综述 | （第二部分）膳食-微生物群互作以调控人体代谢
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原文题目：Diet–microbiota interactions as moderators of human metabolism
期刊：NATURE
IF：40.137
发表时间：2016年
摘 要 众所周知，肥胖及其相关的代谢疾病，如2型糖尿病，与饮食密切相关。肠道微生物群也已成为饮食和代谢健康交叉研究的焦点。通过translation-focused动物模型和人类研究的强大结合，肠道微生物群与肥胖相关联的机制逐渐显现。越来越多的研究表明，肠道微生物群对饮食影响宿主代谢具有调控作用。目前，许多研究聚焦于建立人类肠道微生物群、饮食和宿主代谢的因果关系以及个性化营养等治疗干预手段。
1 简介
2 饮食调控肠道微生物群
3 代谢疾病中的微生物生态学
4 微生物生态系统的底物
以上1-4部分见：综述 | （第一部分）膳食-微生物群互作以调控人体代谢
5 微生物代谢产物
基于宿主的饮食，肠道微生物群通过初级和次级代谢途径连续产生许多小分子化合物。尽管部分化合物会留存在肠道内，但其它化合物进入循环系统被宿主化学修饰(即共同代谢)，最终通过尿液排出。许多研究集中在短链脂肪酸，因为其在肥胖症和代谢综合征中发挥多效作用。与肥胖相关的宏基因组学研究发现短链脂肪酸产生的多个途径，并且超重或肥胖患者和相应的动物模型的短链脂肪酸水平升高，这与微生物发酵的产物向宿主额外提供能量的观点一致。相比之下，丙酸盐（一种短链脂肪酸）水平的升高促进了肠道糖异生，或者与胃旁路术后的微生物群相关。将这种微生物群移植给无菌受体小鼠时，能使其免受饮食诱导的肥胖。在一项为期24周针对60名超重成年人的随机试验中，通过丙酸盐-酯化的碳水化合物直接递送丙酸盐到结肠可以减缓受试者的体重增加。
短链脂肪酸至少通过4个不同的途径向宿主传递信号(图2)。首先，短链脂肪酸，特别是丁酸盐是结肠细胞的能量底物，会在能量摄入降低时发挥作用，无菌小鼠可以减慢营养物质在小肠的转运，促进营养物的吸收。第二，丙酸是糖异生的底物，可以诱导肠道糖异生，丙酸通过中枢神经系统传递信号，保护宿主免受饮食引起的肥胖和相关的葡萄糖不耐受现象。第三，丁酸盐和乙酸盐，可以充当组蛋白脱乙酰酶抑制剂。第四，短链脂肪酸通过G-蛋白偶联受体如GPR41(也称为FFAR3)和GPR43(也称为FFAR2)发出信号，影响包括炎症和肠道内分泌调节的几个重要过程。然而，短链脂肪酸的产生只是肠道中微生物代谢的一个方面。
微生物代谢磷脂酰胆碱(乳酪，海鲜，蛋和肉类中富含的磷脂)和L-肉毒碱(红肉中富含的氨基酸)产生高水平的三甲胺(TMA)，TMA经肠道吸收进入血液，然后循环到肝脏，在肝脏被酶氧化成氧化三甲胺(TMAO)，TMAO是与人类心血管预后不良相关的化合物，并且加速了小鼠的动脉粥样硬化(图2)。TMA的产生是饮食和微生物群的相互作用的良好实例。例如，只有当饮食中含有三甲基铵化合物时，微生物才能产生代谢物TMA，并且一些微生物群(如严格素食主义者的菌群)不具备产生TMA的能力，即使在饮食中暂时补充前体化合物。总之，这些结果表明微生物群可以发生演变和进化以适应具体的大量营养素。在低脂肪饮食中补充三甲基铵化合物的实验证明了TMAO促进动脉粥样硬化。但是，实验证实，减肥手术是一种长期减重和改善新陈代谢并降低心血管疾病和死亡风险的方法，但是这些手术患者循环系统的TMAO水平升高，可能产生了需氧型肠道环境，这种环境有利于产生TMAO。因此，必须确定TMAO促进心血管疾病的条件以及TMAO是否直接影响人类的心血管疾病。
