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文獻(xiàn)分享丨Nat Med腸道菌群可干預(yù)肥胖
在我國(guó)，糖尿病、心腦血管疾病等慢性代謝性疾病的患病率逐年攀升。肥胖與超重是導(dǎo)致慢性代謝紊亂的主要病因。減肥日益成為大眾廣泛關(guān)心的健康問(wèn)題，如何能夠找到安全有效的減肥靶點(diǎn)是目前亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。腸道菌群與人類(lèi)多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)。西方人群研究表明，肥胖人群存在腸道菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)，細(xì)菌多樣性下降，然而在菌種水平導(dǎo)致肥胖發(fā)生的細(xì)菌仍所知甚少，中國(guó)肥胖人群腸道菌群特征又如何？如何影響人體代謝水平？是否可以利用腸道共生菌開(kāi)發(fā)減肥藥物？
上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院王衛(wèi)慶教授團(tuán)隊(duì)以中國(guó)漢族青少年為研究對(duì)象，首次揭示中國(guó)肥胖人群的腸道菌群組成，發(fā)現(xiàn)一個(gè)能抑制肥胖的腸道微生物-多形擬桿菌（Bacteroides thetaiotaomicron），并闡述了其對(duì)代謝物氨基酸水平的影響，該研究成果以“Gut microbiome and serum metabolome alterations in obesity and after weight-loss intervention”（肥胖及減肥干預(yù)后腸道菌群和血清代謝物改變）為題于2017年6月19日在線發(fā)表在Nature Medicine上。原文鏈接：https://doi.org/10.1038/nm.4358。
研究思路
在青少年肥胖-正常體重人群隊(duì)列（GOCY研究）中選擇樣本，開(kāi)展腸道菌群宏基因組測(cè)序并進(jìn)行深度解析，首次揭示中國(guó)青少年肥胖的腸道菌群組成，發(fā)現(xiàn)一系列豐度顯著異于正常人群的腸道共生菌，其中多形擬桿菌豐度在肥胖人群明顯下降，進(jìn)一步通過(guò)代謝組學(xué)分析血清代謝物水平，發(fā)現(xiàn)肥胖人群中谷氨酸的含量顯著高于正常體重人群，并且其含量與多形擬桿菌數(shù)量呈反比。進(jìn)一步通過(guò)小鼠灌胃實(shí)驗(yàn)研究證明多形擬桿菌能夠降低降低小鼠血清谷氨酸濃度，增加脂肪細(xì)胞的脂肪分解和脂肪酸氧化過(guò)程，從而降低脂肪堆積，延緩體重增長(zhǎng)速度、降低肥胖度。為了進(jìn)一步證明多形擬桿菌在減肥獲益中的作用，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了接受減重手術(shù)（袖狀胃切除術(shù)）的肥胖患者手術(shù)前后的腸道菌群改變，發(fā)現(xiàn)肥胖患者腸道內(nèi)下降的多形擬桿菌在減重手術(shù)3月后即明顯升高，恢復(fù)至正常體重人群水平，同時(shí)，術(shù)后血清谷氨酸水平亦明顯下降至接近正常體重人群水平。這些研究結(jié)果提示，多形擬桿菌水平的恢復(fù)可能有助于肥胖患者的減重過(guò)程。
通過(guò)元基因組關(guān)聯(lián)研究確定肥胖相關(guān)基因和分類(lèi)學(xué)改變
