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導(dǎo)讀  

膳食纖維是健康飲食不可分割的一部分，但有關(guān)腸道菌群的作用機(jī)制和因果貢獻(xiàn)的問題仍然存在。本研究對超重成人(BMI：25-35 kg/m2)進(jìn)行了為期6周的探索性試驗(yàn)，以比較高劑量(女性：25 g/d；男性：35 g/d)補(bǔ)充可發(fā)酵玉米麩阿拉伯木聚糖(AX；n=15)與微生物群無法代謝的微晶纖維素(MCC；n=16)的效果。評估與肥胖病理生理學(xué)相關(guān)的宿主-微生物相互作用的替代終點(diǎn)和生物標(biāo)志物(氧化三甲胺、腸道激素、細(xì)胞因子和腸道屏障完整性測量)。然后，確定是否可以通過糞便微生物群特征或機(jī)械生物標(biāo)志物預(yù)測臨床結(jié)果。結(jié)果表明，AX增強(qiáng)餐后飽腹感，降低穩(wěn)態(tài)模型評估的胰島素抵抗(HOMA?IR)，而MCC降低腫瘤壞死因子α和糞便鈣衛(wèi)蛋白。機(jī)器學(xué)習(xí)模型確定，利用AX的糞便細(xì)菌類群可以預(yù)測對飽腹感的影響。HOMA?IR和鈣衛(wèi)蛋白的降低與糞便膽汁酸的變化相關(guān)，但為負(fù)相關(guān)性，表明纖維的益處可能不是通過其對膽汁酸池的影響介導(dǎo)的。與不易獲得的MCC相比，AX補(bǔ)充對宿主-微生物群相互作用的生物標(biāo)志物(與纖維發(fā)酵產(chǎn)生的細(xì)菌代謝物(短鏈脂肪酸)相關(guān))沒有影響。本研究證明了純化膳食纖維作為補(bǔ)充劑的功效，并表明AX的飽腹效應(yīng)可能與發(fā)酵纖維或利用分解產(chǎn)物的細(xì)菌類群有關(guān)；其他影響可能與微生物組無關(guān)。這些結(jié)果為纖維類型的特異性治療應(yīng)用及其個性化提供了基礎(chǔ)。  

論文ID

原名：Elucidating the role of the gut microbiota in the physiological effects of dietary fiber

譯名：闡明腸道微生物群在膳食纖維生理效應(yīng)中的作用

期刊：Microbiome

IF：16.837

發(fā)表時間：2022.5

通訊作者：Edward C. Deehan，Jens Walter

通訊作者單位：加拿大阿爾伯塔大學(xué)

DOI號：10.1186/s40168-022-01248-5

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)果

1 參與者基線特征    

為了比較高劑量(女性：25克/天；男性：35克/天)和高純度(>80膳食纖維)的AX和MCC補(bǔ)充劑對人類健康的影響，研究人員對超重成年人進(jìn)行了一項(xiàng)單盲、平行組、為期6周的隨機(jī)對照探索性試驗(yàn)(圖1)。共有31名年齡為32.9 ± 8.5歲、BMI為28.7±2.3 kg/m2的參與者(AX:10F和5M；MCC:11F和5M)完成了研究方案，并被納入統(tǒng)計(jì)分析。補(bǔ)充AX和MCC的平均方案依從性分別為94.7 ± 6.5%和95.0 ± 5.6%(補(bǔ)充文件1：圖S1)?；€時各組之間未檢測到年齡、性別、替代終點(diǎn)或其他研究變量的差異(基準(zhǔn)線特征見附加文件2：表S1)。

圖1 隨機(jī)對照試驗(yàn)的研究設(shè)計(jì)。

ASA24-Canada，加拿大版的基于網(wǎng)絡(luò)的自動自我管理24小時膳食評估工具；糞便特征、自我報(bào)告的糞便稠度和排便頻率。    

2 膳食攝入量    

與基線水平相比，在補(bǔ)充AX和MCC的過程中，膳食纖維攝入量分別增加了142%和171%(AX和MCC的p = 0.0002，置換t檢驗(yàn))，組間無差異。這對應(yīng)于AX和MCC從21 ± 6和19 ± 8克/天分別增加到46±12和44±8克/天(補(bǔ)充文件3：表S2)。有趣的是，在補(bǔ)充AX(p = 0.04)期間，糖的消耗量也增加了35%，而在補(bǔ)充MCC(p = 0.03)期間，糖的消耗量增加了46%，這可能是因?yàn)閰⑴c者將粉末狀補(bǔ)充劑加入到含有糖的食物和飲料中，如酸奶和水果冰沙。各組之間未發(fā)現(xiàn)差異(p > 0.1)，表明兩組參與者的飲食變化相似。    

