科研 | Nature：乙酸盐通过介导微生物-脑-β细胞轴促进代谢综合征
导读
肥胖、胰岛素抵抗和代谢综合征与肠道微生物群的变化有关，然而，肠道微生物群的改变导致这些情况的机制尚不清楚。一些研究发现，血浆和粪便短链脂肪酸(SCFA)浓度的升高和下降与过度喂养、肥胖和代谢综合征有关。然而，SCFA的改变是否以及如何在肥胖的发展中起作用尚未有定论。
本研究结果表明营养-肠道微生物间的相互作用可活化副交感神经，从而增加体内乙酸盐的产生，这一研究为肥胖等疾病的的治疗提供了新靶点。
原名：Acetate mediates a microbiome-brain-β cell axis promoting metabolic syndrome
译名：乙酸盐介导微生物-脑-β细胞轴而促进代谢综合征
期刊：Nature
IF：43.769
发表时间：2016年
通信作者：Gerald I. Shulman
通信作者单位：耶鲁大学医学院
1、肠道微生物引起的脂肪酸周转率
考虑到血浆SCFA的浓度可能不能完全代表身体的SCFA总负荷，本研究建立了气相色谱/质谱(GC/MS)法测定SCFAs（乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐）的全身周转率（wholebodyturnover rates），结果发现，与丙酸和丁酸相比，胰岛素抵抗第3天、高脂喂养(HFD)第4周的大鼠体内乙酸盐的全身周转率，以及血浆和粪便中乙酸盐浓度均显著增加（图1a,b）；
本研究试图研究HFD饲喂大鼠体内乙酸盐周转增加的原因，因此测定了各组织乙酸盐浓度，乙酸盐主要分布在盲肠和升结肠腔内，HFD大鼠在盲肠和结肠中的总乙酸盐含量较正常喂养小鼠增加了2倍以上（图1c，d，图2a）。
图 1
2、肠道微生物是HFD大鼠体内乙酸盐产生和增加的主要来源
首先，该研究试图确定HFD大鼠醋酸盐周转增加的原因，测定了各组织醋酸盐浓度，乙酸盐主要分布在盲肠和升结肠腔内，HFD大鼠在盲肠和结肠中的总乙酸盐含量较正常喂养小鼠增加了两倍以上（图2）。
接下来，为了进一步确定HFD大鼠醋酸盐产量增加的来源。本研究进行了4个独立的体内实验： 1)用生理盐水冲洗盲肠和结肠;2)结扎脾下的门静脉;3)用不易被吸收的广谱抗生素处理大鼠;4)进行急性结肠切除术。结果发现，上述4个实验的干预均可使乙酸盐的全身周转率减少75-90%（图2b-f）。综上，肠道微生物是HFD喂养大鼠内源性乙酸产生增加的主要来源。
图 2
3、乙酸盐促进胰岛素分泌
在高血糖钳夹期间检测葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)，发现HFD喂养3天和4周的大鼠的GSIS的显著增加(图3a)，为了确定乙酸盐的增加与GSIS增加的相关性，利用高血糖钳夹法，向正常喂养大鼠动脉内注射乙酸盐后，大鼠的乙酸盐全身周转率和胰岛素显著增加（图3b-c），表明在HFD饲喂的啮齿动物体内乙酸盐的周转率的增加促进GSIS的急性增加。为了研究肠道微生物在乙酸盐引起的高胰岛素血症中的作用，利用广谱、难以吸收的口服抗生素处理HFD饲喂的大鼠，结果发现在高血糖钳夹期间，GSIS减少70%，通过输注乙酸盐可以显著逆转GSIS水平（图3d-e）。
为了明确微生物和GSIS之间的因果关系，分别将正常饮食组和HFD饮食组大鼠的粪便移植给相应的受体。通过16S rRNA测序，结果揭示粪便移植使受体动物的微生物群与供体的相似（图3f-g）。值得注意的是，粪便移植将相应的乙酸盐周转率、粪便乙酸浓度和GSIS表型从供体组转移到受体组（图3f-g）。
图 3
4、乙酸盐通过副交感神经系统驱动GSIS
