科研 | Gut：地中海饮食干预超重和肥胖受试者使血浆胆固醇降低，并引起肠道微生物组和代谢组的变化与能量的摄入无关
编译：陈佩佩，编辑：小菌菌、江舜尧。
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本文探讨地中海饮食（MD）干预对代谢性疾病患者代谢健康、肠道微生物和全身代谢的影响。82名体重超重和肥胖的健康受试者，他们以低水果和蔬菜的摄入量，以及久坐不动的生活方式，参加了一项为期8周的平行随机对照试验。43名受试者根据他们原来的能量摄入（MedD）来进行MD，39名受试者进行的常规饮食（ConD）。在研究期间，对饮食依从性、代谢参数、肠道微生物组和全身代谢组进行了监测。
结果显示，与ConD组相比，MedD组血浆胆固醇（主要结果）和粪便胆汁酸显著降低。基因组学结果显示，肠道微生物群的变化反映了个体MD的依从性和基因丰富度的增加，在干预过程中减少了系统发育。MD干预导致降解纤维素的大便杆菌和与丁酸代谢相关的微生物碳水化合物降解基因水平增加。MedD组的饮食变化导致尿路结石、粪便胆汁酸降解和胰岛素敏感性增加，这与特定的微生物类群有关。
因此本文得出结论：在保持能量摄入的同时，将受试者转为MD可降低其血液胆固醇，并导致其微生物组和代谢组的多种变化，这些变化与未来改善代谢健康的策略相关。
论文ID
原名：Mediterranean diet intervention in overweightand obese subjects lowers plasma cholesterol and causes changes in the gut microbiome and metabolome independently of energy intake
译名：地中海饮食干预超重和肥胖受试者使血浆胆固醇降低，并引起肠道微生物组和代谢组的变化与能量的摄入无关
期刊：Gut
IF：17.943
发表时间：2020年1月21日
通讯作者：Stanislav Dusko ehrlich
作者单位：巴黎萨克利大学
实验设计
结果
在实验开始前的基线水平，ConD组（n=39）和MedD组（n=43）在血样和尿样的人体测量和临床变量监测方面没有显著差异。干预后的结果显示，与ConD组相比，MedD组4周后血浆总胆固醇（图1）和高密度脂蛋白（HDL）胆固醇显著降低。但血糖、血清hs-CRP、血浆胰岛素、TMAO或代谢性疾病的任何中间标志物（胰高血糖素、生长激素、GIP、GLP-1、瘦素、C肽、抵抗素、内脂素和PAI-1）均无变化。
（1）胆固醇降低与MD依从率成正比
与基线相比（图1A），在第4周和第8周，药物治疗组对MD的依从性显著增加，并且与健康食品多样性（HFD）指数高度相关。饮食和代谢变量的显著百分比变化如图1B所示。与ConD组相比，MedD组的受试者的每日膳食纤维摄入量显著增加了两倍，其膳食蔬菜：动物蛋白显著增加了2.5倍（p<0.001，图1C，D）。饱和脂肪摄入量显著减少，多不饱和脂肪摄入量显著增加（p<0.001，图1E）。与ConD组相比，MedD组营养素摄入量的这些变化是由于水果、蔬菜、坚果、全麦谷类食品和鱼制品的消费增加，同时精谷类食品、乳制品和肉制品的摄入减少。肉制品消费量的减少是通过MedD组与ConD组中这些食物的膳食摄入生物标记物的减少来证实的，即血浆中肉碱的浓度（4周和8周后分别减少14%和11%，p<0.05和p<0.001，图1F）和尿液（4周和8周后分别减少75%和51%，p<0.01和p<0.001，图1G）。
在实验期间，一些受试者（12名在MedD组，6名在ConD组）擅自增加了水果和蔬菜的摄入量，与他们刚参与实验时的摄入量相比，超过了每天三份。我们决定严格关注那些保持每日水果和蔬菜摄入量低于3份的人群。此外，两名受试者未被考虑，因为并非所有粪便样本都可用。因此，随后对62名受试者、32名ConD组和30名MedD组进行了数据分析。两组均证实了对干预的高度依从性。在这个亚组中，MedD对血浆胆固醇的影响得到证实。事实上，在对MD进行干预4周后，与对照组（3.24-0.13 mmol/L，基线至3.25-0.12mmol/L，4周）相比，MedD组的血浆LDL-胆固醇从基线时的2.90-0.13mmol/L显著降低（p=0.03），降至4周时的2.66-0.12 mmol/L，与对照组（1.21～0.05mmol/L，基线至1.25～0.05mmol/L，4周）相比，MedD组血浆HDL-胆固醇从基线时的1.26～0.05mmol/L显著降低（p=0.02）。