3 AX和MCC的生理效應(yīng)有顯著差異    

主成分分析對飽腹感和替代終點(diǎn)的排序顯示，AX組和MCC組在基線時沒有差異(p = 0.77，置換多元方差分析；圖2A)。相比之下，從基線到第6周，各治療組的變量變化表現(xiàn)出強(qiáng)烈的聚類性(p = 0.006；圖2B)，表明兩種纖維的總體生理效應(yīng)存在差異。

圖2 補(bǔ)充AX和MCC對飽腹感和替代終點(diǎn)的影響。

主成分分析圖顯示AX和MCC組在基線時的感知飽腹感和替代終點(diǎn)(A)，以及它們與基線相比的百分比變化(B)。折線圖顯示每周SLIM量表評分(C)30–60分鐘，在用AX或MCC進(jìn)食后，醒來時為D。條形圖(插圖)表示SLIM評分曲線(AUCBL–W6)下的面積。散點(diǎn)圖顯示分別在補(bǔ)充AX或MCC的基線和第6周時，HOMA?IR(E)、QUICKI(F)、糞便鈣衛(wèi)蛋白(G)和TNF?α(H)。條形圖(插圖)表示每組相對于基線值的變化百分比。為了評估相對于基線的組內(nèi)變化，使用重復(fù)測量單因素方差分析和置換分析對C和D數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并使用配對置換t檢驗(yàn)對E到H數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了評估組間差異，使用基于Manhattan距離的置換多元方差分析對A和B的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并使用未配對置換t檢驗(yàn)對C到H的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。A到D在p < 0.05時具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，E到H在p < 0.01時具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。C到H的數(shù)據(jù)表示為平均值± SD；對于E到H，符號表示單個樣本。AX，阿拉伯木聚糖；HOMA-IR，胰島素抵抗穩(wěn)態(tài)模型評估；MCC，微晶纖維素；QUICKI，定量胰島素敏感性檢測指數(shù)；TNF?α、腫瘤壞死因子?α。    

3.1 AX和MCC對飽腹感的影響    

通過飽腹感標(biāo)記強(qiáng)度量級(SLIM)量表評估，與MCC(p = 0.035，置換t檢驗(yàn))相比，AX在進(jìn)食后30-60分鐘(稱為“餐后飽腹感”)產(chǎn)生了更高的飽腹感評分，在第2周(p = 0.04)、第4周(p = 0.007)和第6周(p = 0.03)期間檢測到組間差異(圖2C)。對飽腹感評分的進(jìn)一步評估顯示，在攝入AX后，個體感覺介于“中等飽”和“非常飽”之間，而那些攝入MCC的個體則保持在“輕微飽”和“中等飽”之間。參與者醒來后，在整個治療期間，AX也會持續(xù)增加感覺“輕微飽了”的飽腹感評分，而MCC則傾向于降低感覺“輕度饑餓”的飽腹感評分，組間差異在第5周達(dá)到顯著水平(p = 0.03)(圖2D)。    

3.2 AX和MCC對肥胖相關(guān)替代終點(diǎn)和宿主-微生物相互作用生物標(biāo)志物的影響    

在替代終點(diǎn)中，與MCC組相比，AX消耗減少了胰島素抵抗穩(wěn)態(tài)模型評估(HOMA-IR；胰島素抵抗指數(shù)；p = 0.006；圖2E)，并增加了定量胰島素敏感性檢測指數(shù)(QUICKI；胰島素敏感性指數(shù)，p = 0.008；圖2F)。與MCC相比，AX對HOMA-IR的影響顯示出36%的差異，這與其他微生物群靶向策略(如糞便微生物群移植(FMT))的報(bào)告相當(dāng)。與AX組相比，MCC減少了糞便鈣衛(wèi)蛋白(腸道炎癥的替代終點(diǎn))(p = 0.002)，與基線相比減少了39%(p = 0.004)(圖2G)。未檢測到AX或MCC對任何其他替代終點(diǎn)的影響(附加文件4：表S3)。    

評估宿主-微生物組相互作用的生物標(biāo)記物顯示，MCC使腫瘤壞死因子-α(TNF-α)比基線水平降低了7%(p = 0.004；圖2H)。盡管腸道激素的產(chǎn)生和腸道屏障的完整性先前與纖維發(fā)酵有關(guān)，但未檢測到AX或MCC對宿主-微生物相互作用的剩余生物標(biāo)記物的其他影響(補(bǔ)充文件4：表S3)    