体内胆固醇经微生物群发酵生成的胆汁酸是对人类健康有巨大影响的另一类代谢物。胆汁酸再经小肠远端和结肠中的微生物代谢，产生次级胆汁酸。胆汁酸最初被认为是促进膳食脂肪吸收的增溶剂，但是在过去的二十年中，胆汁酸作为信号分子，可以与不同的受体结合，例如G-蛋白偶联的胆汁酸受体1(也称为TGR5)和胆汁酸受体FXR (图2)。微生物群通过产生激动剂调节TGR5信号传导，通过产生拮抗剂调节FXR信号传导。TGR5和FXR对宿主代谢都具有重要的影响。因此，微生物群的改变通过调节这些受体介导的信号途径来影响宿主生理反应。例如由发生变化的微生物代谢产生牛磺β鼠胆酸(FXR拮抗剂)，在一定程度上诱导肥胖和脂肪变性，并且影响葡萄糖和胰岛素耐受性。减肥手术和随后发生改变的微生物群和胆汁酸的代谢有关。胆汁酸和肥胖手术之间的联系表明功能性FXR信号诱导胃切除术后体重的减轻和葡萄糖耐受性改善。类似地，胃切除术后葡萄糖代谢的改善也需要TGR5信号。将10年前接受Roux-en-Y胃旁路术患者和正常的肥胖患者的微生物分别移植给无菌小鼠，前者的脂肪少于后者。因此，肥胖手术改变了微生物对胆汁酸的代谢，进而影响了胆汁酸的信号传导能力，从而产生有益的效果。其他机制和代谢物可能具有同等重要的作用。
微生物群产生大量代谢物，但还需要许多研究来充分揭示这些代谢物在生理学和病理学中的功能。代谢物包括：乙基苯基硫酸盐，其与小鼠模型中的自闭症行为的恶化有关; 吲哚丙酸，其与肠道中上皮屏障的改善的功能相关; 硫酸吲哚酚和对甲酚硫酸盐，它们都与尿毒症患者的心血管功能不良有关(对甲酚硫酸盐也与胰岛素抵抗相关)。这些代谢物在一定程度上揭露了分子如何影响宿主，但部分代谢物在人类中的相关性尚未确定。虽然这几种具有生物活性的代谢物是氨基酸的衍生物，但是饮食中蛋白质的量和质量对代谢物合成的影响，以及负责代谢物生产的微生物基因集等信息都尚未清楚。
图2：从肠道微生物群到宿主的信号传导机制。肠道微生物群作用于膳食组分和代谢物，产生具有生物活性的代谢物，这些代谢物通过不同的机制向宿主传递信号。微生物发酵纤维产生的短链脂肪酸（SCFAs）是结肠细胞的重要能量来源(ATP)。SCFAs也是糖异生的底物，可以调节中枢代谢，可以通过抑制组蛋白脱乙酰酶(HDAC)或者通过激活G-蛋白偶联受体例如GPR41和GPR43传递信号，促进胰高血糖素样肽-1的释放。初级胆汁酸胆酸(CA)和鹅脱氧胆酸(CDCA)代谢成次级胆汁酸脱氧胆酸(DCA)和石胆酸(LCA)，并通过G蛋白偶联的胆汁酸受体1 (GPBAR1，也称为TGR5)激活宿主的信号传导。牛磺β鼠胆酸(TβMCA)脱羧后形成β-迷迭香酸(βMCA)，减轻了TβMCA对法尼酯X活化受体(FXR，也称为胆汁酸受体)的抑制作用。微生物产生的内毒素(也称为脂多糖)和膳食中饱和脂肪酸形成的乳糜微粒相结合，引起炎症，进而促进胰岛素抵抗。在红肉中发现的1-肉碱和胆碱被代谢为TMA，通过肝脏中的黄素单加氧酶3(FMO3)进一步氧化成TMAO。
6 炎症与饮食