上述结果表明乙酸盐周转与GSIS之间的因果关系，研究者进一步探讨了乙酸盐周转增加引起GSIS增加的机制。研究发现，乙酸还是乙酰肉碱均不能刺激离体胰岛增加GSIS（图3h），从而排除了乙酸对β细胞的直接影响。
众所周知，副交感神经是β细胞胰岛素分泌的刺激因子，胃泌素为副交感神经活动的指标。用20μmol/(kg-min)乙酸盐灌胃60min后，血浆胃泌素含量增加3倍（图4a），同时大鼠脑内乙酸盐浓度增加，证实乙酸盐具有进入脑循环的能力(图4b)。
前期研究表明，刺激迷走神经可以促进、切断可以抑制胰岛素基础水平和葡萄糖刺激的胰岛素分泌水平。本研究结果发现，在高血糖钳夹试验中，迷走神经切断术使血浆胰岛素浓度降低了4倍，但是不影响血糖的水平（图4c）；此外，在注射乙酸盐之前用副交感神经阻断剂阿托品处理消除了乙酸盐刺激GSIS的能力（图4d）。
为了进一步评估副交感神经刺激GSIS的作用是否是由中枢介导的，向大鼠脑内注射（ICV）200μM的乙酸盐，使脑脊液乙酸盐浓度增加，在高血糖钳夹期间，脑内注射乙酸盐使GSIS增加3倍，而循环系统中乙酸盐浓度没有任何差异，然而阿托品可阻断这种作用（图4e-f）。提示乙酸盐提高GSIS的机制可能由中枢介导。研究表明，阿托品本身可直接作用于β细胞进而抑制胰岛素分泌，因此本研究向大鼠动脉灌注乙酸盐，并向脑内注射甲基阿托品（不可透过血脑屏障），脑内注射甲基阿托品完全消除了乙酸对GSIS的驱动作用(图4g-h)。为了进一步证实乙酸盐激活副交感神经系统来驱动GSIS这一效应，向孤束核(NTS)内注射了相同剂量的乙酸，发现血浆胃泌素浓度增加了10倍，而血浆乙酸盐无明显改变(图4i-j)，这种干预与动脉灌注和脑内注射乙酸盐对GSIS的影响相一致。综上，乙酸盐增加GSIS的作用是通过激活副交感神经产生的。
图 4
5、乙酸盐的慢性增加导致食欲增加、肥胖及其相关后遗症
该研究进一步探索乙酸盐的慢性增加是否会促进慢性高胰岛素血症、高胃泌素、体重增加以及肥胖相关后遗症。为了验证这一假设，对正常喂养的大鼠连续灌胃20μmol/(kg-min)的乙酸盐10天，结果显示，在高血糖钳夹过程中胰岛素分泌增加，血浆胃泌素浓度增加5倍(图5a-b)。乙酸盐灌胃10天后，可能是由于血浆饥饿激素ghrelin的浓度提高了3倍，实验大鼠的每日卡路里的摄入量和体重都翻倍(图5c-d)；进一步证明了副交感神经激活对乙酸盐慢性驱动GSIS的重要作用。最后，乙酸盐灌注大鼠表现出胰岛素抵抗，血浆、肝脏和骨骼肌甘油三酯含量均增加(图5e-h)，迷走神经切除的大鼠均没有出现这些后果（图5）。
图 5
总之，这一系统的研究表明肠道微生物-营养相互作用引起高脂喂养的啮齿动物体内乙酸盐的产生和增加，进而激活副交感神经系统，导致胃泌素分泌和GSIS的增加，最终形成一个正反馈循环，长期可引起肥胖等相关后遗症（图6）。在进化上，当肠道微生物接触到热量稠密的营养物质时，乙酸产量的增加可能会在肠道微生物区系和中枢神经系统之间产生一个重要的正反馈回路，从而促进觅食动物在荒野中遇到热量密集的食物时食欲增加（因为ghrelin分泌增加）和能量储存增加(由于葡萄糖刺激的胰岛素分泌增加)。然而，在长期接触热量密集、食物丰富的环境下，肠道微生物--脑-β细胞轴促进肥胖及其相关的高脂血症、脂肪肝和胰岛素抵抗后遗症。
该研究系统全面的证明了食物-肠道微生物是体内乙酸盐的主要来源，并发现乙酸盐驱动GSIS这一效应并深入探讨了机制，证实乙酸盐可激活副交感神经系统驱动GSIS，此外更近一步表明慢性乙酸盐的增加导致肥胖等相关后遗症，为肥胖等代谢综合症提供新的治疗靶点。
本文由周皓编译，莫秋芬、江舜尧编辑。