為了證實(shí)顯著影響?yīng)毩⒂跐撛诘幕祀s因素，使用年齡、性別、總纖維和糖消耗量的變化作為協(xié)變量進(jìn)行協(xié)方差模型分析(ANCOVA)(補(bǔ)充文件5：表S4)。糞便特征變量也包括在內(nèi)，因?yàn)榉逝峙c排便習(xí)慣的改變有關(guān)，在研究人員之前的研究中，AX和MCC促進(jìn)了更頻繁的排便(p< 0.05)，而AX促進(jìn)了比MCC更軟的糞便稠度(p < 0.05)(補(bǔ)充文件4：表S3)。ANCOVA模型顯示，觀察到的效應(yīng)不受宿主因素、飲食變化或糞便特征的影響(p < 0.05)。    

3.3 AX和MCC對糞便菌群功能特征的影響    

如前所述，AX消耗使產(chǎn)生短鏈脂肪酸(SCFAs)的微生物輸出丙酸鹽，而MCC不會改變糞便中的SCFAs。由于膽汁酸衍生物也具有免疫調(diào)節(jié)和代謝特性，應(yīng)用靶向代謝組學(xué)來確定AX和MCC對糞便膽汁酸的影響。該分析表明，與基線相比，MCC降低了apocholic acid(p = 0.009，置換t檢驗(yàn))和豬去氧膽酸(p= 0.009)的濃度。膽汁酸和五種次級膽汁酸脫氧膽酸、異石膽酸(ILCA)、牛磺石膽酸(TLCA)、牛磺脫氧膽酸(TDCA)和甘氨脫氧膽酸(GDCA)的糞便總濃度的降低也接近顯著水平(0.01 < p < 0.05；表1和附加文件6：表S5)。相比之下，AX與基線相比并沒有降低膽汁酸濃度，但與MCC相比，增加了7αOH-3-氧代-4-膽甾烯酸的濃度(p = 0.0096)。兩種處理引起的變化也顯示出較大的標(biāo)準(zhǔn)差，表明膽汁酸的變化高度個體化?？傮w而言，本研究結(jié)果表明，大顆粒MCC的攝入通過降低次級膽汁酸濃度來改變糞便膽汁酸的分布。    

表1 在基線和補(bǔ)充AX或MCC6周時檢測到的最常見膽汁酸的糞便濃度。    

90%以上的糞便樣本中檢測到列出的膽汁酸(31種化合物)。組內(nèi)差異的統(tǒng)計(jì)顯著性通過配對置換t檢驗(yàn)確定，而組間差異(AX vs MCC；W6–BL，第6周–基線)通過非配對置換t檢驗(yàn)確定。數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。*統(tǒng)計(jì)顯著性設(shè)置為p< 0.01，沒有星號(*)的粗體p值接近統(tǒng)計(jì)顯著性(p < 0.05)。    

4 參與AX降解的菌群鑒定    

考慮到參與纖維發(fā)酵的細(xì)菌決定了健康相關(guān)代謝物的生產(chǎn)，旨在確定受試者糞便微生物群中參與AX發(fā)酵和利用發(fā)酵過程中釋放的分解產(chǎn)物的細(xì)菌分類群。使用BONCAT熒光標(biāo)記糞便微生物群內(nèi)的代謝活性細(xì)菌細(xì)胞，然后分別通過FACS和16S rRNA基因擴(kuò)增子測序?qū)钚约?xì)胞進(jìn)行分類和分析(圖3和附加文件7：圖S2)。對含有細(xì)胞活性標(biāo)記物L(fēng)-疊氮高丙氨酸(AHA)和Cy5染料的孵育中的熒光細(xì)胞進(jìn)行初步比較，發(fā)現(xiàn)在沒有AX的情況下，熒光細(xì)胞沒有基本細(xì)胞活性；因此，證明BONCAT具有高度特異性，僅檢測到AX誘導(dǎo)的細(xì)胞活性(圖3)。    

