編譯：微科盟溧陽，編輯：微科盟居居、江舜堯。

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導(dǎo)讀   

飲食，尤其是纖維含量，在維持健康的腸道微生物群方面發(fā)揮著重要作用，從而促進腸道和代謝健康。微生物群組成的另一個主要決定因素是生命早期獲得的特定微生物。因此，我們假設(shè)哺乳期母親飲食的改變可能會持續(xù)影響后代的微生物群組成和健康狀況。因此，本研究觀察到，盡管后代食用富含纖維的飲食，但喂養(yǎng)哺乳期母鼠的低纖維飲食會導(dǎo)致后代出現(xiàn)持久的微生物群失調(diào)，包括分類多樣性降低和變形菌門物種豐度增加。這種微生物群失調(diào)與細(xì)菌侵入內(nèi)粘液層的增加、低度腸道炎癥以及暴露于肥胖飲食后顯著加劇的微生物群依賴性肥胖增加有關(guān)。因此，母親的飲食是后代微生物群組成的關(guān)鍵長期決定因素，影響腸道健康和肥胖及其相關(guān)疾病的易感性。  

圖文摘要

論文ID

原名：Maternal fiber deprivation alters microbiota in offspring, resulting in low-grade inflammation and predisposition to obesity

譯名：母體纖維缺失會改變后代的微生物群，導(dǎo)致輕度炎癥和肥胖傾向

期刊：Cell Host & Microbe

IF：31.316

發(fā)表時間：2022.12

通訊作者：Jun Zou，Andrew T. Gewirtz

通訊作者單位：美國佐治亞州立大學(xué)

DOI號：10.1016/j.chom.2022.10.014

實驗設(shè)計

結(jié)果

1.哺乳期母鼠喂食低纖維飼糧會影響后代微生物組、腸道和代謝 

用于生物醫(yī)學(xué)研究的小鼠通常飼喂以谷物為基礎(chǔ)的嚙齒動物飼料(GBC)。GBC由相對未精制的成分組成，這導(dǎo)致了批次之間存在差異，混淆了基于飲食的研究，從而促使人們使用“開源”飲食，這些飲食的成分定義明確，由相對不變的成分組成。雖然存在可變性，但GBC本身富含纖維(15%-25%)，包括可溶性/可發(fā)酵纖維，可供腸道微生物利用，從而促進腸道和代謝健康。相比之下，“開源”飲食通常只含有5%的纖維，因此被認(rèn)為是低纖維飲食。此外，所用的纖維通常是不溶且高度耐發(fā)酵的纖維素。因此，這種低纖維飲食無法支持健康的腸道微生物利用，導(dǎo)致腸上皮生長停滯、輕度炎癥，并促進肥胖，尤其是當(dāng)這種低纖維膳食也富含飽和脂肪時。盡管飲食引起的腸道菌群變化是可逆的，但我們假設(shè)哺乳期飲食引起的微生物失調(diào)可能對其后代的宿主-微生物關(guān)系造成持久的不利影響。如圖1A所示，我們通過在幼鼠出生后不久將哺乳期母鼠的飲食從GBC改為低纖維低脂飲食(LF-LFD)或低纖維高脂飲食(LF-HFD)來驗證這一假設(shè)。LF-HFD 60%的熱量來自脂肪，而使用LF-LFD的目的是闡明高脂肪和低纖維的相對作用。哺乳期飲食一直維持到幼鼠3周齡斷奶，在此期間分析母鼠和幼鼠的糞便微生物群和代謝表型。 與我們在非哺乳期小鼠中發(fā)表的研究類似，通過16S rRNA基因測序和Uni-Frac/主坐標(biāo)分析(PCoA)對糞便微生物群進行分析，發(fā)現(xiàn)喂食GBC的母鼠與喂食低纖維飼料的母鼠腸道菌群存在明顯的基于飲食的微生物聚類模式(圖1B)。此外，各組幼鼠的微生物與各自母鼠相似，這表明，飲食對腸道微生物的影響確實已經(jīng)傳遞給了后代。UniFrac距離的測量證實，這些差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(圖1C)。此外，先前在喂食低纖維飼料的非哺乳期小鼠中觀察到的主要生物失調(diào)特征也出現(xiàn)在缺乏纖維的哺乳期母鼠及其幼鼠中。根據(jù)觀察到的分類群數(shù)量(圖1D)和均勻度，發(fā)現(xiàn)纖維缺乏的母鼠及其幼鼠表現(xiàn)出較低的α-多樣性(圖1E)。同時也觀察到Faith系統(tǒng)發(fā)育多樣性有降低趨勢，但在缺乏纖維的母鼠中沒有統(tǒng)計學(xué)意義(圖1F)。此外，纖維缺乏改變了門水平上的腸道微生物組成，包括母鼠和斷奶幼鼠的變形菌門豐度增加(圖1G-1I)。在小腸微生物組中也觀察到類似的微生物失調(diào)特征。因此，與微生物群垂直傳播的概念一致，母親在哺乳期飲食改變會引起剛斷奶幼鼠出現(xiàn)腸道微生物失調(diào)。

