科研 | Science：膳食纤维选择性富集的肠道菌群可缓解2型糖尿病(赵立平教授团队作品)
肠道菌群是一个复杂的微生物生态系统，主要通过短链脂肪酸(SCFA)调节机体健康。SCFA的不足与一些疾病的发生相关，其中包括2型糖尿病(T2DM)。在临床试验中，膳食纤维摄入量的增加缓解了T2DM的疾病表型，但与不同的治疗反应有关。上百种肠道细菌都含有将碳水化合物发酵成SCFA的基因，产生同种SCFA的菌株也显示出对可食用膳食纤维的增加的不同反应。为了改善膳食纤维干预的临床效果，当膳食纤维的增加作为一种新的环境资源时，了解肠道生态中的个体菌株如何反应以及功能团体如何相互作用是非常重要的。
本研究通过膳食纤维干预改变肠道菌群进而分析肠道菌群的动力学及对T2DM病人葡萄糖稳态的影响。
原名：Gut bacteria selectively promoted by dietary fibers alleviate type 2 diabetes
译名：膳食纤维选择性富集的肠道菌群可缓解2型糖尿病
期刊：Science
IF：37.205
发表时间：2018年
通信作者：赵立平
通信作者单位：上海交通大学
1、高膳食纤维饮食可改变肠道菌群并且提高T2DM患者的葡萄糖稳态
将T2DM患者随机分为两组，均用阿卡波糖治疗。U组(16例)为常规治疗，作为对照组；W组(27例)接受高膳食纤维营养干预(WTP饮食)，作为治疗组。
两组病人的血红蛋白A1c(HbA1c)的水平都显著下降，但从第28天开始，W组病人的HbA1c水平有一个更好的下降趋势(图1A)。干预结束时，W组中血糖达到良好控制(HbA1c < 7%)的参与者比例也明显高于U组(89% VS. 50%)(图1B)。虽然在干预结束时两组的血糖水平没有显著的差异，但在第28天时，只有W组的空腹血糖水平显著下降(图1C)，餐后血糖水平也有同样的趋势(图1D)。这表明膳食纤维的干预可以更快的改善糖尿病的临床结果。
图1 A-D分别代表两组病人的HbA1c水平、血糖达到良好控制(HbA1c < 7%)的参与者比例、空腹血糖及餐后血糖的变化
为了确定肠道菌群与膳食纤维改善宿主之间的因果关系，我们将同一个病人的干预前和干预后的肠道菌群移植到无菌小鼠体内。在所有小鼠中，接受W组干预后的病人的肠道菌群的小鼠有一个更低的空腹血糖及餐后血糖水平(图1E)。这表明由膳食纤维调节的肠道菌群有助于改善T2DM患者体内葡萄糖的平衡。
图1 E代表移植两组病人干预前后的肠道菌群的小鼠的血糖水平的变化
通过鸟基因枪法确定膳食纤维如何改变肠道菌群结构。分别取0天、28天、56天和84天时的粪便样品进行分析。从第0天到第28天，两组的基因的丰富度都明显的降低，这一段期间临床症状也是明显改善，在之后没有进一步的变化(图1F)。但在28天后，W组的基因丰富度比U组高(图1F)，这可能和W组有较好的临床结果有关。通过分析肠道菌群的整体结构也表明，从0到28天时，两组的肠道菌群变化显著，之后没有进一步的变化(图1G)。干预结束时，两组肠道菌群的明显的差异反映了高纤维对肠道菌群的独特的调节作用。此外，通过分析表明肠道菌群的改变与临床结果的改善相关。
图1 F和G分别代表两组病人肠道菌群多样性(基因丰富度)及肠道菌群总体结构的变化
2、高纤维饮食可改变T2DM患者体内发酵碳水化合物的肠道菌群
WTP饮食和阿卡波糖都会增加可发酵的碳水化合物的利用性，这使我们关注碳源利用的基因。研究发现干预前后，所有样本中的碳水化合物活性酶(CAZy)基因的差异有很大的差异(图2A)。特别是关于降解淀粉和菊粉的基因在干预后其丰度明显增加。
图2A 碳水化合物活性酶(CAZy)基因的丰度的改变