與AX孵育前的總細(xì)菌群落相比，活性菌群的α多樣性(Shannon指數(shù)：p = 0.0008，置換單因素方差分析)和豐富度(Chao1指數(shù)：p < 0.0001)較低，擴(kuò)增子序列變異(ASVs)數(shù)量(p= 0.0001)減少31%(補(bǔ)充文件8：表S6)。先前顯示利用AX的幾種細(xì)菌分類群在活躍菌群中的31種優(yōu)勢ASV(平均相對豐度>1%)中有代表性(補(bǔ)充文件8：表S6)，包括與Bifidobacterium longum、Blautia obeum、Bacteroides ovatus、Bacteroides cellulosilyticus和E. rectale相關(guān)的ASVs?？傮w而言，這些結(jié)果表明AX發(fā)酵不僅限于少數(shù)合作物種，而且擴(kuò)展到更廣泛的細(xì)菌群落的許多成員，并且涉及幾個初級降解菌和次級發(fā)酵菌。    

為了比較活性菌群和糞便細(xì)菌群落之間個體分類群的豐度，采用了差異豐度檢驗(yàn)(DESeq2)。該分析表明，在活性菌群中，擬桿菌科、乳桿菌科和腸桿菌科的數(shù)量更為豐富，而理研菌科、瘤胃球菌科和鏈球菌科的數(shù)量較少。在與AX孵育之前，在活性菌群和糞便細(xì)菌群落之間鑒定出14種ASVs。在活性菌群中，Bacteroides koreensis、Bacteroides plebeius、Bacteroides xylanisolvens、Lactobacillus spp.和Escherichia/Shigella spp.更為豐富(p < 0.01)。與Coprococcus eutactus、Faecalibacterium prausnitzii和Dialister invisus相關(guān)的ASV可能利用AX降解過程中釋放的糖和代謝副產(chǎn)物(如乙酸鹽和乳酸)，在與AX孵育期間也具有代謝活性，但在活性菌群中含量較少(p < 0.01)。

圖3 基于BONCAT的體外檢測分析示意圖。

冷凍保存的糞便樣本在PBS中解凍、過濾和洗滌，然后在AX和細(xì)胞活性標(biāo)記物L(fēng)-疊氮高丙氨酸(AHA)存在下培養(yǎng)，以檢測AX刺激的細(xì)菌細(xì)胞。培養(yǎng)僅含有AHA的無修飾對照，以檢測在沒有AX的情況下可能的基礎(chǔ)活性。顯微鏡檢查顯示所有對照組均無BONCAT信號；因此，未檢測到基礎(chǔ)活性。然后將AX培養(yǎng)的樣品固定在乙醇中，并使用Cy5染料溶液，使用Cu(I)催化的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)對活性細(xì)胞進(jìn)行染色。用AX培養(yǎng)6小時的糞便微生物群的代表性圖片(A)和無AX培養(yǎng)6小時的糞便微生物群的代表性圖片(B，BONCAT對照)。通過FACS對受到刺激的細(xì)胞進(jìn)行分類，粉紅色顯示為Cy5陽性BONCAT信號，所有微生物細(xì)胞顯示為藍(lán)色(DAPI染色)。在0?h和6?h厭氧培養(yǎng)條件下，從分選細(xì)胞和樣品中提取DNA。通過PCR擴(kuò)增16S rRNA基因，并使用Illumina Miseq平臺進(jìn)行擴(kuò)增子測序。    

5 確定與微生物群相關(guān)的飽腹感預(yù)測因子和替代終點(diǎn)    

為了深入了解腸道微生物群在纖維生理效應(yīng)中的作用，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法確定纖維對飽腹感和替代終點(diǎn)生理效應(yīng)的預(yù)測因子。模型中包括與微生物群組成和功能(SCFA和膽汁酸)特征相關(guān)的變量、宿主-微生物群相互作用的生物標(biāo)志物(TMAO、胃腸激素、細(xì)胞因子和屏障功能測量)以及熱量調(diào)節(jié)的大量營養(yǎng)素?cái)z入數(shù)據(jù)。對于受纖維消耗影響的每個終點(diǎn)，首先根據(jù)研究隊(duì)列中位數(shù)確定高反應(yīng)者和低反應(yīng)者(補(bǔ)充文件9：圖S3A和S3B)，并將數(shù)據(jù)集用作訓(xùn)練獨(dú)立隨機(jī)森林分類器(RFC)的預(yù)測變量，對區(qū)分高反應(yīng)者和低反應(yīng)者的微生物群相關(guān)預(yù)測因子進(jìn)行排序(附加文件9：圖S3C和S3D)。    