哺乳期母鼠低纖維飲食引起了代謝表型的變化，這與之前在非哺乳期小鼠中觀察到的結(jié)果相似。與喂食GBC的母鼠相比，3周LF-HFD導(dǎo)致體重增加，但不顯著；而兩種低纖維飲食都會導(dǎo)致母鼠脂肪增加和葡萄糖耐量降低(圖1J-1N)。低纖維飲食也導(dǎo)致結(jié)腸重量和長度減少，這表明先前描述的腸道表型也在哺乳期小鼠中表現(xiàn)出來。類似的代謝表型在剛斷奶的幼鼠中也很明顯。與母親喂食GBC的幼鼠相比，LF-LFD和LF-HFD的母鼠更大程度上會導(dǎo)致3周齡幼鼠體重/脂肪增加，非空腹血糖水平升高(圖1O-1R)。幼鼠腸道形態(tài)沒有隨著這些代謝表型發(fā)生明顯變化，而在直接攝入這些食物的母鼠中觀察到。通過流式細(xì)胞儀對腸道先天免疫細(xì)胞進行分析發(fā)現(xiàn)，幼鼠出現(xiàn)輕度腸道炎癥，包括小腸和結(jié)腸中M1/M2巨噬細(xì)胞比例增加，中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞水平升高。這些變化與CD4和CD8 T細(xì)胞的變化以及B細(xì)胞頻率的降低有關(guān)，這可能反映了炎癥細(xì)胞的增加。

圖1 哺乳期母鼠飼喂低纖維飲食會影響后代的微生物群和代謝健康。

(A)方案：在哺乳期分別飼喂谷物基礎(chǔ)飼糧(GBC)、低纖維低脂肪飼糧(LF-LFD)和低纖維高脂肪飼糧(LF-HFD)。母鼠和小鼠在哺乳期結(jié)束時安樂死；通過16S rRNA測序分析糞便微生物組成(每組母鼠n=4，每組幼鼠n=8-9)；(B)基于非加權(quán)UniFrac的PCoA分析；(C) GBC組與LF-LFD/LF-HFD組菌群之間的UniFrac距離；(D) OTU豐富度的稀疏曲線；(E)腸道菌群的Alpha多樣性；(F) Faith系統(tǒng)發(fā)育多樣性；(G)門水平相對豐度；(H)厚壁菌門與擬桿菌門比值；(I)變形菌門的百分比。母鼠哺乳期結(jié)束時代謝數(shù)據(jù)(每組n=6-8)，包括(J)體重、(K)卵巢周圍脂肪墊重量；(L)脂肪墊與體重的比率；(M)腹內(nèi)葡萄糖耐量試驗(GTT)；(N) GTT曲線下面積(AUC)。幼鼠斷奶期代謝數(shù)據(jù)(每組n=9-10)包括(O)斷奶時體重；(P)絕對周脂肪量；(Q)周脂肪率；(R)非空腹血糖水平。   

2.母體纖維缺乏對后代微生物組的影響是長期的

接下來，我們研究了如果小鼠維持富含纖維的飲食，即GBC，母體哺乳期飲食是否會繼續(xù)影響幼鼠微生物和表型(圖2A)。對12周齡的幼鼠(即喂食GBC 9周后)的糞便微生物分析發(fā)現(xiàn)，喂食GBC并不能彌補由于母體纖維缺乏導(dǎo)致的α多樣性減少(圖2B–2D)。PCoA分析顯示哺乳期母鼠攝入GBC和低纖維使得后代小鼠之間微生物組成存在顯著差異(圖2E和2F)。這種差異在門水平上仍然很明顯(圖2G)，LF-LFD和LF-HFD喂養(yǎng)的母鼠后代中變形菌門豐度均顯著升高(圖2H)。每毫克糞便中的細(xì)菌總水平發(fā)生改變且與可發(fā)酵纖維含量成正比，但在其后代中沒有差異，表明細(xì)菌密度沒有受到母體飲食的影響。

