细菌属，Barnesiella, Bilophila, Butyricimonas,Victivallis,Clostridium XIVa, Akkermansia, Raoultella 和 Blautia与代谢结果（肥胖和肝脂肪变性减少）相关。该研究表明选择一种特定的营养策略来处理非酒精性脂肪肝、葡萄糖稳态或肥胖，不仅需要关注最初的肠道菌群，还需要关注肠道菌群被特定的益生元充分修饰的能力。在这个复杂的生态系统中，识别菌群是驱动对益生元代谢反应的重要因素，可以给肥胖症患者代谢紊乱的个性化管理提供充分的营养建议。
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