對于AX對餐后飽腹感的影響，只有在BONCAT鑒定的代謝活性類群上訓(xùn)練的RFC才能建立具有顯著預(yù)測能力的模型。使用14種差異豐富ASVs獲得了最佳模型(受試者操作特征曲線[AUC-ROC]=0.95；圖4A)，但基于90種活性ASVs的模型仍然顯示出較高的預(yù)測精度(AUC-ROC=0.84；圖4B)。產(chǎn)丙酸的D. invisus(ASV6pygnt)和與飽腹感呈弱正相關(guān)，接近顯著性(rs = 0.63，q = 0.08，Spearman相關(guān)；圖4A)。飽腹感也與產(chǎn)甲酸的Dorea formicigenerans呈負(fù)相關(guān)(ASV2xmw96；rs = ? 0.81，q = 0.007)，產(chǎn)丁酸菌Eubacterium ramulus(ASV56kx74；rs = ? 0.60，q = 0.08)和F. prausnitzii(ASV；rs = ?0.56，q = 0.098)，也顯示出弱負(fù)相關(guān)(圖4B)。F. prausnitzii和D. formicigenans僅在低反應(yīng)者中進(jìn)一步顯示增加(p < 0.01)。雖然AX誘導(dǎo)的糞便丙酸鹽是產(chǎn)生飽腹感的最有力證據(jù)，但基于糞便SCFAs變化的RFCs無法預(yù)測餐后飽腹感(OOB誤差> 0.6)(補(bǔ)充文件9：圖S3C)。    

預(yù)測HOMA-IR的唯一RFC是次級膽汁酸的AX誘導(dǎo)變化(AUC-ROC = 0.70；圖4C)。MCC誘導(dǎo)的糞便鈣衛(wèi)蛋白反應(yīng)也可通過MCC誘導(dǎo)的次級膽汁酸變化來預(yù)測(AUC-ROC = 0.72；圖4D)，但不同的次級膽汁酸是預(yù)測因子。HOMAIR的改善與石膽酸(LCA)(rs = ?0.62，q = 0.08)及其衍生物ILCA(rs = ?0.60，q = 0.08)濃度的降低呈弱負(fù)相關(guān)(圖4C)，而鈣衛(wèi)蛋白反應(yīng)與結(jié)合膽汁酸TLCA(rs= ?0.68，q = 0.03)、TDCA(rs = ?0.70，q = 0.03)和GDCA(rs = ?0.63，q = 0.05)的降低呈負(fù)相關(guān)(圖4D)。纖維誘導(dǎo)膽汁酸變化的比較顯示，高反應(yīng)者和低反應(yīng)者之間存在顯著差異，僅在低反應(yīng)者中檢測到變化(圖4C和D)。對于TNF-α反應(yīng)，只有在基線時大量營養(yǎng)素卡路里調(diào)整攝入量的RFC才能預(yù)測MCC的影響(AUC-ROC = 0.73；圖4E)。盡管最具鑒別性的營養(yǎng)素是飽和脂肪，但基線時的攝入與TNF-α反應(yīng)無關(guān)(rs = 0.46，q = 0.17)。    

為了確定替代終點(diǎn)和微生物組特征之間的關(guān)聯(lián)是否獨(dú)立于影響微生物組組成的混雜因素，使用多變量廣義線性模型(GLMs)控制年齡、性別、總纖維和糖攝入量的變化、糞便稠度和排便頻率作為協(xié)變量(補(bǔ)充文件10：表S7)。這些分析表明，觀察到的相關(guān)性不受宿主或飲食因素的干擾(p < 0.1)。由于膳食纖維可能通過改變環(huán)境條件(如pH值和水可用性)間接影響腸道膽汁酸，因此還評估了與糞便pH值和水分含量的關(guān)系(補(bǔ)充文件11：圖S4)。雖然兩種纖維的值均未發(fā)生變化(p > 0.1)，但糞便pH值(q = 0.06)與水分含量(q < 0.05)的變化與預(yù)測AX和MCC誘導(dǎo)效應(yīng)的膽汁酸變化之間分別存在正相關(guān)關(guān)系。    

本研究旨在評估纖維反應(yīng)細(xì)菌類群和與纖維發(fā)酵相關(guān)的宿主-微生物相互作用的生物標(biāo)志物之間的機(jī)制關(guān)聯(lián)。雖然SCFAs、屏障功能和主要AX反應(yīng)類群(P. copri和B. longum)與飽腹感、胰島素抵抗和炎癥有關(guān)，但未檢測到顯著預(yù)測(AUC-ROCs < 0.70)。其他單變量GLMs重申，纖維誘導(dǎo)的糞便微生物群組成、丙酸和膽汁酸的主要變化與補(bǔ)充纖維的生理益處無關(guān)(q>0.05；補(bǔ)充文件12：圖S5)。