圖2 母體纖維缺乏持續(xù)影響后代微生物群，并加劇后代飲食誘導(dǎo)的肥胖。

(A)方案：哺乳期母鼠按指定的飲食喂養(yǎng)，雄性后代小鼠在3周齡斷奶，飼喂GBC至12周齡，收集糞便進行16S rRNA測序，然后進行LF-HFD 4周(每組n=5-9只)。(B) 12周齡小鼠腸道菌群α多樣性；(C) Pielou’s均勻度；(D) OTU豐富度的稀疏曲線；基于非加權(quán)UniFrac(E)和加權(quán)UniFrac(F)的PCoA分析12周齡的后代腸道微生物群的β多樣性；(G)門水平相對豐度；(H)變形菌門相對豐度。實驗結(jié)束時測量后代小鼠代謝數(shù)據(jù)包括(I)體重；(J)全身脂肪；(K)瘦肉質(zhì)量；(L)附睪脂肪、腸系膜脂肪和棕色脂肪組織(BAT)重量；(M)測量血液中膽固醇水平；(N)空腹血糖水平；(O和P)通過腹腔注射葡萄糖進行葡萄糖耐量試驗(GTT)；(Q)計算GTT的AUC；胰島素耐量試驗期間的血糖以(R)絕對濃度或與(S)初始值的相對變化表示；(T)計算S的AUC。     

3.母體纖維缺乏顯著增加了后代飲食引起肥胖的傾向 

接下來，我們研究了母體纖維缺乏對后代代謝表型的影響，LF-HFD長期以來被廣泛用于模擬飲食誘導(dǎo)的肥胖(DIO)。我們發(fā)現(xiàn)，LF-LFD和LF-HFD母鼠的后代在斷奶時體重都有所增加，持續(xù)喂養(yǎng)GBC的母鼠后代在隨后的幾周內(nèi)體重增加不明顯(圖2I)。然而，任何一種低纖維飲食的母鼠都會導(dǎo)致幼鼠嚴(yán)重的DIO表型，表現(xiàn)為體重快速增加、脂肪量增加、瘦肉質(zhì)量減少，以及進行LF-HFD 4周后主要脂肪庫的質(zhì)量增加(即16周齡小鼠)(圖2I–2L)。這種嚴(yán)重的DIO與代謝綜合征的其他指標(biāo)平行，即高膽固醇血癥、血糖異常和胰島素抵抗(圖2M-2T)。因此，母體纖維缺乏對代謝的持久影響是適度的，而后代保持富含纖維的飲食對DIO有高度易感性。     

4.母體纖維缺乏通過影響微生物群促進DIO 

在小鼠中，減少小鼠窩數(shù)會增加哺乳期小鼠的熱量消耗。實驗誘導(dǎo)的結(jié)腸炎的傾向肥胖也可以被視為一種炎癥性疾病，我們推測，低纖維飲食可能會導(dǎo)致母鼠攝入更多熱量，在哺乳期將這些熱量傳遞給后代，從而促使它們產(chǎn)生DIO。然而，減少窩數(shù)并沒有改變12周齡小鼠對DIO的傾向。因此，我們假設(shè)，缺乏纖維飲食母鼠的后代出現(xiàn)DIO加劇是由其微生物失調(diào)驅(qū)動的。為了驗證這一觀點，我們比較了從8周齡開始并在整個DIO過程中，使用或不使用廣譜抗生素消除微生物對GBC飲食和纖維缺乏飲食母鼠的子代的影響(圖3A)?？股夭]有改善GBC喂養(yǎng)的母鼠后代的DIO，但在很大程度上緩解了纖維缺乏母鼠后代表現(xiàn)出的DIO惡化(圖3B-3E)。與先前的研究一致，抗生素減少了DIO誘導(dǎo)的血糖異常(圖3F-3H)。此外，母體纖維缺乏不會加劇抗生素介導(dǎo)的微生物群消除的幼鼠的血糖異常(圖3F-3H)。在LF-HFD 4周前停止使用抗生素，也減弱了母體纖維缺乏對幼鼠DIO的影響。這一結(jié)果表明，缺乏纖維母鼠的后代對DIO的易感性是由暴露于致肥胖飲食的微生物群決定的。我們還通過共住研究了微生物群在母體纖維缺乏導(dǎo)致的DIO惡化中的作用。具體而言，斷奶后，飼喂GBC或LF-LFD的母鼠的后代被放置在一個籠子中，以實現(xiàn)腸道微生物群的自然交換(圖3I)，使共住小鼠具有相似的微生物群，如基于非加權(quán)UniFrac距離和變形菌門相對豐度所示(圖3J和3K)。這些微生物群的正?；c免疫細(xì)胞以及對DIO的敏感性相似相關(guān)(圖3L–3O)，從而進一步支持母體纖維缺乏對微生物組成的影響介導(dǎo)了DIO加劇的觀點。此外，共同飼養(yǎng)的小鼠DIO程度與GBC飼養(yǎng)的母鼠的非共同飼養(yǎng)后代相似，這表明母鼠傳遞給后代的微生物具有保護作用。