我們對(duì)257個(gè)糞便樣本進(jìn)行了鳥(niǎo)槍定序法分析（第一隊(duì)列中來(lái)自72個(gè)肥胖個(gè)體和79個(gè)瘦對(duì)照的151個(gè)樣本，第二隊(duì)列中來(lái)自23個(gè)肥胖個(gè)體和26個(gè)對(duì)照的49個(gè)樣本，以及來(lái)自23個(gè)肥胖個(gè)體的63個(gè)樣本，包括6個(gè)接受sg的病例組）。我們發(fā)現(xiàn)這些年輕、肥胖的個(gè)體的基因計(jì)數(shù)和細(xì)菌多樣性低于對(duì)照組（圖1a-c），表明肥胖方面的基因豐富度較低而與種族或年齡無(wú)關(guān)。還觀察到肥胖微生物組的β多樣性較高，表明肥胖個(gè)體的群落結(jié)構(gòu)比瘦對(duì)照組更為異質(zhì)（圖1d）。使用宏基因組關(guān)聯(lián)分析，使用全基因組關(guān)聯(lián)分析，我們確定了350524個(gè)與肥胖相關(guān)的基因（P<0.01，Wilcoxon秩-總和測(cè)試，F(xiàn)DR=0.047）。關(guān)聯(lián)分析也顯示P肥胖相關(guān)基因顯著富集的價(jià)值分布具有低P值的標(biāo)記，表明這些基因與肥胖有關(guān)。我們確定了一個(gè)由MLG組成的細(xì)菌群落，多形擬桿菌、單形、卵形類(lèi)桿菌、類(lèi)桿菌，在瘦的對(duì)照組中顯著富集（圖1e）。
圖1正常體重人群（左）和肥胖人群（右）的腸道菌群組成差異
腸道微生物種類(lèi)與臨床指標(biāo)的相關(guān)性
為了確定臨床參數(shù)與肥胖患者腸道微生物組變化之間的相關(guān)性，我們進(jìn)行了排列方差分析（PERMANOVA）。我們發(fā)現(xiàn)BMI和27個(gè)代謝參數(shù)，包括HbA1c、胰島素抵抗穩(wěn)態(tài)模型評(píng)估（HOMA-IR）、血脂濃度、炎癥因子和脂肪因子，與腸道微生物組的改變相關(guān)（調(diào)整后P<0.05；）。在151名受試者的測(cè)試集中，26名MLG與BMI表現(xiàn)出最佳擬合（偽R2=0.59），在另外49名受試者的測(cè)試集中保持穩(wěn)定（偽R2=0.36）（圖2a）。在最適合BMI的富含對(duì)照的MLG中，美洲雙歧桿菌、腸雙歧桿菌和卵形雙歧桿菌的MLG排名最高（圖2a）。與受試者測(cè)試集中的肥胖個(gè)體相比，這些物種在對(duì)照組中也高度富集。
瘦素和脂聯(lián)素是兩種脂肪細(xì)胞衍生的激素，腸道微生物群定植后循環(huán)瘦素濃度增加。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，普氏擬青霉和擬青霉微粒與循環(huán)瘦素濃度呈負(fù)相關(guān)，與循環(huán)脂聯(lián)素濃度呈正相關(guān)。D. longicatena與循環(huán)瘦素濃度呈正相關(guān)，與循環(huán)脂聯(lián)素濃度呈負(fù)相關(guān)（隨機(jī)森林回歸和Spearman相關(guān)值<-0.3或>0.3；圖2b），表明這些物種可能構(gòu)成連接腸道微生物群和代謝狀態(tài)的潛在生物標(biāo)記物。
圖2腸道微生物種類(lèi)與臨床指標(biāo)的相關(guān)性
肥胖微生物群落的功能特征
我們確定了至少六個(gè)樣本中存在的5705個(gè)京都基因和基因組百科全書(shū)（KEGG）直系同源物（KO），其中584個(gè)KO在瘦和肥胖受試者之間的豐度不同（P<0.01）。
1）腸道微生物種類(lèi)與宿主循環(huán)代謝產(chǎn)物的關(guān)系
