综述 | FRONT MICROBIOL : A.muciniphila在肥胖中与脂肪代谢，免疫应答以及肠道系统的相互作用
编译：小范儿，编辑：小菌菌、江舜尧。
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肥胖及其代谢综合征，包括肝病和2型糖尿病，是一种世界性的流行病，与饮食密切相关。通过影响能量代谢和免疫系统，肠道微生物群相互作用是治疗肥胖症和相关代谢疾病的研究热点。根据已鉴定出的新型有益微生物，嗜黏蛋白-艾克曼克菌（Akkermansia muciniphila）定居于肠道的粘膜层并调节基础代谢。其一直与肥胖相关，各种动物模型和人体研究证明，A.muciniphila是身体代谢的有益参与者，在治疗与肥胖相关的代谢紊乱方面有很大的前景，并被认为是下一代治疗药物。本文旨在探讨近年来发现的A.muciniphila与肥胖及其宿主间相互作用的基本机制，以促进A. muciniphila相关治疗制剂在人体中因果关系的建立。
论文ID
原名：Function of Akkermansia muciniphila in Obesity: Interactions With Lipid Metabolism, Immune Response and Gut Systems
译名：Akkermansia muciniphila在肥胖中的功能：与脂质代谢，免疫反应和肠道系统的相互作用
期刊：Frontiers in Microbiology
IF：4.259
发表时间：2020.02.21
通讯作者：冯奕斌教授
作者单位：香港大学李嘉诚医学院中医学院
实验设计
1. Akkermansia muciniphila对肥胖患者脂质调节的影响
减轻体重的有效方法是促进能量消耗。药物治疗，饮食和生活方式干预可改善能量代谢，已证明其中相关机制与肠道菌群相互作用。由于肠道菌群失调是造成能量失衡的一个因素，肠道菌群干预是治疗与肥胖相关的代谢疾病，包括高脂血症和高血糖症的一种潜在的治疗方法。A.muciniphila与宿主的关系体现在与糖脂代谢相关的能量消耗，从而影响肥胖的发展。以往的研究证明A.muciniphila的富集与肥胖的发生有着密切的负相关关系，其丰度与动物和人的体重成反比。肥胖小鼠补充A.muciniphila可以逆转高脂肪饮食引起的代谢紊乱，如代谢内毒素血症、脂肪质量增加和胰岛素抵抗。然而，口服A.muciniphila不会改变正常饮食小鼠的血脂水平。该观察结果表明，A.muciniphila仅在脂质代谢紊乱的情况下显示其调节作用。在cAMP反应性结合蛋白H（CREBH）缺乏引起的高脂血症小鼠中，接种A.muciniphila可引起甘油三酸酯和餐后乳糜微粒的清除，避免循环中急性脂质超载。在清除过程中，低密度脂蛋白（LDL）受体的表达增加，通过诱导载脂蛋白B 100和载脂蛋白E促进中密度脂蛋白（IDL）上调。因此，在载脂蛋白E缺陷(Apoe - / -)小鼠中，补充A.muciniphila可以改善西方饮食引起的动脉粥样硬化病变的加重。尽管活的A.muciniphila定植没有导致Apoe-/-小鼠（肿瘤坏死的可溶性受体）的血清总胆固醇（TC），总甘油三酯（TG），高密度脂蛋白（HLD）和LDL改变，但肿瘤坏死因子II型可溶性受体(sTNFRII)明显减少，导致动脉粥样硬化和充血性心力衰竭改善。还确定A.muciniphila对宿主代谢生理的代谢活性可以直接与几种脂质代谢物质相互作用，包括改变内毒素水平和短链脂肪酸（SCFA）的产生，以及增加肠和脂肪组织中的脂肪酸氧化。据报道，作为短链脂肪酸的生产者，A.muciniphila可将膳食纤维转化为乙酸，丙酸和丁酸。这些代谢物可对葡萄糖和脂质体内稳态产生影响。回肠远端产生的SCFA诱导各种转录因子的激活，控制脂质代谢和生长。例如，丙酸和丁酸的刺激导致空腹诱导的脂肪细胞因子（Fiaf）产生明显增加，而Gpr43，组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）和PPARγ表达降低。