通過糞便微生物群移植研究母體纖維缺乏導(dǎo)致的微生物組變化在多大程度上可以加劇DIO的程度。首先，給8周齡無菌小鼠施用12周齡GBC喂養(yǎng)的后代的糞便懸液，這些后代在哺乳期飼喂GBC、LF-LFD或LF-HFD飲食。4周后，這些小鼠暴露于LF-HFD 4周(圖4A)。在移植母體纖維缺乏后代糞便菌群的受體小鼠中出現(xiàn)肥胖和血糖異常，表明微生物組成會影響母體纖維缺乏引起的小鼠DIO表型(圖4B-4F)。接下來，探究了變形菌門的豐度，發(fā)現(xiàn)其在喂食低纖維飲食母鼠的后代中富集，并且可能會影響DIO。清除小鼠腸道微生物，然后移植GBC飲食小鼠的糞便菌群，補充/不補充富含變形菌的菌群(PEC)，16S rRNA測序表明其含有98%的Proteobacteria，主要是Aggregatebacter屬和Sutterella屬(圖4G)。這些小鼠前4周進行GBC飲食，后4周進行LF-HFD(圖4H)。在糞便移植中添加PEC不會顯著改變體重，但會導(dǎo)致葡萄糖耐量適度增加，并改變附睪脂肪質(zhì)量與體重的比例(圖4I-4L)。在糞便懸液中加入變形菌分離物，即Aggregatibacter菌株，得到了類似的DIO增強效果(圖4M-N)。這種DIO增強與FMT后4周結(jié)腸M1/M2比率增加和中性粒細(xì)胞輕度內(nèi)流有關(guān)。這些結(jié)果進一步支持了以下假設(shè)：腸道微生物的改變，特別是變形菌水平升高的微生物群，有助于母體缺乏纖維導(dǎo)致的肥胖傾向。

圖3 通過抗生素或共同居住消除了母體纖維缺乏導(dǎo)致的后代DIO惡化。

(A)方案：從8周齡開始，通過飲用含有廣譜抗生素的飲用水，對哺乳期喂養(yǎng)三種飲食的母鼠的雄性后代(每組n=3–5只)進行微生物群消除。(B)未攝入抗生素后代體重；(C)攝入抗生素后代體重；(D)安樂死時附睪脂肪質(zhì)量；(E)附睪脂肪質(zhì)量與體重的百分比；(F)小鼠禁食5小時后基礎(chǔ)葡萄糖水平；(G)腹腔葡萄糖耐量測試；(H)計算G的AUC。(I)方案：3周齡幼鼠(每組n=5–8只)從喂食指定飼料的母鼠斷奶，按指示共同飼養(yǎng)，飼喂GBC至12周齡，然后喂食LF-HFD。(J)通過16S rRNA測序分析同籠和共籠小鼠的微生物群、非加權(quán)UniFrac距離PCoA分析整體組成；(K)變形菌門百分比；(L)同籠和共籠小鼠的腹腔葡萄糖耐量試驗(GTT)；(M) GTT的AUC；(N)附睪脂肪和腸系膜脂肪量，包括絕對值(N)和與體重(O)的關(guān)系。

圖4 移植纖維缺失母鼠后代的微生物群加劇了受體小鼠的飲食誘導(dǎo)肥胖。

(A)方案：將12周齡的GBC、LF-LFD或LF-HFD喂養(yǎng)的母鼠的后代糞便微生物群移植(FMT)到無菌小鼠體內(nèi)(每組n=5只)。FMT后4周，小鼠接受為期4周的LF-LFD喂養(yǎng)，然后實施安樂死；(B)受體小鼠附睪脂肪組織；(C)附睪脂肪組織與體重百分比；(D) LF-HFD喂養(yǎng)28天后，小鼠禁食過夜，測量基礎(chǔ)葡萄糖水平；(E)腹腔葡萄糖耐量測試；(F)計算E的AUC；(G)在(H)-(L)中使用的糞便變形菌富集菌群(PEC)的屬水平組成；(H) 3周齡的常規(guī)小鼠(CV)清除腸道微生物，然后給予GBC喂養(yǎng)的小鼠糞便懸液+/-PEC(I-L)或Aggregatibacter分離株(M和N)，小鼠(每組n=5只)繼續(xù)飼喂GBC，隨后進行4周(I-L)或2周(M和N)的LF-HFD喂養(yǎng)；(I和J)葡萄糖耐量(I)和相應(yīng)的AUC(J)。(K-N)肥胖傾向。