肥胖和胰岛素抵抗与巨噬细胞浸润增加和脂肪组织炎症相关。肠道微生物群被认为有助于肥胖表型，至少小鼠的肠道微生物群可能有助于增加脂肪炎症。Swiss Webster小鼠模型的研究表明，脂肪炎症依赖于微生物群但不依赖于饮食。Swiss Webster小鼠采用标准饮食时生成的脂肪量，与高脂肪饮食8周的C57Bl6小鼠近乎相等。给无菌Swiss Webster小鼠和无菌C57B16小鼠分别喂养可以诱导肥胖的饮食，2种小鼠外周循环系统中的脂肪均减少，内毒素含量降低和白色脂肪组织的巨噬细胞炎性浸润减少，葡萄糖代谢得以改善。小鼠肥胖也与T细胞、肥大细胞数量增加和调节性T细胞数减少相关。在小鼠模型中，纤维的发酵和短链脂肪酸的产生可能通过调节性T细胞促进消化道内和全身性的抗炎反应。尽管纤维和短链脂肪酸通过非免疫学的机制，在饮食引起肥胖的小鼠模型中发挥积极的代谢影响，但免疫介导的类似的相互作用是否有助于代谢变化尚不清楚。在高脂肪饮食中补充可发酵纤维可以保护小鼠免受肥胖和相关疾病，但其作用机制仍不清楚。
肠道微生物群与先天免疫系统相互作用引起脂肪炎症。接头蛋白MyD88或TRIF缺失，引起Toll样受体信号缺失的小鼠脂肪组织的炎症水平降低，并且免受饱和脂肪酸诱导的胰岛素抵抗。Myd88基因缺失，而不是Trif基因缺失的小鼠免受饮食诱导的肥胖症，这2个基因对肥胖症与胰岛素抵抗的作用不同，表明肥胖症和胰岛素可能由不同的机制调控。在常规条件下，喂养饱和脂肪酸的小鼠与喂养多不饱和脂肪酸的小鼠相比，其循环系统中的内毒素水平增加。食物来源的脂肪可以增加小鼠和人的血浆中的内毒素含量，可能的原因是内毒素通过乳糜微粒从上皮细胞转运进入血液。这些较高水平的内毒素激活脂肪组织中的Toll样受体，继而诱导巨噬细胞浸润所需的趋化因子CCL2的表达。因此，膳食脂肪可能特异地作用于微生物群，改变微生物群与先天免疫系统相互作用，导致代谢性疾病。在饮食中补充鱼油的小鼠免受肥胖和胰岛素抵抗。此外，将喂养鱼油的小鼠的菌群移植给喂养猪油的小鼠，后者也可以免受肥胖，这表明变化的微生物本身具有保护作用。
饮食转向为富含饱和脂肪酸的膳食后，微生物群的组成也发生了相应的改变。喂养富含乳脂肪的膳食或在饮食中补充胆汁酸牛磺胆酸，小鼠体内的沃氏嗜胆菌(Bilophila wadsworthia)的水平增加。类似地，与喂养鱼油相比，喂养猪油的小鼠的Bilophila水平增加和脱硫弧菌(Desulfovibrio)的丰度减少。B. wadsworthia增加了抗炎细胞因子IL-10缺乏的小鼠的肠道炎症。高脂肪饮食引起的胰岛素抵抗与IL-17和RORγt+Th17水平降低有关，可能的机制是因为脂肪限制了特定分类群，如分段丝状菌(segmented filamentous bacteria)，其可以诱导肠细胞分泌IL-23。IL-23再促进回肠固有淋巴样细胞释放IL-22，IL-22以旁分泌方式诱导上皮细胞产生血清淀粉样蛋白A1和血清淀粉样蛋白A2 ——这是回肠中的TH17细胞活化的特定步骤。在小鼠中，IL-22可以保护机体免受代谢疾病，进一步表明肠微生物群的变化，TH17细胞和IL-22信号转导和代谢疾病调控之间的联系。然而，细菌分类群是否诱导特异性免疫应答尚不清楚，例如小鼠中的分段丝状菌保护机体免受代谢疾病。目前仍没有关于分段丝状细菌在人类中的作用的报道，但人类微生物群中的其他细菌可能具有类似的功能。
7 饮食干预和基于饮食的治疗