圖4 通過機(jī)器學(xué)習(xí)識別腸道微生物群組成特征和宿主-微生物群相互作用的生物標(biāo)記物，預(yù)測飽腹感和替代終點(diǎn)反應(yīng)。

(左)AUC?ROC曲線顯示了隨機(jī)森林分類器的性能準(zhǔn)確性，這些分類器經(jīng)過訓(xùn)練，可預(yù)測高反應(yīng)者vs低反應(yīng)者:A和B使用AX進(jìn)食后的飽腹感，使用AX體外培養(yǎng)期間激活的細(xì)菌類群的相對豐度；使用糞便膽汁酸變化，分別對AX和MCC檢測(C)HOMA?IR和(D)糞便鈣衛(wèi)蛋白；以及使用卡路里調(diào)整大量營養(yǎng)素的基線攝入量測定MCC的TNF-α。(中)水平條表示終點(diǎn)與A和B代謝活性ASV、C和D糞便膽汁酸或E大量營養(yǎng)素之間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)，這些對預(yù)測反應(yīng)很重要。平均重要性值由隨機(jī)森林確定，它確定了對模型貢獻(xiàn)最大的因素。(右)散點(diǎn)圖顯示了終點(diǎn)與最具鑒別性的微生物群相關(guān)因素之間的關(guān)聯(lián)，這些因素與AX誘導(dǎo)的餐后(A和B)飽腹感、(C)HOMA-IR衰減以及(D) MCC誘導(dǎo)的糞便鈣衛(wèi)蛋白衰減相關(guān)。垂直條形圖顯示了按高反應(yīng)者和低反應(yīng)者分組的最具鑒別性的微生物群相關(guān)因素。根據(jù)研究隊(duì)列中位數(shù)定義高反應(yīng)者(黑色)和低反應(yīng)者(灰色)。統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性設(shè)定為p < 0.05，F(xiàn)DR校正q值 < 0.05。?，從基線到第6周的絕對變化；%?，從基線到第6周的變化百分比；AX，阿拉伯木聚糖；AUC?ROC，受試者工作特征曲線下面積；BL，基線；GDCA，甘氨脫氧膽酸；HOMA-IR，胰島素抵抗穩(wěn)態(tài)模型評估；TNF?α、腫瘤壞死因子?α。    

討論

本研究確定了兩種分離形式的膳食纖維AX和MCC的生理效應(yīng)，這兩種膳食纖維與超重個體的治療相關(guān)。通過使用BONCAT，我們提供了證據(jù)，證明AX增強(qiáng)飽腹感的能力是由參與其利用的細(xì)菌分類群預(yù)測的，這表明腸道微生物群對纖維的發(fā)酵可能會影響其飽腹效果。相比之下，AX誘導(dǎo)的胰島素抵抗減弱雖然與糞便膽汁酸變化有關(guān)，但與微生物群特征沒有顯示出正相關(guān)關(guān)系。有趣的是，腸道微生物群無法接觸到的MCC通過降低糞便鈣衛(wèi)蛋白水平在腸道中顯示出抗炎作用，這也可以通過膽汁酸變化來預(yù)測。令人驚訝的是，假設(shè)將腸道微生物群的代謝活動與宿主代謝和免疫(即TMAO、腸道激素、細(xì)胞因子和腸道屏障完整性)聯(lián)系起來的生物過程的分子標(biāo)記不受可發(fā)酵AX的影響，也無法預(yù)測其作用。通過探索腸道微生物群在不同物理化學(xué)纖維影響中的作用，本研究為纖維如何影響人類飽腹感和肥胖相關(guān)替代終點(diǎn)提供了見解。    

AX誘導(dǎo)飽腹感的能力與之前關(guān)于長鏈AX補(bǔ)充劑和富含AX的全谷物的研究一致。由于其粘性，AX可能會延遲胃排空，從而延長餐后飽腹感。此研究結(jié)果表明，AX的微生物發(fā)酵也可能有助于在食用AX期間產(chǎn)生飽腹感，因?yàn)轱柛垢性u分是由BONCAT檢測到的參與AX分解的細(xì)菌分類群預(yù)測的。此研究觀察到顯著的隨機(jī)森林模型(圖4A和B)，飽腹感和丙酸生產(chǎn)菌(D. invisus和B. plebeius)之間呈弱正相關(guān)，以及與丁酸生產(chǎn)菌(如E. ramulus和F. prausnitzii)之間呈負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果與糞便SCFAs的分析結(jié)果總體一致，表明AX改變了丙酸與丁酸的比例，有利于丙酸產(chǎn)生。因此，丙酸和丁酸產(chǎn)生菌之間的底物競爭可能會影響飽腹感，因?yàn)橹挥斜猁}在人類中顯示出飽腹感。雖然還需要進(jìn)一步的研究來闡明確切的機(jī)制和交叉喂養(yǎng)的相互作用，但本研究提供了證據(jù)，表明腸道微生物群可能有助于提高人類AX的飽腹感。    

