肥胖和營養(yǎng)不良是普遍面臨的健康問題，而腸道菌群在其中扮演的什么樣的角色？最近一項研究通過交叉過量、過低飲食干預(yù)以及隨機(jī)雙盲萬古霉素抗生素實驗，揭示了不同熱量攝入和抗生素會破壞腸道菌群特點(diǎn)代謝產(chǎn)物（如：丁酸和其他短鏈脂肪酸）影響腸道屏障，并改變特點(diǎn)微生物群落（如阿克曼菌），這種變化是糞便熱量流失的原因，表明腸道菌群在飲食能量吸收中起著因果的作用。

單位：美國國家衛(wèi)生所

期刊： Nature Medicine 《自然醫(yī)學(xué)》

摘要

文章揭示了營養(yǎng)不良和口服萬古霉素對人體腸道菌群和營養(yǎng)吸收的影響。以往的研究發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)不良顯著增加糞便熱量損失，且降低了擬桿菌門和厚壁菌門的相對豐度，這是人類腸道中的兩個主要門。還有各種證據(jù)表明，早期使用抗生素與兒童體重增加有關(guān)，在營養(yǎng)不良中，抗生素促進(jìn)生長的證據(jù)好壞參半。在本文中，研究人員進(jìn)行了一項長期的住院研究，使用了兩種干預(yù)措施。在每個實驗中，研究人員都測量了過量飲食和飲食不足期間的糞便卡路里流失，這是營養(yǎng)吸收的直接表征，第一階段是隨機(jī)交叉飲食干預(yù)，所有受試者按隨機(jī)順序接受3天的過量和不足飲食喂養(yǎng)。第二階段是隨機(jī)、雙盲、安慰劑對照的藥物干預(yù)，使用萬古霉素或安慰劑（NCT02037295）。研究人員觀察到，腸道菌群結(jié)構(gòu)在營養(yǎng)不良和飲食過量的情況下有輕微的變化，但口服萬古霉素后群落結(jié)構(gòu)伴隨著多樣性降低發(fā)生了更顯著的變化。兩種干預(yù)措施中嗜粘蛋白艾克曼菌的豐度都增加了，這導(dǎo)致了更多的糞便熱量流失。這些結(jié)果表明，營養(yǎng)吸收對環(huán)境擾動敏感，并與臨床前模型相關(guān)，表明腸道菌群在飲食能量吸收中可能起因果作用。

背景

全球肥胖癥的流行促使人們努力確定影響能量平衡的環(huán)境和宿主因素，能量平衡的定義是能量攝入和消耗之間的平衡。雖然卡路里消耗是能量攝入量的關(guān)鍵決定因素，但個體消化和吸收所消耗的飲食底物的能力的不同程度也可能影響能量平衡。在過去的十年中，利用嚙齒動物模型得到的研究成果，支持了數(shù)以萬億計的微生物在人類胃腸道（腸道菌群）的因果作用，由于它們對能量攝入和消耗的廣泛影響，形成了能量平衡的個體間變化。但可惜的是，尚無直接證據(jù)表明微生物群對營養(yǎng)吸收有影響.

實驗設(shè)計

實驗對象：

選取了除葡萄糖耐受和肥胖癥以外的27名健康志愿者（男17名，女10名，年齡35.1±7.3，BMI 32.3±8.0），其中25名完成了整個實驗。在整個研究過程中，參與者都是住院患者，每天都接受監(jiān)測，沒有被報告過副作用，特別是腹瀉或腹部癥狀。

設(shè)計方案：

第一階段：隨機(jī)的交叉飲食干預(yù)

所有受試者均以過量（OF）和節(jié)食（UF）三天的隨機(jī)順序進(jìn)行飲食，期間會有3天的洗脫期。OF為WMD的150%的飲食，UF為WMD的50%的飲食。

第二階段：藥物干預(yù)

同樣的受試者被隨機(jī)分為安慰劑組和口服萬古霉素組

注：

(WMD)體重維持飲食【20%大卡蛋白質(zhì)；30%大卡脂肪；50%大卡碳水化合物】；(DXA）雙能X線吸收法，用于骨密度測定；(OGTT) 口服葡萄糖耐量試驗；(Dye marker)表示糞便收集所使用的染料標(biāo)記物；(CH) 間接量熱法，用于評估24小時能量消耗；(HPN,LPL) 肝素誘導(dǎo)的LPL測定；(CBC) 全血細(xì)胞計數(shù)

主要結(jié)果

營養(yǎng)不良和抗生素都會損害養(yǎng)分的吸收。與攝入的熱量相比，營養(yǎng)不良和萬古霉素都導(dǎo)致糞便(在糞便中測量的熱量百分比更高)有更多的熱量流失。