为了证明我们的中心假设，即摄入高膳食纤维所产生的SCFAs是调节影响宿主葡萄糖稳态的肠道菌群的重要因素。所以，我们检测了涉及这些代谢物产生的基因。结果表明，在W组和U组，产生乙酸的基因明显增加(图2B)，而产生丁酸的基因只在W组中增加(图2C)。同样地，两组样本中乙酸和丁酸的变化趋势与其基因变化的趋势一致。两组中乙酸的变化趋势一致，在28天时显著增加，在之后下降至相同的水平(图2D)，而丁酸只在W组中明显增加了(图2E)。在干预28天时，两组的pH都显著的下降，且之后维持着该水平(图2F)。pH的变化表明了SCFA的增加和肠腔的酸化。研究表明乙酸和丁酸可通过诱导胰高血糖素样肽-1(GLP-1)和多肽YY(PYY)改善体内葡萄糖平衡。本研究结果表明餐后GLP-1曲线面积(AUC)的变化与乙酸和丁酸变化的趋势一致，且W组中的含量高于U组(图2G)。
图2 B-G分别代表编码乙酸关键酶的基因(formate-tetrahydrofolate ligase)、编码丁酸关键酶的基因(butyryl-CoA)、乙酸水平、丁酸水平、粪水pH及胰高血糖素样肽-1(GLP-1)曲线面积(AUC)的变化
3、高膳食纤维选择性地富集了产生SCFA的菌株作为主要的活跃的SCFA生产者
本研究发现15株对高纤维饮食干预有积极反应的菌株，这些菌株在干预28天时其丰度达到最大并在之后保持稳定(图3A)。在W组中，15株菌都含有产乙酸的基因，并且有5株菌具有产丁酸的能力(图3B)。在U组中，只有3株产乙酸的菌增加了(图3C)。这与乙酸和丁酸的变化结果也是一致的。
图3 A代表活跃的SCFA生产者的丰度的变化；B和C分别代表W组和U组中对高纤维饮食干预有积极反应和消极反应的菌株的相关性
4、活跃的SCFA生产者与T2DM病人的代谢结果相关
在W组中，有7株菌与临床参数(至少一种)呈显著的关系(图4A)。产乙酸的Bifidobacterium pseudocatenulatum是本研究中促进SCFA生产的最显著的菌株之一。Bifidobacterium pseudocatenulatum的接种降低了高脂饮食诱导的肥胖的小鼠的体重、脂肪量、空腹血糖和胰岛素耐受性，改善了餐后血糖反应并增加了盲肠中乙酸浓度(图4B)。
图4 A代表生产SCFA主要的菌株与T2DM病人的代谢结果相关性分析图；B代表三组小鼠的血糖的变化，NC代表正常饲养；HFD代表高脂饮食；HFD+C95代表高脂饮食+B. pseudocatenulatum C95
为进一步了解这15株菌如何改善机体代谢健康，基于它们的丰富度和多样性，我们导出一个活性SCFA生产(active SCFA producer，ASP)指数从而进行分析。结果表明W组的ASP指数更高，两组的轨迹相似(图4C)。通过对干预开始和结束时的数据进行分析，结果表明ASP指数与HbA1c呈负相关(图4D)。通过对干预开始及28天时ASP指数的数据和干预开始到结束时HbA1c的数据进行分析，也发现ASP指数与HbA1c呈负相关。这表明干预早期肠道菌群的变化对最后的治疗结果是有益的(图4E)。
图4 C代表ASP指数的变化；D代表ASP指数(day 0 and day 84)和HbA1c (day0 and day 84)的相关性；E代表ASP指数(day 0 and day 28)和HbA1c (day 0 and day 84)的相关性
本研究主要发现了15株对高纤维饮食干预有积极反应的菌株，这些菌株抑制了有害化合物如吲哚和硫化氢的产生者。它们的多样性和丰富度越高，参与者的血红蛋白水平改善的越好。通过具有针对性的恢复这些菌株可能为管理T2DM提供了一种新的生态学方法。
该研究试验设计严谨，结果清晰。对于试验的设计、写作的逻辑及手法都值得学习。感兴趣的朋友可以通过公众号查看原文来获得更多信息。
本文由董小橙编译，董小橙、江舜尧编辑。