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胖不胖問腸道！Nat Med：宏基因+代謝組解析能量平衡與腸道菌群的關聯

2020.6.23

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全球肥胖癥的流行促使人們努力確定影響能量平衡的環境和宿主因素，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鍵決定因素，但是個體消化和吸收消耗的膳食基質的能力的不同程度也可能影響能量平衡。人類數據顯示，大便中的能量損失大約在攝入熱量的2-9%之間變化；然而，導致這種熱量變化的機制及生理相關性仍不清楚。

美國國立衛生研究院和加州大學的研究人員在Nature Medicine（IF=30.641）期刊上在線發表了題為“Effects of Underfeeding and Oral Vancomycin on Gut Microbiome and Nutrient Absorption in Humans”的研究論文，研究人員進行了一項長期的住院研究，利用飲食和藥物干預措施結合16S rRNA、宏基因組和靶向代謝組學技術，證實減少食物攝入和服用抗生素會導致更大比例攝入能量的流失，并且與腸道菌群組成及代謝產物水平密切相關。

研究材料

受試者： 51名健康志愿者入組，經篩選27名志愿者樣本可進行臨床試驗（31天），最終可進行數據分析23名（4名受試者由于飲食周期描述不清楚被排除在分析之外）第一階段：過量和節食干預；第二階段：萬古霉素或安慰劑（NCT02037295）干預，

樣本類型：血漿、糞便、尿液樣本

技術路線

主要研究結果

表型確認：營養不足和抗生素會損害機體營養的吸收

本研究分為兩個階段，第一階段為隨機交叉飲食干預：過量進食組（OF，WMD總能量的150%）和進食不足組（UF，WMD總能量的50%）。第二階段為藥物干預：口服萬古霉素或安慰劑。口服萬古霉素可以降低與體重相關的硬壁菌門的相對豐度，同時保留與有益代謝效應相關的乳酸桿菌。口服萬古霉素對健康人的吸收也很小，幾乎沒有局部或全身副作用。

第一階段的研究發現：熱量攝入的差異導致營養吸收也出現了顯著差異。以流失的百分比計算，UF（過量進食）組能量流失顯著高于OF（節食）組（8.9±3.7% vs. 5.8±1.9%），此外，UF組從食物攝入到成為糞便排出體外花費的時間也更短。第二階段試驗表明，萬古霉素和安慰劑組志愿者在攝入相同能量的情況下，萬古霉素組在絕對能量流失和能量流失百分比上都要顯著高于安慰劑組。上述結果證實：營養不足和萬古霉素都會導致更大比例的攝入能量的流失。

組學解析1：腸道菌群特征分析

為深入解析營養不足和萬古霉素導致營養流失背后的分子調控機制，研究者采用16S rRNA結合宏基因組學技術以腸道菌群作為切入點，評估了飲食干預和藥物干預對腸道微生物群落結構的影響。結果發現飲食和藥物干預均能增加了大便熱量損失，但是對腸道菌群的影響明顯不同，飲食干預對腸道菌群結構的影響較小，而萬古霉素對腸道菌群結構的影響較大，且擴增子和宏基因組測序結果是一致性的。盡管存在這些差異，但在這兩種干擾下有兩種細菌（A. muciniphila和一種隸屬于Lachnospiraceae NK4A136尚未確認的種）的變化一致。

組學解析2：菌群代謝通路分析

為了進一步識別與營養吸收相關的特定細菌基因、蛋白酶和代謝途徑對宿主的相互作用機制。通過分析KEGG代謝途徑發現，飲食干預組無顯著差異，而萬古霉素和安慰劑組發現了三條代謝途徑存在顯著差異，分別是丙酮酸發酵為丁酸、乙酰丁酸梭菌產酸發酵超途徑與糖發酵產短鏈脂肪酸—丁酸鹽途徑。揭示萬古霉素治療期間腸道菌群可能會減少丁酸的產生或細菌代謝。

組學解析3：關鍵調控代謝物分析

為進一步揭示菌群—宿主的相互作用機制，研究者采用靶向代謝方法檢測干預后宿主血漿中短鏈脂肪酸和膽汁酸的含量變化，結果發現：在OF（節食）期間，胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)、瘦素(Leptin)顯著增加，UF（過量進食）期間，胰高血糖素樣肽-2(GLP-2)顯著減少，丁酸鹽UF（過量進食）和萬古霉素之后顯著降低，次級膽汁酸脫氧膽酸在兩次干預后也顯著降低，丁酸鹽是腸道微生物代謝的終產物，血漿丁酸鹽的水平也是腸道微生物對攝入營養物質的利用能力的一個標志物。

小編小結

本研究利用飲食和藥物干預措施，縱向研究證實營養不足和抗生素影響能量攝入與流失比例；進一步結合16S rRNA、宏基因組和靶向代謝組學技術解析腸道菌及代謝小分子在能量流失的分子調控機制，揭示營養不足和抗生素影響人體腸道菌群多樣性和結構組成，并且通過菌群代謝物和調節腸道屏障功能，從而調控機體營養吸收的狀態。

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