“ Δ ”表示組間的平均差異；“ P ”表示雙邊配對學(xué)生t檢驗； 紅點(diǎn)表示開始飲食階段為OF的受試者，白點(diǎn)表示開始飲食階段為UF的受試者

a)：過量飲食組（4,446.5± 547.8 kcal d?1）的每日攝入熱量顯著高于營養(yǎng)不良組（1,494.2 ±211.0 kcal d?1），

b)：與營養(yǎng)不良的人相比，過量飲食的人每天消耗的卡路里絕對數(shù)量明顯更高。

c)：當(dāng)以每天攝入的卡路里的百分比來表示時，UF期間的糞便熱量流失相對于OF明顯更大，且有很強(qiáng)且顯著的體內(nèi)相關(guān)性（Pearson’s r = 0.70, P = 0.004）

d)：UF比OF轉(zhuǎn)運(yùn)時間快，轉(zhuǎn)運(yùn)時間被定義為每次干預(yù)期間染料標(biāo)記第一次出現(xiàn)和最后一次出現(xiàn)之間的時間(以h為單位)。

Δ ”表示組間的平均差異；“ P ”表示雙邊非配對學(xué)生t檢驗；誤差條表示95%置信區(qū)間的均值

a)：3天的平均攝入熱量。安慰劑組（Placebo）和萬古霉素組（Vancomycin）每天攝入的熱量是相當(dāng)?shù)摹?/p>

b)：萬古霉素導(dǎo)致糞便熱量流失顯著增加。

c)：糞便平均熱量流失百分比。

d)：萬古霉素組和安慰劑組的轉(zhuǎn)運(yùn)時間沒有差異（P=0.2）

2.使用擴(kuò)增子和宏基因組測序相結(jié)合的方法，評估了飲食干預(yù)和藥物干預(yù)對腸道微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。在飲食干預(yù)組間分析中發(fā)現(xiàn)了幾種對飲食敏感的細(xì)菌物種。在藥物干預(yù)組間分析中也發(fā)現(xiàn)了幾種顯著富集的物種。且擴(kuò)增子和宏基因組測序結(jié)果具有一致性。盡管存在這些差異，但在這兩種干擾下，有兩種細(xì)菌的種類都發(fā)生了一致的變化。嗜粘蛋白艾克曼菌和一種隸屬于Lachnospiraceae NK4A136群的一個未確認(rèn)的種。

飲食干預(yù)：

a)：整體腸道菌群在OF和UF期間的定植。在UF期間，腸道菌群由于相對地缺乏營養(yǎng)，這可能導(dǎo)致細(xì)菌定殖的減少。但是在UF期間與OF相比，總的定殖水平顯著增加（P=0.01，雙邊配對的Wilcoxon檢驗）。

b)：兩種飲食措施的Bray-Curtis距離的PCoA第一主坐標(biāo)的差異。受試者按飲食順序分開；c)：在兩種飲食措施期間每天從10個受試者中取樣，其PcoA分析結(jié)果。每個點(diǎn)代表一個樣本，其中顏色表示受試者身份，形狀表示飲食方式（WM，保持體重）；d)：隨著時間的推移，微生物群落到基線樣本(第一天)的距離。顏色代表飲食，每個點(diǎn)代表一個樣本字母表示受試者身份。發(fā)現(xiàn)在整個3天的UF和OF干預(yù)過程中，總體微生物群落結(jié)構(gòu)保持不變，在基線上保持顯著的個體間差異。

e)：在被評估的10個個體中，有2個個體被發(fā)現(xiàn)在UF組中的微生物群落總體結(jié)構(gòu)上有顯著差異，這可能表明腸道菌群的基線關(guān)系到其對飲食干預(yù)的敏感性。（對每個受試者進(jìn)行Adonis分析，R2值量化不同飲食上的方差，“*”表示P<0.05，縱坐標(biāo)的字母表示受試者身份）

f)：在整個第一階段的16天內(nèi)，微生物的總體Shannon多樣性相對穩(wěn)定。

g)：通過16SrRNA鑒定出的4個與飲食顯著相關(guān)的物種：嗜粘蛋白艾克曼菌、Bacteroides coprocola、毛螺旋菌、瘤胃球菌?？v坐標(biāo)為相對豐度，橫坐標(biāo)為時間（d）。

 (經(jīng)FDR調(diào)整后的P值，Q < 0.1，雙側(cè)Wald檢驗的DESeq2)。線代表mean?±?s.e.m.

h)：基于宏基因組測序的物種分類，發(fā)現(xiàn)了9種細(xì)菌在不同飲食組間的顯著差異（FDR?<?0.05, 配對的Wilcoxon檢驗），每個點(diǎn)代表一個樣本，縱坐標(biāo)表示相對豐度。這與16S rRNA基因測序的分析一致。