5.母體纖維缺乏導(dǎo)致微生物群入侵和輕度炎癥

接下來，作者研究母體纖維缺乏如何影響12周齡小鼠的粘膜，此時它們已經(jīng)喂食了9周的GBC，因此只有中度肥胖，但很容易發(fā)生DIO。通過共聚焦顯微鏡對微生物群定位分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有更多細(xì)菌侵入結(jié)腸內(nèi)粘液(圖5A)。母體纖維缺乏導(dǎo)致12周齡GBC喂養(yǎng)的后代中出現(xiàn)了明顯的微生物群侵襲(圖5B)。這種表型與IgA包被的糞便細(xì)菌百分比的減少有關(guān)(圖5C-D)。在這些后代小鼠中，沒有觀察到緊密連接蛋白claudin-1表達(dá)或粘液厚度的變化，這在直接食用低纖維飲食的小鼠中有所減少。母體纖維缺乏導(dǎo)致的微生物群侵襲與糞便中抗菌蛋白/炎癥標(biāo)志物脂質(zhì)運載蛋白-2水平升高以及血清抗鞭毛蛋白和抗LPS抗體水平升高相關(guān)，而IgG1和IgG2C的總血清濃度沒有變化。流式細(xì)胞儀分析發(fā)現(xiàn)，在回腸和結(jié)腸中母體纖維缺失導(dǎo)致子代小鼠中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、M1巨噬細(xì)胞顯著增加，M1/M2巨噬細(xì)胞比例升高，小腸回腸DC升高，尤其是CD11b-CD103+(圖5E-5I)。淋巴細(xì)胞分析顯示，B細(xì)胞和T細(xì)胞的頻率和數(shù)量減少，尤其是在小腸中(圖5J和5K)。對T細(xì)胞亞群的分析顯示，纖維缺乏母鼠的后代腸道中CD8細(xì)胞適度增加，CD4細(xì)胞減少(圖5L，5M)。在脾臟和脂肪組織中觀察到類似的現(xiàn)象，這也表明中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞和M1/M2比率增加(圖5E–5G)。我們還觀察到B和T淋巴細(xì)胞的頻率適度降低。這種差異的一部分與這些細(xì)胞類型的絕對數(shù)量減少有關(guān)，但也可能反映了脾細(xì)胞的總數(shù)增加，例如，脾臟中B細(xì)胞的絕對數(shù)量并沒有顯著變化(圖5J–5M)。對CD4 T細(xì)胞進一步分析顯示，母體纖維缺乏導(dǎo)致調(diào)節(jié)性T細(xì)胞適度減少，IL17+和IFNγ+細(xì)胞適度增加(圖5N–5Q)?？偟膩碚f，這些結(jié)果支持了缺乏纖維的母鼠后代出現(xiàn)持續(xù)輕度炎癥的觀點。

圖5 母體飲食對后代微生物群定位和促炎潛能的影響。

（A和B）通過FISH對12周齡后代結(jié)腸中的微生物粘液上皮定位，每組n=7-9；(A)代表性共聚焦圖像；(B)每個HPF的平均細(xì)菌-上皮距離；(C)細(xì)菌IgA包被涂層，每組n=4-6；(D)使用Rag-/-糞便作為陰性對照，用于辨別糞便中涂有IgA的細(xì)菌的百分比；(E-M)對12周齡的后代(每組n=5)的免疫細(xì)胞進行流式細(xì)胞術(shù)分析，對中性粒細(xì)胞(Neu)、單核細(xì)胞、M1/M2巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞(DC)以及B和T淋巴細(xì)胞進行定量；(N)功能性T細(xì)胞亞群分析(每組n=3-5)，體外用PMA刺激小腸淋巴細(xì)胞和脾細(xì)胞；(O)計算調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(P)、IFN-gγ++(Q)IL-17+ T細(xì)胞百分比。單因素方差分析：*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001，****p<0.0001。     

6.母體纖維缺乏與后代能量攝入增加相關(guān) 