肠道微生物群显著地影响了人类健康。它具有许多生物医学潜力，连接了人类生物学的多个方面，具有作为治疗靶点或诊断的可延展性和有效性。因此，肠道微生物群可以比作人类生理调节的控制中心。然而，由于微生物群的复杂性和个体性差异，何时可以实现该潜力还是未知的。
饮食，特别是饮食中的多糖可以作为微生物群的组成和功能的主要调节剂。多糖是人类食物常用的组分，因此功能上类似于小分子药物。由于它们的相对安全性(即没有急性毒性)，可用性和低成本，所以可能系统性地、经验性地决定哪些膳食多糖（单独或组合）可以在不同情况下改善人类健康。
这种经验方法与精确卫生健康中出现的概念相符。虽然饮食干预受到个体差异的影响，微生物组成可以帮助预测饮食干预后宿主的代谢反应。一项研究通过连续监测800人餐后的血糖反应，发现个体对特定食物的反应是高度可变的。然而，将微生物组谱和宿主代谢与行为进行比对，可以预测个体对特定食物的反应。类似地，全谷物干预实验证实了个体葡萄糖代谢存在巨大差异。葡萄糖耐受性的改善主要可能是因为微生物群内普雷沃菌属(Prevotella)丰度升高。Prevotella可以改善高碳水化合物饮食的小鼠的葡萄糖代谢，但对缺少发酵多糖的高脂肪饮食小鼠的葡萄糖代谢没有效果。这些研究结果指明了利用一种无机制的经验性方法来确定个体或群体的饮食干预的可能性。他们还强调了下一代益生菌(与既定饮食相互作用的微生物群衍生的活微生物的集合)可以作为将无饮食干预响应者转化为响应者的潜在方法。这种方法的另一个结果可能是使用大数据趋势来预测并确定机理研究的优先级。
8 展望
肠道微生物群的改变与人类肥胖、2型糖尿病和心血管疾病等代谢疾病有关。动物模型实验也证实了这一因果关系。因此，在接下来的研究中，了解肠道微生物群是否与宿主代谢有因果关系至关重要。需要开展前瞻性研究以确定肠道微生物群在疾病前还是疾病后发生改变。这将开展大规模的研究，需要相当多相关疾病的参与者，并且可能涉及宿主和微生物参数的高分辨度监测以确定相关指标的动态变化。
另一种方法是将微生物从人类移植到小鼠，用双胞胎群组来控制人类遗传学变量，是特别有说服力的研究。在这样的研究中，接受肥胖个体的微生物群移植的无菌受体小鼠体重增加，表明肥胖表型发生转移，而补充克氏原乳杆菌(Christensenella minuta)可以防止无菌受体小鼠的体重增加。瘦个体的微生物群中的典型细菌与短链脂肪酸的产量增加相关，而在肥胖个体的微生物群中，参与支链氨基酸生物合成的微生物基因丰度提高，这与胰岛素敏感性降低相关。重要的是，当受体小鼠食用低脂肪、高含量的水果和蔬菜的饮食时，瘦个体的微生物群移植只能防止肥胖，不涉及短链脂肪酸的产生。只有给小鼠喂食富含纤维的标准饮食，而不是无纤维的西式饮食时，补充Prevotella才能提高对葡萄糖的耐受性。
kwashiorkor营养不良儿童也存在类似的饮食依赖性。kwashiorkor不一致的双胞胎具有不同的微生物，喂养典型的马拉维饮食(以西红柿和玉米为基础)时，接受“kwashiorkor”微生物群移植的无菌小鼠体重减轻。然而，当受体小鼠食用以花生为原料的“即用型”治疗性食物时，其体重瞬间增加，其微生物群落趋向正常。饮食如何影响与微生物相关的疾病状态变得越来越重要。研究证明，粪便微生物群移植可以治愈艰难梭状芽孢杆菌的复发性感染，粪菌移植也被用于研究肠道微生物群是否影响宿主的新陈代谢。将18名胰岛素抵抗的肥胖男性随机分组，分别接受瘦的、胰岛素敏感的供体或自体(对照)的粪便微生物群移植；研究发现移植6周后，部分参与者的胰岛素敏感性明显改善。这些正向结果是否依赖于供体的特征，以及正向效果能持续多长时间等问题还不清楚。需要更大规模的研究对象来验证粪便微生物群移植的效果并回答以上的问题。例如将来自瘦个体微生物群的某些特定细菌进行发酵实验，目的是开发下一代益生菌。可能需要分阶段来确定可能对这种干预作出反应的群体。
