2018-03-22
最近，派森諾生物與上海第六人民醫院合作，在知名期刊《BMC Biology》（影響因子6.779）上發表研究成果，通過飲食誘導的肥胖小鼠模型，結合代謝組學和微生物組學分析，揭示了膽汁酸對腸道菌群的重要塑造作用。
研究背景
眾所周知，腸道菌群通過腸道BAs（bile acid）生物轉化以及利用腸道核法尼醇X受體（FXR）刺激纖維原細胞生長因子19的表達，來調控體內膽汁酸的平衡。另一方面，BAs因其強大的抗菌活性，可以直接調節腸道菌群。但是，哺乳動物的BAs和腸道菌群如何關聯，以及如何通過動態互作影響菌群組成，目前尚不清楚。
本研究系統評估了雄性C57BL/6小鼠在飲食誘導的肥胖模型中的BA變化和腸道菌群的改變。代謝組學分析了宿主——菌群共代謝物質，說明BAs是一個影響腸道菌群的變化的重要因素。小鼠喂食HFD（high-fat diet）或者BAs后，分析BA的變化和菌群組成變化以及腸道菌群對HFD的動態響應，檢測BAs和腸道菌群組成變化之間的關聯，從而提出一種新的治療方案，即通過靶向BA代謝阻止和治療代謝疾病。
研究方法
測序技術：Illumina MiSeq平臺
測序模式：16S rRNA基因V4-V5區
實驗設計：
研究結果
3.1 HFD治療引起的代謝組和腸道菌群變化的相關性揭示BAs是影響腸道菌群的重要因素
代謝組測定（GC/TOFMS、UPLC/TQMS、UPLC/QTOFMS等）和16S rRNA測序結果分析表明BAs與8個門水平上的腸道菌群中的5個是顯著相關的，說明BAs是影響腸道菌群的相關的代謝物。對Control組和HFD組的小鼠進行BAs含量的定量分析，發現HFD組盲腸中BAs水平顯著增加。所有CA衍生得到的BAs的水平顯著增加了，說明這些BAs可能是對高脂飲食產生響應的重要BA類別。
圖1 代謝物與門水平腸道菌群的相關性以及隨著HFD的干預引起的BA變化
3.2 高脂飲食引起的腸道菌群的改變及其與BAs的關聯
Simpson指數在HFD組中要比Control組要低，說明菌群的多樣性在HFD干預后降低。PCoA和基于Bray–Curtis的聚類分析結果表明兩組之間能明顯分離。菌群豐度分析發現在Control組中主要是Proteobacteria (41.91%)，Firmicutes (30.59%)，和Bacteroidetes (26.22%)，但是在HFD組中主要是Firmicutes (47.51%)，Proteobacteria (34.86%) 和 Bacteroidetes(16.94%)。熱圖結果表明42種BAs中有33個至少和一種菌群顯著相關。Bacteroidetes 和Verrucomicrobia中的大多數菌群和BA的變化是負相關的，Firumicutes 和Proteobacteria中的菌群卻是正相關的。
圖2 小鼠盲腸中HFD引起的菌群組成變化
3.3 BAs如何改變腸道菌群組成
對不同時間點的Control組和HFD組進行PLS-DA分析，表明在HFD干預的第一天顯著改變，菌群在D1到D3發生大幅度上下波動。BAs的數量在HFD干預12h后就達到了穩定期，表明HFD快速刺激了BA分泌。菌群數量逐步增加，在D3達到了高值。HFD干預后10天，所有檢測到的BAs都有上下波動，同時兩種菌群在D28時被影響。這說明HFD的干預先對BAs產生響應，可能再同時影響腸道菌群。腸道菌群的改變遲于BA的增加，意味著BAs可能調控腸道菌群的組成。
圖3 BAs隨時間發生的變化及菌群對HFD的響應
3.4 BAs單獨誘導肥胖相關腸道菌群發生變化
CA型BAs在HFD干預后顯著增加，表明這些BAs的主要作用是和高脂飲食有關聯。喂食GCA和TCA顯著改變了總BA特別是次級BAs增加。補充BAs顯著改變了小鼠的表型和生化指標，變化趨勢和HFD中類似。體重增長，脂肪量，肝臟重量和血清總膽固醇都得到增加。結果證實表型改變和BA的調控相關。
16S rRNA基因測序結果表明，和Control組相比，Alpha多樣性Simpson指數在Control+BA組中是減少的，比HFD組中還要低。PCoA分析表明對標準飲食的菌群組成，BA和HFD有著類似的改變效果。和Control組相比，Control+BA組中腸道菌群主要變化是Bacteroidetes (26.22% to 23.53%) 和Firmicutes (30.59% to 33.24%)，但是Verrucomicrobia顯著減少。這和HFD組結果類似。熱圖結果顯示HFD組和Control+BA組的菌群有類似的變化趨勢。這樣的結果意味肥胖相關的腸道菌群中R. gnavus，Blautia spp.，Allobaculum spp.，Bilophila spp.，Desulfovibrio spp.，Prevotella spp.，Bacteroides spp.，和Akkermansia muciniphila可能受BAs的調控。
圖4 喂食HFD和BA后BAs濃度，生理變化和菌群組成
3.5 減少BA可以作為一種衰減HFD誘導的腸道菌群變化和肥胖表型的備選治療方案
FXR興奮劑，GW4064可以抑制C57BL/6J小鼠肝臟中BA的合成。和預期的結果一樣，GW4064的使用減弱了HFD組小鼠中BA的增加，特別是總BAs和次級BAs。抗生素抑制了腸道菌群后，和HFD組相比BAs特別是初級BAs顯著增加了。喂食了摻雜有GW4064的HFD組的小鼠，體重并沒有增加，同樣減少了脂肪量和肝臟重量。另外補充GW4064中和了HFD誘導血清總膽固醇升高的作用。在HFD+rifaximin組中，發現體重，腹部脂肪組織重量，肝臟重量和血清總膽固醇都有所減少。
通過GW4064誘導的BA調控作用，腸道菌群的Alpha多樣性顯著增加。PCoA分析表明HFD+GW4064組和Control組更相似，說明肥胖相關的腸道菌群的組成經過BA調控作用后會得到反轉。門水平柱狀圖表明HFD+ GW4064組的腸道菌群的組成和Control組很類似。所以，利用FXR抗生素可以阻止或者反轉高脂飲食誘導的腸道菌群的變化，改善肥胖表型的發展。
圖5 喂食HFD, HFD + GW4064, and HFD + rifaximin之后BAs的濃度，生理變化及菌群的組成
總 結
通過定量測定小鼠中小分子代謝物，發現內生代謝物中BAs是和菌群變化相關的重要的因子。高脂飲食（HFD）的干預，導致12h內BA快速且顯著的增加，隨后在24h內改變了菌群組成，證明BAs是調控腸道菌群的主要飲食因素。研究結果表明BAs和HFD誘導的腸道菌群的變化之間有相互關聯的關系。通過BA分泌或者合成的減少，證實膳食干預和FXR活化在肥胖治療中起著關鍵的調控作用。
參考文獻
Zheng X, Huang F, Zhao A, et al. Bile acid is a significant host factor shaping the gut microbiome of diet-induced obese mice[J]. BMC Biology, 2017, 15(1):120.