輕度炎癥和微生物群穩(wěn)態(tài)紊亂可能與上皮細(xì)胞增殖增加相關(guān)。因此，母體纖維缺失導(dǎo)致Ki67染色增加和BrDu的遷移增加，分別表明上皮細(xì)胞增殖和遷移增加。這種改變與較長的絨毛相關(guān)，我們假設(shè)這可能會促進LF-HFD飲食中豐富的脂質(zhì)的攝入。根據(jù)這一觀點，我們觀察到在給予脂質(zhì)刺激后血清TG升高。我們設(shè)想，增殖/遷移增加的另一個可能后果可能是分化程度更高的腸上皮細(xì)胞(如產(chǎn)生代謝調(diào)節(jié)物(包括GLP-1)的L細(xì)胞)數(shù)量減少。因此，作者觀察到纖維缺乏母鼠的后代中GLP-1+ L細(xì)胞減少，GLP1 mRNA水平降低。GLP-1可以促進飽腹感，因此有可能解釋為什么母親缺乏纖維會導(dǎo)致子代GBC消費增加了15%。通過隨意給予LF-HFD或通過配對喂食來研究過度攝食在DIO惡化中的作用。喂食GBC、LF-LFD或LF-HFD母鼠的后代每天攝入精確量的LF-HFD，相當(dāng)于年齡匹配的對照小鼠在隨意喂食時所攝入量的90%。這種食物限制盡管沒有完全使肥胖和血糖水平正常化，但在很大程度上表明攝食過多在母體纖維缺乏導(dǎo)致的DIO惡化中起主要作用，但可能無法完全解釋。這些結(jié)果表明，缺乏纖維母鼠的后代已經(jīng)做好了高能量攝入和儲存的準(zhǔn)備，特別是在獲得富含能量的食物時。 

7.富含菊粉的母體飲食可改善母體纖維缺乏引起的生態(tài)失調(diào)及其相關(guān)后果 

低纖維飲食對非哺乳期小鼠腸道和代謝表型的許多不利影響可以通過在此類飲食中添加可發(fā)酵纖維菊粉來預(yù)防。因此，我們研究了在母鼠低纖維飲食中添加菊粉是否可以保護其后代免受嚴(yán)重的DIO。比較了喂食GBC、LF-LFD和富含菊粉的低脂飲食(IE-LFD)的哺乳期母鼠的后代(圖6A)。首先，我們研究了對微生物群組成的影響，在非哺乳期小鼠中，菊粉會改變微生物組成，但不會使微生物恢復(fù)到GBC喂養(yǎng)小鼠的微生物群。在本研究中也觀察到類似結(jié)果。食用GBC 9周的12周齡母鼠的后代糞便微生物根據(jù)母體飲食類型聚類，但Uni-Frac距離顯示母鼠GBC與IE-LFD喂養(yǎng)的差異僅略小于GB與LF-LFD的差異(圖6B-C)。盡管如此，IE-LFD飲食母鼠的后代Proteobacteria豐度沒有增加(圖6D-E)。在科水平上對該門的分析表明，在多個科中都可以看到Proteobacteria減少，包括與嚴(yán)重DIO相關(guān)的Desulfovibrio(圖6F)。攝入菊粉的另一個已知和假定的有益影響是Bifidobacterium顯著增加，其水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過GBC喂養(yǎng)的小鼠中觀察到的水平。添加菊粉的LF-LFD母鼠也減輕了異常微生物群定居。通過共焦顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)，喂食LF-LFD(而不是GBC或IE-LFD)的后代小鼠細(xì)菌非常接近或超過上皮細(xì)胞(圖6H)?？缍鄠€區(qū)域的微生物群-上皮距離的測量證實，這種微生物群入侵存在于喂食LF-LFD(而不是IE-LFD)的母鼠的后代中(圖6I)。而qPCR表明喂食LF-LFD的母鼠后代中附著于回腸上皮的細(xì)菌水平較高(圖6J)。防止后代微生物入侵也與糞便中IgA包被細(xì)菌的增加有關(guān)(圖6K)。添加菊粉的LF-LFD也糾正了上述對后代腸粘膜的影響。具體而言，攝入LF-LFD(而非IE-LFD)的母鼠會改變結(jié)腸中免疫細(xì)胞和GLP-1陽性細(xì)胞水平。 母鼠攝入菊粉和LF-LFD也可以防止其后代患肥胖癥(圖7)。富含菊粉的低纖維母體飲食，使得其雄性后代的基礎(chǔ)體重、肥胖增加以及DIO程度正常化(圖7A-7H)。對肝臟和脂肪組織的分析得出了相似的結(jié)果，表明菊粉可以防止飲食誘導(dǎo)的肥胖的其他表現(xiàn)(圖7I–7L)。此外，在喂食GBC、LF-LFD和IE-LFD母鼠的雌性后代中觀察到非常相似的結(jié)果。通過在母親飲食中添加菊粉可以減輕DIO的加重，這與炎癥指數(shù)降低相關(guān)，從肝臟、脂肪組織和腸道中促炎因子、中性粒細(xì)胞和M1/M2巨噬細(xì)胞比率的水平上可以觀察到。總之，這些結(jié)果表明，哺乳期母親食用可發(fā)酵纖維會對其后代的宿主-微生物群關(guān)系產(chǎn)生持久影響，從而影響代謝表型。