所有这三种SCFA（乙酸，丙酸和丁酸）均显著增加肠上皮类器官中Hdac3和Hdac5的产量。认识到肥胖中A.muciniphila对代谢紊乱的有益影响促使对内部细胞因子或外部代谢产物的进一步研究，以明确阐明A.muciniphila的代谢活性，特别是在某些新型生物活性物质方面。例如，与T2DM患者相比，在健康人的粪便样本中发现了A. muciniphila衍生的胞外囊泡（AmEVs）水平升高。同时，AmEVs可以降低HFD诱导的糖尿病小鼠的体重，改善葡萄糖耐受性，改善肠道通透性，并通过上调脂多糖(LPS)诱导的Caco-2细胞中的occludin表达增强紧密连接（Chelakkot等人，2018）。由于A.muciniphila被认为是改善代谢综合征的有前途的益生元，因此已经将可行的A. muciniphila用于治疗代谢紊乱（Ouwerkerk等人，2017）。巴氏杀菌是使A. muciniphila安全使用的有效方法。研究人员发现，巴氏消毒法增强A. muciniphila减少脂肪量和改善血脂异常的能力。这种增强与宿主肠道能量代谢密切相关，并增强其逆转Fmo3高表达的能力，后者调节TMA转化为TMAO。更详细地讲，该作用与Toll样受体2信号通过Amuc_1100的相互作用有关，Amuc_1100是一种位于A. muciniphila外膜的特定蛋白质。事实证明，Amuc_1100可通过紧密连接蛋白（例如Occludin（Ocln），Claudin 3（Cldn3）和CannabinoidReceptor 1（Cnr1））调节肠屏障和肠道通透性。
2.在肥胖肝功能紊乱中的致病作用
肝病是一种复杂的代谢疾病，通常与肥胖以及肥胖相关的肠道菌群变化密切相关。在肠道菌群移植研究中，与从健康小鼠细菌移植的同种小鼠相比，喂养高血糖饮食并接受FFD小鼠肠道细菌的无菌C57BL / 6J小鼠容易发生肝脂肪变性和胰岛素抵抗。肝脏病理学的不同程度也与肠道菌群的不同种类有关。人体研究表明，非酒精性脂肪肝患者中拟杆菌的含量远低于单纯脂肪变性患者和健康人群。与健康成年人相比，酒精性脂肪性肝炎患者A. muciniphila的丰富性明显下降。A. muciniphila的作用可能扩展到各种肝病，例如脂肪肝，肝炎和高胆固醇血症。口服补充A. muciniphila可以恢复小鼠乙醇暴露引起的A. muciniphila耗竭，防止酒精损伤肝脏，中性粒细胞浸润和脂肪变性。在伴刀豆球蛋白A诱发的肝损伤小鼠模型中，口服A. muciniphila可降低血清丙氨酸转氨酶（ALT）和天冬氨酸转氨酶（AST）并减轻肝脏损伤。机理研究表明，A. muciniphila可通过异硫氰酸荧光素-葡聚糖易位（FD4）改善粘膜上皮状态，改善上皮屏障功能。A. muciniphila处理可恢复结肠上皮细胞中的上皮紧密连接蛋白（claudin-3和occludin），防御乙醇入侵。有证据表明，A. muciniphila对以肠道为中心的酒精性肝病有保护作用。此外，通过改善occludin和Tjp-1的表达并抑制LPS的产生，增加肠道微生物的种类和数量，诱发A. muciniphila对改善肠道屏障功能的干扰。综上所述，如图1所示，A. muciniphila在脂质和肝脏疾病的发展过程中，调节循环中的脂质代谢，包括脂肪、肝脏和肠道，A. muciniphila引起的体内代谢物变化也参与这些作用。
肥胖和相关代谢紊乱的特征是低度炎症反应。以前的报告已经证明，抗生素或益生菌碳水化合物治疗调节肠道微生物群，导致代谢内毒素血症的减少，从而导致低级别炎症。通过改善紧密连接的完整性，抗炎过程与饮食诱导的肥胖小鼠的肠道通透性降低有关，这一过程可能控制和增加Leptinob/ob小鼠内源性GLP-2的产生。A. muciniphila对无菌小鼠的干预表明，宿主和A. muciniphila之间存在相互作用包括激活免疫信号。这种相互作用得到了证据的支持，表明与野生型小鼠相比，A. muciniphila在缺乏B和T淋巴细胞的Rag1tm1Mom小鼠中高度富集。已证明A. muciniphila与炎症标志物和脂肪组织动态平衡以及肥胖发作时的胰岛素和血糖密切相关。