有趣的是，胆固醇水平的降低与MD的依从率成正比。通过应用线性模型，发现在调整年龄、性别、体重指数和能量摄入后，MD指数的每单位增加对应于血浆总胆固醇减少2%（p=0.003）、血浆低密度脂蛋白胆固醇减少2%（p=0.01）和血浆高密度脂蛋白胆固醇减少1%（p=0.04）。
（2）膳食诱导的代谢组学变化与MD生物标志物的释放
在干预期间，测量了所有参与者的大约11000个分子特征（2200个在粪便中，4125个在血液中，4645个在尿液中）。与基线条件和ConD组相比，干预后MedD组的代谢谱出现明显变化（图2）。斯皮尔曼相关系数的降低（4周与基线水平相比；8周与基线水平相比）表明，与ConD组相比，MedD组在干预4周（p=0.01）和8周（p=0.01）后的尿代谢谱有显著变化。为了验证所观察到的位移，使用分类方法（ConD组和MedD组分别在4周和8周时的曲线下面积（AUC）=0.88和0.87；作为对照组，在基线时观察到AUC=0.52），支持所发现的代谢组变化。与用全麦产品替代精制谷物和用渔业产品、豆类和提供的坚果替代肉、蛋和乳制品相一致，发现全麦（3-（3,5-二羟基苯基）丙酸葡萄糖醛酸盐）、豆类（色氨酸甜菜碱）的生物标记物水平增加，MedD组蔬菜/浆果（吲哚-3-乙酸）和坚果（尿石），而肉类（肉碱）、BAs、亮氨酸和异亮氨酸的生物标记物与ConD组的联系更为密切（图2）。值得注意的是，在尿液和血清中没有观察到TMAO的变化，这可能是由于在MedD组中增加鱼的摄入量和降低肉源性蛋白质的对比效应。
MD介导的全豆科植物（苯并恶嗪类、哌啶酸甜菜碱）、蔬菜（辛多尔-3-乙酸）、豆科植物（色氨酸甜菜碱、邻苯三酚-硫酸盐）生物标记物的增加，坚果（尿石）和鱼（3-羧基-4-甲基-5-丙基-2-呋喃丙基离子酸）消耗和减少肉类（肉碱）和蛋白质降解产物，如支链氨基酸（BCAAs）、芳香氨基酸、N-乙酰尸胺和微生物衍生的蛋白质解解解产物（对甲酚硫酸盐、吲哚硫酸盐，苯乙酰谷氨酰胺）通过其与MD指数的显著联系得到进一步证实。最后，在MD干预后，一系列来自宿主的短链和中链酰基胆碱酯酶在尿液中显著减少，表明能量代谢的底物从脂肪向复杂的碳水化合物和蛋白质转移。
基因（平均=551310.5-120191）和MSP丰富度（平均=230.9-53.1）在干预期间保持不变。然而，通过血清hs-CRP变化，发现肠道微生物基因丰富度的变化与个体炎症状态之间存在显著的负相关（图3A）。饮食干预8周后，基因丰富度增加的受试者血清hs-CRP水平显著降低（图3B）。前4周对MD的依从性增加，对应于在相同时间间隔内，MedD组的微生物组分相似性降低，表明MD诱导的肠道微生物组分重排（图4）。在整个干预过程中，ConD组和MedD组在4周到8周之间均未观察到这种变化，也就是说，在干预条件下，参与者没有改变他们对MD的依从性。虽然ConD组和MedD组在基线时发现的MSP差异丰富的数量可以忽略不计（n=27 MSPs，但在4周（n=77 MSPs）和8周（n=44 MSPs）时观察到的对比物种更多，通过MD指数评估与MD依从性相关的对照种比例。在增加MD粘附期（基线-4周），与ConD组相比，MedD组的Ruthenibacteriumlactatiformans, Flavonifractor plautii, Parabacteroides merdae, Ruminococcustorques 和Ruminococcus gnavus明显减少。相比之下，与第二组相比，在第4周或第8周时，MedD中富集了五个大便杆菌科的成员，同时还富集了Roseburia和 Lachnospiraceae的一些成员。持续4周后，在MedD组中富集的MSPs与MD食物生物标记物显著相关。