圖6 富含菊粉的母體飲食改善了母體纖維缺乏引起的后代的營養(yǎng)不良。

(A)方案：哺乳期喂食指定飼料的母鼠的雄性后代在3周齡時斷奶，并在12周齡時收集糞便。通過16S rRNA基因測序的糞便微生物群組成(每組n=8)，(B)基于非加權(quán)UniFrac距離的PCoA圖；(C)基于加權(quán)UniFrac距離的PCoA圖；(D)門水平相對豐度，包括變形菌門；(F) Proteobacteria；(G)雙歧桿菌屬。通過FISH對12周齡后代結(jié)腸中的微生物粘液上皮定位(每組n=4-6)，(H)代表性共聚焦圖像；(I)每個HPF的平均細(xì)菌-上皮距離；(J) qPCR檢測小腸上皮細(xì)胞粘附的細(xì)菌；(K)細(xì)菌IgA涂層(每組n=7)。單因素方差分析：*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001，****p<0.0001。

圖7 富含可發(fā)酵纖維菊粉的母體飲食降低了后代DIO。

(A)方案：哺乳期喂食指定飼料的母鼠的幼鼠(每組n=9-10)喂食GBC至12周齡，然后喂食LF-HFD；(B)體重；(C)全身脂肪質(zhì)量；(D)瘦肉質(zhì)量；(E)安樂死時測量的附睪、腸系膜和棕色脂肪組織(BAT)重量。(F)空腹血糖水平、(G)葡萄糖耐量和由此產(chǎn)生的AUC(H)。(I)肝臟和脂肪的H＆E染色(代表性圖像)。(J)肝臟重量、(K)肝臟脂肪堆積的相對水平和(L)平均脂肪細(xì)胞面積(每組n=5)。

討論

盡管環(huán)境因素(即非遺傳因素)可能導(dǎo)致了肥胖的發(fā)生，但飲食的變化，特別是高熱量食物的攝入，可能起到了關(guān)鍵作用。然而，西方飲食的能量并不是引發(fā)肥胖的唯一因素。相比之下，它們還缺乏纖維，至少在小鼠中會導(dǎo)致腸道微生物的變化，從而導(dǎo)致輕度炎癥。本研究中使用的低纖維飲食(其纖維總量為標(biāo)準(zhǔn)小鼠飼料(GBC)的25%)通常讓人聯(lián)想到發(fā)達(dá)國家大多數(shù)人的纖維消耗量，這些人通常每天只攝入15克纖維，不到美國農(nóng)業(yè)部建議的一半，反映出纖維消耗量低于理想水平。腸道微生物是從一個人的早期生活環(huán)境中獲得的，這促使我們研究低纖維飲食是否不僅會影響自身，而且也可能影響他們的后代。在哺乳期間，母體纖維缺失導(dǎo)致子代腸道菌群失調(diào)、輕度炎癥和脂肪增加，盡管這些后代本身也食用富含纖維的飲食。

此外，微生物失調(diào)使缺乏纖維的母鼠的后代極易發(fā)生DIO。這些結(jié)果表明腸道菌群組成的社會跨代變化導(dǎo)致了肥胖的流行。本研究強調(diào)了母體纖維攝入在促進后代健康和改善其肥胖傾向方面的重要性。 腸道菌群纖維發(fā)酵的益處包括產(chǎn)生發(fā)酵產(chǎn)物，即短鏈脂肪酸(SCFA)，它為腸上皮細(xì)胞提供能量，此外還有一系列益處，包括改善血糖和調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。此外，可發(fā)酵纖維對微生物群的滋養(yǎng)增加了微生物多樣性，反過來又為宿主提供了一系列獨立于SCFA的益處，包括定植抗性和增加粘膜活力，其特點是腸上皮細(xì)胞增殖、分泌粘液和抗菌肽。總的來說，可發(fā)酵纖維有助于形成一種健康的微生物群-宿主關(guān)系，其特征是低水平的病原菌(通常是變形菌)，并且內(nèi)部粘液層中沒有細(xì)菌。相反，纖維缺失會降低微生物的密度，導(dǎo)致細(xì)菌繼續(xù)滲透和消化粘液層，從而侵入宿主。這導(dǎo)致炎癥細(xì)胞的產(chǎn)生和淋巴細(xì)胞的改變。這種輕度炎癥一般會促進代謝功能障礙，尤其會促進胰島素抵抗，并可能增加DIO的嚴(yán)重程度。 我們之前的工作，特別是添加菊粉的低纖維飲食可以恢復(fù)微生物密度、粘膜活力和代謝健康，但沒有恢復(fù)微生物群組成，認(rèn)為總腸道細(xì)菌負(fù)荷是一個關(guān)鍵參數(shù)。我們在本研究中觀察到，哺乳期母鼠纖維缺失，但其后代小鼠攝入富含纖維的食物后表現(xiàn)出正常的細(xì)菌密度和腸道形態(tài)，即盲腸/結(jié)腸質(zhì)量和隱窩深度沒有明顯減少。

