3月9日，由上海交通大學(xué)趙立平教授與其團(tuán)隊成員張晨虹、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院彭永德團(tuán)隊合作在Science雜志上發(fā)表了題為“Gut bacteria selectively promoted by dietary fibers alleviate type 2 diabetes”的研究論文，發(fā)現(xiàn)了高膳食纖維在2型糖尿病患者腸道中富集了一組特定的短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌，證明了產(chǎn)生該種菌的豐度和多樣性越高，通過增加胰高血糖素樣肽-1分泌使受試者糖化血紅蛋白改善得也越好。而以恢復(fù)這些短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌為目標(biāo)的營養(yǎng)干預(yù)為2型糖尿病提供了新的基于生態(tài)學(xué)原理的防控方法。
腸道菌群是一個復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，包含了數(shù)百種細(xì)菌。人體保持健康的關(guān)鍵在于同這個生活在自己身體里的微生物生態(tài)系統(tǒng)保持友好互利的“共生關(guān)系”。“腸道細(xì)菌發(fā)酵膳食纖維為宿主提供短鏈脂肪酸”是最能體現(xiàn)這種“人-菌”共生關(guān)系的例子。人的食物里有一類自己不能消化吸收的碳水化合物，俗稱“膳食纖維”，看似對人體無用，卻可以促進(jìn)一類腸道有益菌的生長。這些有益菌利用膳食纖維獲得生長需要的能量，然后釋放出一類叫“短鏈脂肪酸”的代謝物。短鏈脂肪酸對人體健康很重要。例如，可以給人的腸道細(xì)胞提供生長需要的能量，可以幫助人體消除炎癥，也可以增加飽腹感等等。
腸道里短鏈脂肪酸生產(chǎn)不足與很多疾病有關(guān)，包括2型糖尿病的發(fā)生發(fā)生。很多臨床研究發(fā)現(xiàn)，通過增加食物里的膳食纖維可以改善2型糖尿病，但是不同研究的治療效果差別很大。這是因?yàn)?，腸道里有數(shù)百種細(xì)菌都能把碳水化合物發(fā)酵變成短鏈脂肪酸，而最新的這項(xiàng)研究表明：同一“種”細(xì)菌里的不同菌株對增加膳食纖維的反應(yīng)是不一樣的。
“想要提高膳食纖維改善糖尿病的臨床效果，就一定得把下列問題搞清楚才行。”
腸道生態(tài)系統(tǒng)的成員面對增加的碳水化合物新資源時，在菌株水平會做出什么樣的反應(yīng)？相互之間會是何種“相生相克”的關(guān)系？哪些成員對疾病的改善是真正有貢獻(xiàn)的？
為了回答上述問題，趙立平研究團(tuán)隊用多方面、多層次的研究結(jié)果進(jìn)行了回答。
01
高膳食纖維干預(yù)糖尿病的效果
研究人員把二型糖尿病患者隨機(jī)分成了二組（U組和W組）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。U組（n=16）的患者是常規(guī)治療組，接受2013年版的中國糖尿病學(xué)會患者教育和膳食指南的指導(dǎo)；W組（n=27）的患者接受一種高滲高膳食纖維的營養(yǎng)干預(yù)，兩組患者都是用阿卡波糖（一種α淀粉酶抑制劑，可以減少淀粉的消化，把食物中的部分淀粉，轉(zhuǎn)變成“膳食纖維”）作為標(biāo)準(zhǔn)藥物。這樣W組比U組只顯著增加了結(jié)構(gòu)多樣化的膳食纖維，膳食總能量和大量營養(yǎng)素的攝入在兩組間沒有顯著差別。
兩組患者的臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在腸道里增加人不能消化但是細(xì)菌可以發(fā)酵的碳水化合物是足以引起2型糖尿病患者諸多臨床指標(biāo)改善（糖化血紅蛋白、空腹血糖、體重、血脂），僅通過使用阿卡波糖增加進(jìn)入結(jié)腸的淀粉就可以改善疾病。重要的是，研究表明額外增加大量的結(jié)構(gòu)多樣化的膳食纖維，可以獲得更快速、更顯著的臨床指標(biāo)的改善。
02
菌群變化對疾病改善有沒有貢獻(xiàn)？
W組只比U組增加了多樣化的膳食纖維，而膳食纖維只有腸道細(xì)菌可以發(fā)酵利用。既然膳食纖維帶來了臨床指標(biāo)的改善，那菌群在這個過程中有沒有貢獻(xiàn)？為了回答這個問題，研究人員把同一個患者干預(yù)前和干預(yù)結(jié)束時的菌群移植到了無菌小鼠的腸道內(nèi)。結(jié)果顯示，接受了W組供體干預(yù)后菌群的無菌小鼠的空腹血糖和餐后血糖是所有受體小鼠里最低的，與W組的臨床指標(biāo)改善優(yōu)于U組是呼應(yīng)的。此外，臨床試驗(yàn)的效應(yīng)可以通過糞菌移植轉(zhuǎn)移到受體小鼠中，為膳食纖維引起的腸道菌群的變化與疾病的改善存在“因果關(guān)系”提供了有力的證據(jù)。