雖然BONCAT有可能對纖維利用中涉及的細(xì)菌分類群進(jìn)行直接評估，但該方法并非沒有局限性。由于BONCAT采用體外發(fā)酵，體內(nèi)條件不太可能準(zhǔn)確復(fù)制，并且初始接種物可能受到糞便收集期間氧氣暴露、儲存期間活力喪失和凍融的影響。BONCAT也無法檢測到不導(dǎo)入氨基酸并將其整合到新合成蛋白質(zhì)中的微生物。AX是一種高支鏈粘性的長鏈纖維，其體外行為可能與在胃腸道中的表現(xiàn)不同。這些限制可能解釋了B. longum和P. copri在體外發(fā)酵過程中沒有代謝活性的原因(補(bǔ)充文件8：表S6)，即使這些物種通過AX在體內(nèi)擴(kuò)增。然而，包括BONCAT鑒定的所有細(xì)菌ASV的重要隨機(jī)森林模型支持該方法的價值及其在人類營養(yǎng)研究中的應(yīng)用。未來的研究需要進(jìn)一步探索和完善BONCAT的應(yīng)用，以確定膳食化合物與微生物群之間的相互作用，并改進(jìn)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)程序。    

不同類型的AX改善葡萄糖和胰島素代謝的能力得到了很好的支持，并導(dǎo)致了歐洲食品安全局的健康聲明。此研究中檢測到的效應(yīng)大小與測試旨在減輕肥胖患者胰島素抵抗的替代策略的研究中的效應(yīng)大小相當(dāng)，例如植物性飲食、Akkermansia muciniphila或FMT。與這些策略相比，AX補(bǔ)充劑將更具成本效益，而且由于它是一種食品級膳食纖維，AX將為開發(fā)功能性食品和飲料提供一個很好的機(jī)會。有趣的是，MCC組的HOMA-IR增加，這可能歸因于治療期間糖消耗量的增加?？紤]到兩組的糖消耗量增加相等(補(bǔ)充文件3：表S2)，此研究結(jié)果表明，AX可能抵消了糖對胰島素敏感性的不利影響。    

據(jù)研究人員所知，MCC的抗炎作用尚未在人類中報(bào)道。然而，這些發(fā)現(xiàn)與對小鼠的研究一致，即高纖維素飲食減輕了化學(xué)誘導(dǎo)的結(jié)腸炎，改善了LPS誘導(dǎo)的腸道通透性。由于MCC在人體中的抗炎作用是新發(fā)現(xiàn)，因此需要進(jìn)行更大規(guī)模的研究來證實(shí)我們的發(fā)現(xiàn)，并探索抗炎特性是否特定于大顆粒、高結(jié)晶纖維素。    

雖然AX和MCC的生理效應(yīng)不同，但在隨機(jī)森林模型中，這兩種反應(yīng)都可以通過糞便次級膽汁酸的變化來預(yù)測，盡管它們的衍生物不同。對于AX，HOMA-IR反應(yīng)與LCA和ILCA的變化呈負(fù)相關(guān)，這兩種膽汁酸可以通過激活FXR和TGR5介導(dǎo)的信號通路來調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)。與MCC相關(guān)的糞便鈣衛(wèi)蛋白反應(yīng)導(dǎo)致TLCA、TDCA和GDCA降低。雖然這些結(jié)合膽汁酸的免疫調(diào)節(jié)特性尚不明確，但TLCA可能通過抑制炎性小體信號發(fā)揮抗炎作用。鑒于膽汁酸在代謝和免疫調(diào)節(jié)中的新作用，這些發(fā)現(xiàn)是相關(guān)的。然而，盡管具有很好的預(yù)測能力，此研究的相關(guān)分析僅發(fā)現(xiàn)生理益處與膽汁酸變化之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且膽汁酸的顯著變化僅在低反應(yīng)者中觀察到。本研究的相關(guān)數(shù)據(jù)無法解釋因果關(guān)系，而負(fù)相關(guān)可能是通過纖維的間接影響產(chǎn)生的，如pH值的變化(通過AX發(fā)酵)或水分含量的變化(通過MCC刺激液體分泌)，如GLMs所示(附加文件11：圖S4)。然而，纖維誘導(dǎo)的膽汁酸變化與替代終點(diǎn)之間缺乏正相關(guān)性，表明膽汁酸池的調(diào)節(jié)并不能為AX和MCC的臨床益處提供主要機(jī)制。這兩種纖維與次級膽汁酸減少相關(guān)的具體作用仍然具有治療意義，因?yàn)樗鼈兲峁┝擞嘘P(guān)纖維如何選擇性操縱膽汁酸的信息。次級膽汁酸被認(rèn)為具有細(xì)胞毒性；因此，觀察到的減少可能構(gòu)成膳食纖維預(yù)防結(jié)腸癌發(fā)展的機(jī)制。    