A. muciniphila对肥胖的间接改变也涉及刺激Treg细胞增殖。A. muciniphila对CREBH-null小鼠的甘油三酸酯清除作用是通过LDL受体信号介导的，该信号还涉及抑制肝ER应激标记葡萄糖调节蛋白94和炎性转录因子Jun-氨基末端激酶1（JNK1）和JNK2。越来越多的证据表明，肠道通透性和脂多糖吸收之间的相关性为代谢性炎症的相关性提供可靠的支持。A. muciniphila可通过降低西方饮食引起的LPS恢复肠道屏障功能。ICAM-1，MCP-1，F4 / 80，TNF-α和IL-1β（Anonye）的表达降低证明，LPS诱导的动脉和全身炎症的改善抑制巨噬细胞向内膜的迁移和对内皮的粘附。在免疫介导的肝损伤模型中，A. muciniphila的定植抑制LPS水平的升高，并显著降低血清促炎性标志物（白介素（IL）-2，干扰素-γ（IFN-γ），IL-12p40，MCP-1，MIP-1a和MIP-b），以及通过Toll样受体4（TLR-4）途径减弱肝细胞凋亡。MyD88 / TLR2先天性免疫信号似乎也由A. muciniphila介导，并且A. muciniphila持续引起较低水平的血清内毒素和胰岛通量样受体，并促进结肠道中抗菌肽Reg3γ的分泌，导致非肥胖糖尿病小鼠的细菌重塑。干扰素-γ（IFNγ）作为糖代谢中免疫系统的关键细胞因子，可被A. muciniphila阴性调节，从而改善葡萄糖耐受。已在小鼠回肠中鉴定出IFNγ调节基因Irgm1，可以调节A. muciniphila的丰度。但是，鼠伤寒沙门氏菌引起的炎症可能会将共生细菌变成病原体。A. muciniphila可加剧鼠伤寒沙门氏菌引起的炎症，产生更高水平的IFNγ和IFNγ诱导蛋白10（IP-10），肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白介素（IL）-6和IL-17。这种炎症恶化在一种以8种细菌为定殖菌群的小鼠模型中发现。A. muciniphila的存在增强鼠伤寒沙门氏菌的感染并促进巨噬细胞向盲肠组织浸润。当细胞浓度达到106菌/毫升时，可刺激肠上皮细胞分泌白细胞介素8 (IL-8)。意味着由A. muciniphila引起的低水平促炎刺激似乎不能引起强大的炎症级联。相反，产生LPS的低水平刺激可能使与粘膜相关的免疫系统保持在适当的水平。正常情况下，A. muciniphila可能在肠道免疫中发挥保护作用，但在生态系统中，A. muciniphila的作用可能会随着炎症的出现而改变。尽管没有明确的定义可以描述病理状态和健康状况之间变化的适当水平（低于一定量的A. muciniphila），但从改善炎症反应的角度来看，人类受试者不可能产生阳性反应细胞因子和胰岛素抵抗。与A. muciniphila对DSS诱导的结肠炎的不良影响相比，A. muciniphila衍生的胞外囊泡作为肠免疫的中介，对DSS诱导的结肠炎的进展具有明显的保护作用。在一定程度上，A. muciniphila的宿主调节有助于其衍生物质，包括类纤毛蛋白。A. muciniphila的外膜类pililike蛋白（Amuc_1100）直接调节肠道免疫，增加跨上皮耐药性，增强A. muciniphila改善宿主代谢稳态的能力。
当然，要确定肠道微生物群是否有助于维持健康状态，宿主微环境生态系统的变化不容忽视。肠道生态系统的多样性差会导致肠道通透性改变和粘膜细胞之间的细胞间连接破坏，这两者都可能使潜在的免疫物质从肠道内容物扩散并激活为炎症状态，导致肠道疾病。据报道，黏蛋白构成一个关键的生态位，塑造微生物群落的组成。补充黏蛋白对Akkermansia、Bacteroides和Ruminococcus的丰度有正向影响，而高度模拟的结肠pH值对Akkermansia水平的正向影响较小。除了对肠道微生物组的营养资源和环境因子的调控外，A.muciniphila对细胞外粘蛋白的降解还可以通过营养相互作用为肠道菌种提供生长益处。A.muciniphila的黏液溶解活性可以产生降解黏蛋白的酶（蛋白酶，糖基水解酶和硫酸酯酶），寡糖和短链脂肪酸（SCFA，包括乳酸和乙酸），所有肠道菌群都可以利用这些酶促进自身增殖。