03
菌群的整體結(jié)構(gòu)有何變化？
為研究增加膳食纖維如何改變腸道菌群的整體結(jié)構(gòu)，研究人員對干預(yù)過程中四個時間點(diǎn)（0天，28天，56天和84天）采集的全部172個糞便樣品進(jìn)行鳥槍法元基因組測序，總共獲得4,893,833個非冗余微生物基因。值得注意的是，基因的豐富度（樣本中基因的數(shù)量）從0天到28天發(fā)生顯著下降，并且在后續(xù)時間點(diǎn)沒有進(jìn)一步變化，這與生理指標(biāo)的變化趨勢一致，這與其他研究指出的“微生物組基因總體的多樣性高預(yù)示著較好的健康狀況”不一致。然而，28天后W組基因的豐富度比U組高，與之相應(yīng)的是W組臨床指標(biāo)改善更多。通過Canopy算法，計算出兩個組的腸道菌群整體結(jié)構(gòu)從0天到28天都發(fā)生了顯著變化，并且在后續(xù)干預(yù)中沒有進(jìn)一步發(fā)生變化。在干預(yù)結(jié)束時（84天），W組和U組腸道菌群有顯著差異，說明干預(yù)中的高膳食纖維顯著影響了腸道菌群，而腸道菌群的結(jié)構(gòu)變化與生理指標(biāo)的改善之間存在顯著相關(guān)。
04
菌群在基因水平上的變化主要體現(xiàn)在降解碳水化合物的基因上
為了在基因水平分析元基因組測序數(shù)據(jù)來揭示腸道菌群功能變化在宿主臨床指標(biāo)改善中的潛在貢獻(xiàn)，研究人員聚焦于碳水化合物利用相關(guān)的基因。總共有192,236個編碼碳水化合物活性酶（carbohydrate-active enzymes, CAZy）的基因被鑒定出來，并劃分到315個CAZy基因群中。分析發(fā)現(xiàn)，干預(yù)前后的樣本中CAZy基因譜存在顯著差異。在參與不同碳水化合物底物代謝的基因中，那些參與淀粉和菊粉分解的基因經(jīng)干預(yù)后在兩組受試者腸道中顯著增加，而參與利用果膠酯和粘液素的基因則顯著減少，兩組的不同干預(yù)方式也影響了碳水化合物代謝能力。上述數(shù)據(jù)說明，與整體菌群基因豐富度相比，像碳水化合物利用這樣的特定基因豐富度，更能反映與宿主健康相關(guān)的菌群的變化。
05
菌群在基因水平上的響應(yīng)——被富集者、被抑制者與無響應(yīng)者
既然短鏈脂肪酸相關(guān)功能基因?qū)Ω呱攀忱w維干預(yù)具有不同響應(yīng)模式，那么攜帶這些短鏈脂肪酸產(chǎn)生基因的細(xì)菌對碳水化合物增加會如何響應(yīng)呢？為了回答這個問題，研究人員組裝了154個高質(zhì)量細(xì)菌基因組草圖，注釋每個菌株的功能，并在菌株水平分析菌群組成的變化。最終，經(jīng)過功能基因注釋，發(fā)現(xiàn)47個菌株干預(yù)后顯著降低，是“被抑制者”，15個菌株干預(yù)后顯著增加，是“被富集者”。被豐富多樣的可發(fā)酵碳水化合顯著富集的這15個菌株是在接受高膳食纖維干預(yù)的2型糖尿病患者腸道中主要的、有活性的短鏈脂肪酸產(chǎn)生者，而高膳食纖維促進(jìn)丁酸產(chǎn)生通路增加和丁酸產(chǎn)量的上升僅在W組中出現(xiàn)。上述結(jié)果表明，高膳食纖維增加的腸道里短鏈脂肪酸最有可能是這些菌提供的，因此，它們對宿主代謝改善作出的貢獻(xiàn)也最大。
06
被膳食纖維選擇性富集的細(xì)菌對菌群變化的貢獻(xiàn)
在鎖定了上述15個被顯著富集的細(xì)菌群之后，研究人員分析了其與腸道生態(tài)系統(tǒng)中其他成員之間的關(guān)系。這15個被富集者相比于其他的短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌有更強(qiáng)的生態(tài)競爭力，很可能是由于其利用淀粉、菊粉和阿拉伯木聚糖的基因潛能高，發(fā)酵同樣底物的能量和短鏈脂肪酸產(chǎn)生效率高，以及對于腸道低pH值的耐受能力強(qiáng)。研究結(jié)果表明，這些被富集的細(xì)菌很可能是通過發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生短鏈脂肪酸來改變腸道環(huán)境，抑制有害菌的生長，從而構(gòu)建一個“健康”的腸道系統(tǒng)。當(dāng)這些短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌維持一定的種群水平時，它們的代謝物能夠創(chuàng)造一個積極的腸道環(huán)境（比如減低腸道pH，增加丁酸鹽水平，以及強(qiáng)化競爭性抑制），從而壓低病菌及有害菌生長，支持宿主的健康。
07
被富集集者與人體疾病指標(biāo)的關(guān)系