藥物干預(yù)：

a)：不同治療組的腸道菌群的定植水平無明顯差異（P?=?0.26，雙側(cè)非配對Wilcoxon檢驗）。每個點(diǎn)代表每個受試者樣本的平均值。

b)：不同治療組的微生物群落Shannon多樣性。（P?<0.0001，雙側(cè)非配對Wilcoxon檢驗）。每個點(diǎn)代表每個受試者樣本的平均值。

c)：不同治療組間的基于Bray-Curtis距離的PCoA分析。發(fā)現(xiàn)萬古霉素對腸道微生物群落結(jié)構(gòu)也有顯著影響，超過了先前存在的個體間差異。（每個數(shù)據(jù)點(diǎn)都顯示了每個受試者樣本的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差）

d)：通過宏基因組測序得到的不同治療組間差異豐富物種的熱圖。橫坐標(biāo)代表受試者樣本，縱坐標(biāo)代表物種(FDR<0.05，雙側(cè)非配對Wilcoxon檢驗)。其中萬古霉素組的物種相對豐度有下降的趨勢，31種下降，10種增加。與16SrRNA基因測序數(shù)據(jù)一致，在萬古霉素處理的個體中，有3個Veillonella菌屬顯著富集，還檢測到多種乳桿菌和克雷伯氏菌以及感染乳桿菌的強(qiáng)毒噬菌體(LcNu)的富集。

e)：萬古霉素和安慰劑與UF和OF之間的16S rRNA序列變異的Venn圖。

3. 對UF和OF組、萬古霉素組和安慰劑組與代謝疾病相關(guān)的宿主-微生物相互作用的機(jī)制研究。丁酸鹽是腸道細(xì)菌代謝的主要終產(chǎn)物。脫氧膽酸，一種次級膽酸，較低的濃度可能意味著腸道屏障的保護(hù)和較低的營養(yǎng)吸收。

通過分析KEGG代謝途徑，發(fā)現(xiàn)了三條在萬古霉素和安慰劑之間差異豐富的代謝途徑。其中的兩條(丙酮酸發(fā)酵為丁酸和乙酰丁酸梭菌產(chǎn)酸發(fā)酵超途徑)與糖發(fā)酵為主要短鏈脂肪酸丁酸鹽(又名丁酸)有關(guān)。說明萬古霉素治療期間腸道菌群可能會減少丁酸的產(chǎn)生或細(xì)菌代謝。

“Δ ”表示組內(nèi)干預(yù)措施前后的差異

a)：OF和UF期間丁酸鹽的平均濃度；b)：萬古霉素組和安慰劑組的丁酸鹽的平均濃度。UF和萬古霉素處理組的丁酸鹽平均濃度均顯著下降，這支持腸道菌群在這些干預(yù)過程中獲取營養(yǎng)的能力下降的說法。

c)：OF和UF期間脫氧膽酸的平均濃度；d)：萬古霉素組和安慰劑組的脫氧膽酸的平均濃度。脫氧膽酸的平均濃度在UF和萬古霉素處理組也顯著降低了。

結(jié)論

在這項分兩個階段的研究中，研究人員直接測量了攝入的和糞便的卡路里，證明了限制熱量攝入和口服萬古霉素都會導(dǎo)致糞便熱量流失增加，血漿丁酸水平降低。這種影響的幅度約為攝入卡路里的2.5%，這將轉(zhuǎn)化為100公斤受試者在1年內(nèi)體重減輕約1.2公斤。另一方面，研究人員觀察到UF和OF對腸道微生物群落結(jié)構(gòu)的輕微干擾，而口服萬古霉素引起了廣泛的變化，降低了腸道細(xì)菌的多樣性，并使腸道細(xì)菌的相對豐度發(fā)生了顯著變化。這兩種擾動都導(dǎo)致了嗜粘蛋白艾克曼菌的相對豐度增加。而在人一項基于人體的隨機(jī)、雙盲、安慰劑對照的先導(dǎo)研究顯示，補(bǔ)充嗜粘蛋白艾克曼菌有降低體重和脂肪量的趨勢。此外，體外研究表明，丁酸和其他短鏈脂肪酸可以刺激腸道屏障的形成，從而保護(hù)腸道免受LPSs的破壞。根據(jù)研究人員的觀察表明，熱量攝入和抗生素可能會破壞這些代謝產(chǎn)物和其他調(diào)節(jié)屏障功能的微生物代謝產(chǎn)物之間的平衡，導(dǎo)致營養(yǎng)吸收的改變。研究中也有一些局限性，比如盡管腸道微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝物濃度發(fā)生廣泛變化，但未發(fā)現(xiàn)口服萬古霉素對糞便熱量的影響、不知道其他抗生素是否會對糞便卡路里產(chǎn)生影響、任何關(guān)于營養(yǎng)吸收的機(jī)制都是推測出來的，因為沒能直接評估營養(yǎng)在腸道中的傳輸?shù)取?/p>

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