此外，A. muciniphila支持的单糖促进prausnitzii Faecalibacterium的增殖，使乙酸和乳酸转化为丁酸。已有研究表明，同时存在于粘膜的A. muciniphila和F. prausnitzii相互间具有共生关系，在炎症性肠病中这两个物种的数量都有所减少。代谢产物由A.muciniphila诱导产生，虽然不完全，因此在肠道生态系统中产生代谢交叉喂养的相互作用。此外，A. muciniphila的富集可促进微生物基因丰富度和微生物生态系统丰富度，包括Firmicutes，Bacteroidetes，Actinobacteria和Euryarchaeota。A.muciniphila可与拟杆菌属-普氏杆菌、拟杆菌门、厚壁菌门、乳酸菌属形成联盟，因此，在A. muciniphila定植后，A. muciniphila和这些同盟的丰度升高，表明保护作用也改变肠道微生物群落组成。小鼠中定殖A. muciniphila引起宿主全身转录反应，揭示对750个基因的独特，一致和位点特异性调节。肠上皮是肠道微生物和肠屏障功能的中介，肠屏障状态直接由粘液层的改变和宿主组织分泌的免疫介质的变化反映。在粘蛋白微阵列平台上由A.muciniphila引起的与结肠粘蛋白的相互作用提高，并且与Desulfovibrio spp相比，它具有很强的粘蛋白结合能力。具体来说，口服A. muciniphila作为饮食诱导肥胖小鼠的益生菌前处理，不仅增加Muc2蛋白的产生，以恢复黏液层厚度，而且通过减少高脂诱导的内毒素血症，防止肠道屏障损伤。A. muciniphila与肠道细胞关系密切。与肠道中肠上皮细胞粘附增强该上皮细胞层的完整性，从而导致肠道免疫系统活化和对漏泄肠道的抵抗力。此外，A. muciniphila通过改善Apoe - / -小鼠回肠内黏蛋白层厚度降低肠道通透性，这涉及到Occludin和ZO-1表达的增加。此外，A.muciniphila对Caco-2和HT-29人结肠细胞系的强附着力，通过增加跨上皮电阻，有助于加强肠上皮细胞单层的完整性。A.muciniphila可以分泌一些酶进入肠道，调节粘膜层的粘蛋白。粘膜层的相关微生物群及其相关成分对肠上皮细胞的损伤具有保护作用。肥胖患者A. muciniphila的相互作用和相关的改善如图2所示。通过途径重建表明，A. muciniphila定植的粘膜基因的改变涉及表达增加免疫反应和细胞命运决定相关的基因。根据免疫途径的重建，在无菌小鼠中A. muciniphila的定殖改变粘膜基因的表达，表明粘A. muciniphila调节的途径涉及粘液稳态，以抵抗共生微生物和基础代谢的免疫耐受。
图2 宿主-A. muciniphila相互作用中的串扰和肥胖病的相关改善。
为肠道微生物群的主要环境因素，饮食干预作为一种健康的生活方式治疗肥胖症，已证明对肠道稳态有好处，并且与肠道A. muciniphila的丰度发生显着变化密切相关。已经提出减少肥胖症的饮食干预措施着重于限制卡路里，减少能量或富含益生元纤维的饮食，这些与宿主中A. muciniphila的含量升高有关。富含益生元纤维饮食增加微生物组中A. muciniphila的数量。同时，直接益生菌补充剂可导致A. muciniphila的水平富集> 100倍。石榴提取物在体内促进A. muciniphila的生长并导致鞣花酸的形成。一项综述表明，富含多酚的提取物，如蔓越莓提取物、姜黄素、没食子儿茶素没食子酸酯等，通过增加肠道菌群中这种细菌的丰度，有助于预防体重增加和肥胖相关的代谢紊乱。根据这些发现，已探索蔓越莓提取物增加粘蛋白2分泌的分子机制。它可能为A. muciniphila提供充足的营养资源，并可能改善小鼠的肠道粘液层。此外，以黄油为基础的饮食补充加州鲜食葡萄粉可以减少小鼠的肥胖和肝脏脂肪生成，与肠道A. muciniphila的增加有关。辣椒素具有抗肥胖作用导致A. muciniphila的丰度更高，也会诱导肠道抗微生物蛋白Reg3g和粘蛋白2蛋白的表达增加。