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胖不胖问肠道!Nat Med:宏基因+代谢组解析能量平衡与肠道菌群的关联

2020-06-23
中科新生命
2027

全球肥胖症的流行促使人们努力确定影响能量平衡的环境和宿主因素,能量平衡的定义是能量摄入和消耗之间的平衡。虽然卡路里消耗是能量摄入量的关键决定因素,但是个体消化和吸收消耗的膳食基质的能力的不同程度也可能影响能量平衡。人类数据显示,大便中的能量损失大约在摄入热量的2-9%之间变化;然而,导致这种热量变化的机制及生理相关性仍不清楚。

美国国立卫生研究院和加州大学的研究人员在Nature Medicine(IF=30.641)期刊上在线发表了题为“Effects of Underfeeding and Oral Vancomycin on Gut Microbiome and Nutrient Absorption in Humans”的研究论文,研究人员进行了一项长期的住院研究,利用饮食和药物干预措施结合16S rRNA、宏基因组和靶向代谢组学技术,证实减少食物摄入和服用抗生素会导致更大比例摄入能量的流失,并且与肠道菌群组成及代谢产物水平密切相关。

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研究材料

受试者:51名健康志愿者入组,经筛选27名志愿者样本可进行临床试验(31天),最终可进行数据分析23名(4名受试者由于饮食周期描述不清楚被排除在分析之外)

第一阶段:过量和节食干预;第二阶段:万古霉素或安慰剂(NCT02037295)干预。

样本类型:血浆、粪便、尿液样本

技术路线

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主要研究结果

表型确认:营养不足和抗生素会损害机体营养的吸收

本研究分为两个阶段,第一阶段为随机交叉饮食干预:过量进食组(OF,WMD总能量的150%)和进食不足组(UF,WMD总能量的50%)。第二阶段为药物干预:口服万古霉素或安慰剂。口服万古霉素可以降低与体重相关的硬壁菌门的相对丰度,同时保留与有益代谢效应相关的乳酸杆菌。口服万古霉素对健康人的吸收也很小,几乎没有局部或全身副作用。

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第一阶段的研究发现:热量摄入的差异导致营养吸收也出现了显著差异。以流失的百分比计算,UF(过量进食)组能量流失显著高于OF(节食)组(8.9±3.7% vs. 5.8±1.9%),此外,UF组从食物摄入到成为粪便排出体外花费的时间也更短。第二阶段试验表明,万古霉素和安慰剂组志愿者在摄入相同能量的情况下,万古霉素组在绝对能量流失和能量流失百分比上都要显著高于安慰剂组。上述结果证实:营养不足和万古霉素都会导致更大比例的摄入能量的流失。

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组学解析1:肠道菌群特征分析

为深入解析营养不足和万古霉素导致营养流失背后的分子调控机制,研究者采用16S rRNA结合宏基因组学技术以肠道菌群作为切入点,评估了饮食干预和药物干预对肠道微生物群落结构的影响。结果发现饮食和药物干预均能增加了大便热量损失,但是对肠道菌群的影响明显不同,饮食干预对肠道菌群结构的影响较小,而万古霉素对肠道菌群结构的影响较大,且扩增子和宏基因组测序结果是一致性的。尽管存在这些差异,但在这两种干扰下有两种细菌(A. muciniphila和一种隶属于Lachnospiraceae NK4A136尚未确认的种)的变化一致。

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组学解析2:菌群代谢通路分析

为了进一步识别与营养吸收相关的特定细菌基因、蛋白酶和代谢途径对宿主的相互作用机制。通过分析KEGG代谢途径发现,饮食干预组无显著差异,而万古霉素和安慰剂组发现了三条代谢途径存在显著差异,分别是丙酮酸发酵为丁酸、乙酰丁酸梭菌产酸发酵超途径与糖发酵产短链脂肪酸—丁酸盐途径。揭示万古霉素治疗期间肠道菌群可能会减少丁酸的产生或细菌代谢。

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组学解析3:关键调控代谢物分析

为进一步揭示菌群—宿主的相互作用机制,研究者采用靶向代谢方法检测干预后宿主血浆中短链脂肪酸和胆汁酸的含量变化,结果发现:在OF(节食)期间,胰高血糖素样肽-1(GLP-1)、瘦素(Leptin)显著增加,UF(过量进食)期间,胰高血糖素样肽-2(GLP-2)显著减少,丁酸盐在UF(过量进食)和口服万古霉素之后显著降低,次级胆汁酸脱氧胆酸在两次干预后也显著降低,丁酸盐是肠道微生物代谢的终产物,血浆丁酸盐的水平也是肠道微生物对摄入营养物质的利用能力的一个标志物。

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小编小结

本研究利用饮食和药物干预措施,纵向研究证实营养不足和抗生素影响能量摄入与流失比例;进一步结合16S rRNA、宏基因组和靶向代谢组学技术解析肠道菌及代谢小分子在能量流失的分子调控机制,揭示营养不足和抗生素影响人体肠道菌群多样性和结构组成,并且通过菌群代谢物和调节肠道屏障功能,从而调控机体营养吸收的状态。