然而，由于母體纖維缺乏導(dǎo)致后代腸道微生物組成改變、低度炎癥，并引起了DIO的發(fā)生。LF-LFD母鼠飲食中添加菊粉可以防止后代出現(xiàn)這些現(xiàn)象，但并不能恢復(fù)微生物群本身的組成?？傮w而言，這些結(jié)果表明微生物密度可能是腸道健康的決定因素，也強調(diào)了微生物群組成在維持健康腸道粘膜中的作用。我們發(fā)現(xiàn)富含變形菌門的微生物群的“遺傳性”可能是導(dǎo)致小鼠易患肥胖以及可能由輕度炎癥引發(fā)其他疾病的一個因素。變形菌的成分，包括鞭毛蛋白，尤其是LPS，是炎癥信號的有效激活劑。因此，我們推測變形菌門豐度的升高和/或它們的侵入可能會增加先天免疫受體(如TLR4)的信號傳遞。 缺乏纖維母鼠的剛斷奶后代表現(xiàn)出變形菌門增高，盡管程度比它們的母親要小。然而，盡管我們預(yù)計攝入富含纖維的食物數(shù)周后會緩解遺傳性菌群失調(diào)，但事實上，GBC喂養(yǎng)9周后變形菌門的升高幅度更大。結(jié)合我們的觀察結(jié)果，將缺乏纖維母鼠的后代與GBC喂養(yǎng)母鼠的后代共同居住在一起，部分小鼠的變形菌恢復(fù)到正常水平，并防止了嚴(yán)重的DIO，這表明母體纖維缺乏導(dǎo)致的菌群失調(diào)可能部分反映了有益微生物的遺傳不足，當(dāng)給予適當(dāng)纖維時，致病菌可以得到有效控制。雖然我們的實驗方法并非旨在識別有助于控制致病菌的特定細(xì)菌，但我們注意到母體飲食中富含菊粉會導(dǎo)致后代Bifidobacterium豐度增加，從而抑制體外變形菌的生長。同時，母體飲食中添加菊粉也減少了后代體內(nèi)變形菌門水平，并改善了對DIO的易感性，這表明一些可能協(xié)同工作的細(xì)菌在營養(yǎng)充足的情況下可以抑制致病生物。我們推測，在免疫系統(tǒng)發(fā)育期間，可能是有益微生物生長的最佳窗口期。因此，預(yù)防未來肥胖的治療干預(yù)措施可能在該窗口期內(nèi)最有效。 

DIO加劇與熱量攝入增加相關(guān)。然而，增加食物攝入只是其代謝表型的一個方面。相反，這些小鼠表現(xiàn)出的腸道生理機能似乎是為了最大限度地攝入能量，包括腸內(nèi)明顯的形態(tài)變化(絨毛變長)，與脂質(zhì)吸收能力增加有關(guān)。這種表型與腸道L細(xì)胞的缺乏和它們的一些產(chǎn)物(即GLP-1)的減少有關(guān)。我們推測，GLP-1水平的降低導(dǎo)致了暴飲暴食和胰島素反應(yīng)性的降低，這種代謝表型在生命早期就已形成，此后通過菌群的改變維持。多種因素限制了我們對小鼠的研究適用于人類的程度。例如，年輕人有廣泛的接觸微生物的機會，但研究中的小鼠只能從母親、兄弟姐妹或放在同一籠子的其他老鼠那里獲得微生物。因此提出了一種可能性，即有益微生物可能是由富含纖維飲食的人類母親傳播，事實上，也可以從其他來源輕易獲得。同樣重要的是，母體纖維缺乏導(dǎo)致后代微生物群改變可能是促進肥胖發(fā)生的眾多機制之一。事實上，將母體纖維缺乏的后代小鼠糞便移植到無菌小鼠體內(nèi)，只能部分重現(xiàn)母體纖維缺乏表型。我們推測其他因素，包括飲食中牛奶成分的影響也可能起作用。小鼠和人類的營養(yǎng)需求不同，這使得將小鼠飲食研究轉(zhuǎn)化為人類本身就很困難。

盡管存在這些問題，但本研究結(jié)果表明，對早期生命事件(包括微生物群的建立)了解不足，會影響代謝表型，從而影響肥胖傾向。

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