与健康患者相比，二甲双胍可促进糖尿病患者中丰富的A.muciniphila。A.muciniphila通过丰富2型糖尿病患者的粘蛋白降解和SCFA分泌，进一步促进二甲双胍的抗糖尿病作用。饮食中的多酚通过修饰肠道菌群显示出针对HFD引起的肥胖的保护作用。在HFD小鼠中口服龙舌兰的类固醇皂苷提取物显示抗肥胖作用，减轻肝脂肪变性，并以剂量依赖的方式增加A. muciniphila的丰度饮食中的多酚可减少肠道的炎症反应，并改善代谢综合征。其他膳食多酚如蔓越莓多酚提取物也显示出抗肥胖作用，可通过下调诸如TNF-α和IL-6等炎症性细胞因子促进A. muciniphila的生长。然而，这些多酚在促进A. muciniphila丰富度方面的作用机理尚不清楚，还需要进一步研究以确认这些对肠道菌群的作用是介导的还是直接的。但是，最近已经证明，红茶或葡萄衍生的多酚可以直接上调A.muciniphila的繁殖，还需要进一步寻找涉及的潜在机制。总之，通过饮食和药物，益生元和益生菌等药物和营养疗法，可以提高微生物组中A.muciniphila的含量。通过营养疗法轻松补充黏液曲霉表明这些可能是治疗代谢性疾病的有效方法。尽管如此，并非所有的药物营养都可以引起A.muciniphila增多，例如葡萄原花青素不能引起这种现象。
讨论与结论
临床前和临床研究的一致结果显示，A. muciniphila在肥胖和代谢综合征中的丰度下降。随着越来越多的临床前和临床研究集中于A. muciniphila，A. muciniphila治疗代谢的分子机制越来越明显。其在啮齿类动物体内的系统调控机制值得期待，为人类研究提供必要的证据；尽管人类研究仍存在不确定的伦理和不可避免的实践局限性，但这些成果有望转化为人类干预研究。从A. muciniphila在肠道内的代谢活动和与宿主相互作用的示意图概述（图3），可以得出结论。用A. muciniphila或有益的膳食多酚灌胃，可使肠道A. muciniphila的丰度增加到足以减少全身炎症、改善肠道破坏，并通过各种信号通路促进宿主基础代谢的稳定状态，促进其他有益微生物生长。表明针对肠道菌群中A. muciniphila的治疗干预可能是预防和治疗肥胖和代谢紊乱疾病（包括心血管疾病，肝损伤和II型糖尿病）的有前途的策略。最近的一项临床试验（NCT02637115）表明，肥胖患者口服3个月的A. muciniphila是安全的，耐受性良好。同时，一项双盲、随机的人体研究显示，补充A. muciniphila可降低患者体重，改善肝功能障碍和炎症。已经证明，A. muciniphila可以从纯化的猪胃粘液中分离出来，并在体内培养用于药物应用。然而，由于缺乏特定的生长依赖化合物和合适的无氧培养条件，该方法的发展受到限制。包括A. muciniphila在内的产品无法在商业上可行的另一个原因是，它们的安全性评估无法达到新的食品法规的要求。此外，尽管已经讨论肠道菌群变化与慢性代谢疾病的相关性，但这些细菌变化的后果或原因仍不清楚。对A. muciniphila对代谢性疾病的积极作用做一个绝对的声明是不可取的。过量的A. muciniphila对帕金森病的不良影响尚不清楚，但有报道称，SCFAs的减少和肠道菌群改变引起的肠道淀粉样蛋白沉积与帕金森病认知功能的恶化有关。肠道菌群通过调节帕金森病宿主的先天免疫对淀粉样变性也有影响。微生物群的变化受环境、物种、年龄等多种因素的影响。因此，应该进行双盲、随机、安慰剂对照的试点研究，以确定A. muciniphila对啮齿动物或人类的影响，并确保实验重现性。此外，虽然我们可以对A. muciniphila的非凡成就做出结论，了解其治疗肥胖的分子机制，但我们无法量化组成有效剂量的A.muciniphila的含量。此外，在不同的人群中，A.muciniphila的定殖有很大的差异;例如，中国南方的居民有较高的A.muciniphila，超过12个不同的亚型菌株定殖在他们的肠道。
图3. A. muciniphila在肥胖中的作用的信号机制。
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