分析腸道關(guān)鍵細(xì)菌與宿主疾病表型發(fā)現(xiàn)，在W組中7個被富集者與至少一個臨床指標(biāo)顯著相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，能夠產(chǎn)生乙酸的Bifidobacterium pseudocatenulatum是該研究中被顯著富集的短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌之一。接種B. pseudocatenulatum strain C95能夠顯著減少高脂飼養(yǎng)小鼠的體重、體脂、空腹血糖和胰島素抵抗，改善餐后血糖反應(yīng)，并且增加盲腸乙酸的含量。此外，用W組2型糖尿病患者干預(yù)前的菌群建立的悉生動物模型中，接種B. pseudocatenulatum strain C95能夠顯著降低空腹血糖。
為進(jìn)一步理解被富集者作為一個功能群如何影響宿主代謝健康，研究人員根據(jù)上述15個高膳食纖維富集的短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌的豐度和多樣性計算了活躍短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌指數(shù)（ASP指數(shù)）。ASP指數(shù)在干預(yù)過程中，W組始終高于U組，呼應(yīng)了W組更多的臨床表現(xiàn)。值得注意的是，ASP指數(shù)在28天達(dá)到最高，在后續(xù)干預(yù)中不再改變。腸道菌群的快速響應(yīng)并達(dá)到峰值，腸道生態(tài)系統(tǒng)的新產(chǎn)物是宿主代謝緊隨其后發(fā)生變化，這樣的時序差異不僅意味著膳食纖維改變的腸道菌群是宿主代謝健康改善的原因，而且給了我們一個以菌群為靶點(diǎn)早期預(yù)測膳食干預(yù)效果的窗口期。
08
意義與展望
總的來說，趙立平團(tuán)隊的這項(xiàng)研究用了大量的結(jié)構(gòu)多樣化的膳食纖維去擾動糖尿病患者的腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)，然后用菌株水平的“全微生物組關(guān)聯(lián)分析”方法系統(tǒng)研究腸道菌群的動態(tài)變化，以及這種變化對2型糖尿病患者糖穩(wěn)態(tài)的影響，并鑒定出了一組特定的短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌，弄清楚了它們通過升高短鏈脂肪酸改善了2型糖尿病。這樣的變化不僅恢復(fù)了菌群與人體之間互利共生的關(guān)系，同時也壓低了能產(chǎn)生有毒物質(zhì)損害代謝健康的細(xì)菌，恢復(fù)了健康的菌群結(jié)構(gòu)。
有意思的是，盡管為腸道菌群提供了化學(xué)結(jié)構(gòu)多樣的可發(fā)酵碳水化合物，但在所有具備利用碳水化合物產(chǎn)生短鏈脂肪酸的細(xì)菌中，只有一小部分能夠從這些新的營養(yǎng)中獲益，并成為主要的短鏈脂肪酸提供者。這一組細(xì)菌“以類似的方式，利用相同的環(huán)境資源”，可能可以認(rèn)為是生態(tài)學(xué)上的“功能群（guild）”。與通常的以分類地位為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析方式不同，這樣的以功能群為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析方式，為微生物組數(shù)據(jù)降維提供了更加符合生態(tài)學(xué)意義的方式，幫助我們更好地鑒別出與人體健康和疾病相關(guān)的腸道菌群重要功能成員。
通過增加功能活躍的“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)者”來恢復(fù)或增強(qiáng)腸道生態(tài)系統(tǒng)中失去或減少的重要功能，是重建健康腸道菌群的關(guān)鍵，從而幫助宿主改善疾病表型。以這些活躍的短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌為靶點(diǎn)進(jìn)行個性化營養(yǎng)干預(yù)很可能是通過調(diào)控腸道菌群防治2型糖尿病的生態(tài)學(xué)新手段，也要推廣到其他相關(guān)疾病防治中去的潛力。
參考文獻(xiàn)：
1、Liu, R., Hong, J., Xu, X., Feng, Q., Zhang, D., Gu, Y., ... & Xia, H. (2017). Gut microbiome and serum metabolome alterations in obesity and after weight-loss intervention. Nature medicine, 23(7), 859.
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