為了研究肥胖漢族人群中改變的微生物組與宿主循環(huán)代謝產(chǎn)物的關(guān)系，我們對(duì)病例和對(duì)照組的血清進(jìn)行了非靶向代謝組學(xué)分析。與對(duì)照組相比，肥胖個(gè)體表現(xiàn)出明顯的代謝改變。我們確定了148種代謝物，這些代謝物在病例和對(duì)照組之間的豐度不同，這使得病例和對(duì)照組能夠明確分離。在一組單獨(dú)的病例和對(duì)照組中，驗(yàn)證了148種代謝物對(duì)病例和對(duì)照組的區(qū)分。其中，從結(jié)構(gòu)上確定了13種代謝物，包括谷氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸。氨基酸的靶向代謝組學(xué)分析進(jìn)一步證實(shí)了瘦型和肥胖型個(gè)體之間豐度的差異。總的來(lái)說(shuō)，34種氨基酸中20種的血清濃度在肥胖個(gè)體和瘦對(duì)照組之間存在顯著差異。為了進(jìn)一步研究循環(huán)代謝物豐度的改變是否與腸道微生物群的改變相關(guān)，我們使用共慣性分析（CIA）發(fā)現(xiàn)217個(gè)MLG和148個(gè)代謝物之間的共變異，這些代謝物在病例和對(duì)照組之間豐度不同。在典型對(duì)應(yīng)分析（CCA）中，酪氨酸、苯丙氨酸、谷氨酸和支鏈氨基酸的載體上清楚地分離了酪氨酸富集型和對(duì)照富集型MLG，表明這些氨基酸與肥胖中改變的微生物群密切相關(guān)。這些氨基酸與類(lèi)桿菌的種類(lèi)呈負(fù)相關(guān)，包括類(lèi)桿菌、腸桿菌、卵形桿菌和均形桿菌（斯皮爾曼相關(guān)，調(diào)整后P<0.05；圖3a）。據(jù)報(bào)道，大葉雙歧桿菌和卵形雙歧桿菌能夠發(fā)酵AAA產(chǎn)生苯乙酸。綜上所述，我們的結(jié)果表明，肥胖患者腸道微生物群的改變，特別是類(lèi)桿菌屬物種的減少，可能與循環(huán)中AAA和BCAA濃度較高有關(guān)。
在檢測(cè)到的氨基酸中，與瘦對(duì)照組相比，谷氨酸在肥胖個(gè)體中表現(xiàn)出最顯著的增加。谷氨酸與16種富含肥胖的MLG呈正相關(guān)，與18種含有編碼谷氨酸代謝相關(guān)酶的基因的對(duì)照富含MLG呈負(fù)相關(guān)（圖3a）。值得注意的是，富含肥胖癥的瘤胃球菌（obesitynriched ruminocococus sp.）、D. longicatena和C.comes以及OB-8293，它們擁有編碼從谷氨酰胺中產(chǎn)生谷氨酸所需酶的基因（圖3b），與循環(huán)谷氨酸水平正相關(guān)，與谷氨酰胺水平負(fù)相關(guān)。這些觀察結(jié)果提示循環(huán)中谷氨酸和谷氨酰胺的水平可能反映了這些細(xì)菌種類(lèi)豐度的變化。
此外，血清谷氨酸與多形擬桿菌的豐度呈負(fù)相關(guān)（圖3a），多形擬桿菌具有編碼谷氨酸脫羧酶的基因（K01580，谷氨酸轉(zhuǎn)化為GABA；圖3b）。這些結(jié)果表明，多形擬桿菌的缺失可能導(dǎo)致肥胖患者血液中谷氨酸濃度升高。此外，血清谷氨酸濃度與肥胖特征呈正相關(guān)，如BMI、WHR、waist circumstance,、HOMA-IR、hsCRP和三酰甘油。總之，這些數(shù)據(jù)表明，腸道微生物種類(lèi)的氨基酸代謝可能調(diào)節(jié)與肥胖及其代謝并發(fā)癥相關(guān)的循環(huán)氨基酸水平。
圖3腸道微生物種類(lèi)與循環(huán)氨基酸的關(guān)系
2）形擬桿菌對(duì)肥胖和宿主代謝的影響
多形擬桿菌是人類(lèi)腸道中的優(yōu)勢(shì)菌群，它的消耗和肥胖以及血清中的氨基酸濃度相關(guān)。基于此，我們研究了腸道中的多形擬桿菌與宿主肥胖之間的可能因果關(guān)系。使用未經(jīng)熱處理的活的多形擬桿菌灌胃，顯著降低常規(guī)飼養(yǎng)小鼠的總體和腹股溝脂肪量并增加了瘦組的體重（圖4a-c）。進(jìn)一步，該措施會(huì)減輕高脂肪飲食喂養(yǎng)的小鼠的體重的增加和肥胖（圖4d-f）。與用磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）或熱滅活多形擬桿菌灌胃的HFD小鼠相比，用活多形擬桿菌灌胃的HFD小鼠的脂聯(lián)素血漿濃度較高，而瘦素血漿濃度較低（圖4g、h）。