通過在人體試驗(yàn)中直接比較微生物群可及性纖維和非可及性纖維的影響，本研究旨在評估微生物群在纖維影響中的作用，并測試微生物發(fā)酵和纖維生理效應(yīng)之間的常見假設(shè)機(jī)制聯(lián)系。例如，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠確定纖維誘導(dǎo)的糞便SCFAs變化是否與通過腸道激素或改善屏障功能引起的全身炎癥對飽腹感和胰島素敏感性的影響有關(guān)。然而，盡管AX對飽腹感和胰島素抵抗有影響，但在AX和MCC組中，沒有任何機(jī)制生物標(biāo)志物發(fā)生顯著變化。盡管考慮到動物模型為這些機(jī)制的重要性提供了令人信服的證據(jù)，但從可發(fā)酵纖維的人體研究中得到的結(jié)果充其量是不確定的。此外，盡管B. longum和P. copri是數(shù)量上占主導(dǎo)地位的AX反應(yīng)者，并且之前與人類炎癥、飽腹感和胰島素敏感性的改善有關(guān)，但這些分類群與生理結(jié)果并不相關(guān)。微生物組獨(dú)立效應(yīng)與微生物組無法接觸MCC、無法接觸的AXs形式可以提高胰島素敏感性以及纖維可以改善無菌小鼠的胰島素敏感性這一事實(shí)一致?？傮w而言，這一結(jié)果提醒人們，纖維的某些生理效應(yīng)可能與微生物組無關(guān)，并與纖維的物理化學(xué)屬性有關(guān)，如粘度或糞便膨脹。雖然研究人員承認(rèn)人體機(jī)制研究的局限性，以及準(zhǔn)確測量生物標(biāo)志物的挑戰(zhàn)和研究的樣本量小，但也必須考慮到動物模型中檢測到的纖維機(jī)制作用的一些原則，特別是當(dāng)它們與腸道微生物群有關(guān)時，可能不適用于人類。    

結(jié)論

綜上所述，本研究為純化形式的膳食纖維的生理益處提供了證據(jù)，這一概念在最近的營養(yǎng)學(xué)文獻(xiàn)中受到越來越多的質(zhì)疑。鑒于飽腹感、胰島素抵抗和全身炎癥在肥胖和心臟代謝疾病病因中的重要性，此研究結(jié)果確立了純化纖維在預(yù)防和治療慢性疾病中的潛在作用，同時也為未來探索MCC的抗炎作用提供了依據(jù)。這兩種纖維類型的不同作用可以作為更具針對性的膳食纖維應(yīng)用的基礎(chǔ)，例如AX治療II型糖尿病和MCC治療炎癥性疾病，這最終可以為營養(yǎng)指南提供信息。此研究結(jié)果也為纖維-微生物相互作用在誘導(dǎo)飽腹感中的作用提供了證據(jù)，而纖維的代謝和免疫效應(yīng)可能主要是微生物依賴性的。更好地理解纖維誘導(dǎo)人體生理效應(yīng)的機(jī)制，將有助于為纖維結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)碳水化合物的開發(fā)提供概念框架，以提高臨床療效。在這方面，我們發(fā)現(xiàn)AX對飽腹感的影響與個體微生物群利用纖維的能力有關(guān)，這為通過個性化方法優(yōu)化纖維應(yīng)用提供了機(jī)制基礎(chǔ)。        

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網(wǎng)址: 科研丨Microbiome(IF:16.8): 腸道微生物群在膳食纖維生理效應(yīng)中的作用 http://www.u1s5d6.cn/newsview326473.html