提高对微生物群落如何影响人体新陈代谢的认识，应综合各种疾病状态和干预措施中的重要靶组织和微生物群的宏基因组学，转录组学，蛋白质组学和代谢组学数据，以提供共同发生的图谱。这些数据能够形成可验证的假设，在相关的动物模型中进行追踪验证，并形成精确干预的基础(图3)。
图3：调节肠道微生物群以改善人体健康的策略。a：收集和比较来自健康和代谢紊乱人群的多方面的数据，将各种基因，途径和分子作为干预的潜在目标，利用相关的实验模型(体外，有机体或动物模型)阐明潜在的机制，以指导对肠道微生物群的调节，为在人体中开展干预研究或药物试验奠定基础。b：在人类上的研究，可以通过食物组分调节肠道微生物群也是策略之一，因为食物组分通常被认为是“安全的”干预对象。机器化的数据处理可用于识别个体临床特征(包括微生物群数据)的各个方面，有助于预测他人对饮食干预的反应。在独立的队列中对这些预测因素进行验证之后，可以确定并实施最佳干预措施来改善人类健康。这些预测因素也可用于指导实验模型中的机理研究。
通过宿主与微生物在横向或纵向空间组织的相互作用，更详细地了解微生物群落的基本原理也是很重要的。人类和小鼠粪便样品的研究，提供整个消化道的表型变化情况; 然而，特定于小肠的微生物群落和宿主间的联系可能不能通过粪便抽样体现。例如，粪便抽样可能会错失关于微生物群影响葡萄糖转运和胆汁酸进而影响小肠营养吸收的信息，这些信息有助于了解脂质和脂溶性维生素吸收。
微生物代谢物作为宿主代谢的中间介质，可能是有益的(例如丁酸盐)也可能是有害的(TMAO)。这些分子可以提供新的治疗方法，其中有益代谢物可以在药理学上进行补充，或者将产生有益代谢物的细菌发展成益生菌。如果有害代谢物的相关受体已被鉴定，可以开发有害代谢物相关受体的拮抗剂。另一种可能性是开发抑制剂，抑制有害代谢物生成所需的酶的活性。TMA裂解酶的抑制剂可以阻止微生物合成TMA，从而降低TMAO水平，防止小鼠动脉粥样硬化的发生。然而，这些抑制剂尚未在人体中得到验证，并且一种代谢物不可能单独用来促进或预防代谢性疾病。代谢物组合有可能更适用于促进或预防宿主代谢。
通过适当照顾肠道微生物群解决人类部分的代谢疾病是合理的。人和小鼠的肥胖与早期生活的抗生素使用有关，这表明关键时间点的微生物生态系统的破坏可能会影响宿主后期的生理学，而且改善医疗措施也可能具有实质性的效果。然而，饮食变化对获得有益于健康的微生物群可能更为重要。提高膳食中的多糖水平可能有益于典型西方饮食的人群的健康，大部分西方饮食人群摄入的膳食纤维远低于推荐量；荟萃分析显示，纤维摄入量增加可以显着降低死亡风险。通过记录各种补充剂，益生菌，营养物质和食物的用量和用法来调整饮食干预，进而调节肠道微生物群和人体健康。个体多方面参数的测量，包括微生物群，可以了解个体在特定饮食干预起效后的特征，并为以微生物为重点的精准营养铺平道路。对肠道微生物群落的深入了解，有助于我们了解代谢健康和减肥的巨大收益。
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