曾經(jīng)關(guān)于白色脂肪組織的研究表明，給予活的多形擬桿菌比給予PBS（磷酸緩沖鹽水）和未經(jīng)熱處理的活的多形擬桿菌的脂肪細(xì)胞更小（圖4i，j）。此外，與脂肪生成有關(guān)的編碼蛋白質(zhì)的基因（包括Srebf1、Scd1和Fasn）的mRNA水平在灌胃活多形擬桿菌的高脂肪飲食喂養(yǎng)的小鼠的白色脂肪組織中較低，而與脂肪分解和脂肪酸氧化有關(guān)的基因（包括Adrb3、Pnpla2、Cpt2、Acox1和Ppargc1a）的表達(dá)較高（圖4k）。高脂肪飲食喂養(yǎng)的小鼠脂肪組織中炎癥標(biāo)記物Cd68、Ccl2、Il6和Il1b的表達(dá)因灌胃活的多形擬桿菌而減弱，表明炎癥狀態(tài)有所改善（圖4l）。然而，我們觀察到三組的空腹血糖或胰島素濃度及脂肪組織中磷酸化AKT水平?jīng)]有顯著差異。喂飼多形擬桿菌對(duì)食物攝入和24小時(shí)糞便熱量含量均無(wú)影響）。值得注意的是，我們檢測(cè)到，與用PBS灌胃的高脂肪飲食喂養(yǎng)的小鼠相比，用活的多形擬桿菌灌胃的HFD小鼠的循環(huán)氨基酸豐度較低，包括谷氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸和纈氨酸（圖4m）。值得注意的是，有報(bào)道稱(chēng)谷氨酸可誘導(dǎo)脂肪分解減少和脂肪細(xì)胞增大從而引起肥胖。
16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序顯示，與用PBS或熱滅活多形擬桿菌灌胃的小鼠相比，用活多形擬桿菌灌胃的小鼠的腸道微生物群組成只有輕微變化，并且在厚壁菌的豐度或擬桿菌/厚壁菌的比率方面沒(méi)有觀察到差異。值得注意的是，我們觀察到與用PBS灌胃的小鼠相比，用活多形擬桿菌灌胃的小鼠的腸道中多形擬桿菌的豐度要高得多。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明多形擬桿菌保護(hù)小鼠免受飲食誘導(dǎo)的肥胖，并影響循環(huán)氨基酸濃度。
圖4多形擬桿菌對(duì)肥胖和宿主代謝的影響
3）袖狀胃切除術(shù)對(duì)腸道微生物和代謝參數(shù)的影響
為了進(jìn)一步研究腸道微生物群、循環(huán)氨基酸和臨床表型之間的關(guān)系，我們接下來(lái)分析了23名肥胖個(gè)體在SG后0個(gè)月、1個(gè)月和3個(gè)月的這些參數(shù)。體重減輕伴隨著代謝改善。我們使用基于病例對(duì)照隊(duì)列中MLG相對(duì)豐度的隨機(jī)森林分類(lèi)器來(lái)區(qū)分肥胖個(gè)體和瘦個(gè)體。使用151個(gè)個(gè)體的訓(xùn)練集，我們獲得了接收器工作特性（ROC）曲線（AUC）下的面積為0.9687，使用49個(gè)個(gè)體的測(cè)試集獲得了0.9214。使用與肥胖狀態(tài)相關(guān)的同一分類(lèi)器進(jìn)行的分析表明，SG后肥胖個(gè)體的腸道微生物組接近瘦個(gè)體（圖5a）。主坐標(biāo)分析還顯示，0M、1M和3M處的樣本從肥胖菌群轉(zhuǎn)移到對(duì)照組。此外，在SG后3M，腸道微生物組的基因計(jì)數(shù)和α多樣性顯著增加。1M基因計(jì)數(shù)的短暫減少可能反映了SG后第一個(gè)月的飲食變化。這些數(shù)據(jù)表明，在SG和體重減輕后，肥胖個(gè)體中的微生物組與瘦對(duì)照組中的微生物組更為相似。
圖5袖狀胃切除術(shù)干預(yù)減肥過(guò)程中微生物及代謝變化
總結(jié)
越來(lái)越多的證據(jù)表明腸道微生物群作用于肥胖的發(fā)展。這項(xiàng)研究結(jié)合隊(duì)列人群、動(dòng)物及臨床干預(yù)等多層次證據(jù)，證明多形擬桿菌有望成為新的益生菌研發(fā)靶點(diǎn)，用于減肥藥物或食品研發(fā)；該工作為未來(lái)針對(duì)中國(guó)人減肥藥物的研究提供了全新的方向和候選菌株。