虽然在基线时，只有5个肠道代谢模块（GMM）在不同的饮食中不同，但在4周后观察到GMM捕获的代谢电位的18%的变化。在MedD组中，一些GMMs（n=19）被富集，主要包括与氨基酸和碳水化合物降解有关的途径。这些途径还包括甘油三酯和糖蛋白的降解以及乙酰辅酶a和谷氨酸的转化降解，两者都会导致巴豆酰辅酶a，一种可能的丁酸代谢前体。尽管8周后仅观察到6%的变化，但MedD组谷氨酸降解为巴豆酰辅酶A的浓度仍保持在较高水平。
总之，通过整合这三个元组学数据集，观察到ConD组和MedD组在微生物组多样性、功能模块和代谢谱（HotellingT2=40.95，p<7.038e-12）的基础上分离，证实了MD干预引起的变化。
测量了一些与肠道微生物代谢相关的代谢产物，以研究MD饮食干预对健康相关微生物活性的影响。与ConD组相比，MedD组尿中尿石苷葡萄糖醛酸苷水平升高。这一增长与微生物群中尿石素的产生水平，包括蛋黄科的成员以及MedD组中作为鞣花单宁唯一饮食来源的坚果的消费量显著增加有关。有趣的是，尿石的产生与血清hs-CRP、甘油三酯、体脂质量、体重、BMI和尿肉碱呈负相关。
与基线值相比，MedD组在MD干预中观察到总BAs（包括初级和次级BAs）的粪便浓度显著降低（图5A-C）。此外，MedD组干预4周和8周后，粪脱氧胆酸和粪石胆酸均显著降低（p<0.01），4周和8周后分别降低（p<0.05和p<0.01）。8周后，MedD组和ConD组的粪便BA浓度比较显示，粪便中的鹅去氧胆酸显著降低（p<0.05）。因此，粪便中的初级和次级BAs与动物性食品中的蛋白质和脂肪以及收缩压、BMI、体重和尿肉碱呈正相关。值得注意的是，总BAs和次级/初级BA比率下降幅度最大的受试者的基线水平较高，Bilophilawadsworthia在干预4周后显著下降（p<0.05，图5D）。尽管膳食纤维摄取量增加了两倍，但未观察到主要的醋酸SCFAs、丁酸SCFAs和丙酸SCFAs在粪便中的浓度变化。然而，在干预期间，在MedD组参与者的粪便中观察到支链脂肪酸（BCFAs）的显著减少，如戊酸、异戊酸、异丁酸和2-甲基丁酸，这些变化反映了植物性食物的摄入增加。此外，在四分之一的受试者中，在4周时粪便中丁酸含量最高F.prausnitzii和 Lachnospiraceae的水平一直较高（图6E，F）。
计算胰岛素抵抗的稳态模型评估(HOMA)，作为胰岛素抵抗的测量指标，它没有因干预而改变。然而，通过将受试者按 4 周时HOMA 与基线相比的变化进行分层，我们发现 MD 干预降低其 HOMA 的受试者几种拟杆菌属（包括 B.uniformis和 B.vulgatus，p < 0.05）的基线水平显著较高，而 Prevotella sp较低。和 P. copri 水平 (P < 0.05)，与 HOMA 未随时间变化的受试者相比。在干预组中，P.copri基线水平与 HOMA 变异呈正相关。
讨论
这项研究清楚地表明，从西方饮食模式到地中海饮食模式的改变，在能量摄入、大营养素摄入或体力活动方面没有任何伴随的变化，可调节以下原因而有心脏代谢风险的人群在干预4周后的个别临床结果、肠道微生物组和代谢组不健康的生活方式。MedD组的每个参与者都接受了一种适合他/她的习惯性能量和大量营养素摄入的饮食，以增加对典型MD模式的依从性。换言之，每个受试者都被告知食物的确切替代品。因此，特定量的西餐食物被典型的MD所取代。这种方法以前没有在MD的干预研究中使用过。这确保了代谢标志物、肠道微生物群和系统代谢组的变化不受能量摄入变化的影响营养干预。
从临床角度来看，数据显示，在较短的时间内，消耗 MD可降低血浆中的总胆固醇、LDL 胆固醇和 HDL 胆固醇，与个体能量摄入和体力活动水平无关。在本研究中，与 MD 相关的 LDL 胆固醇降低（降低 0.24 mmol/L，与基线相比降低8.3%）远未达到 1 mmol/L 的降低幅度，后者已被证明与降低心脏病风险具有临床相关性。通过粪便、血清和尿液的全面非靶向代谢特征，以及选定生物标志物的靶向定量，证实了 MD 的依从性。与 MD 模式一致，我们发现全麦粉、豆类、蔬菜和坚果的生物标志物水平升高，同时降低MD干预后肉类和蛋白质降解产物的生物标志物浓度。总体而言，与干预相关的粪便代谢组差异反映了 MD 依从后动物源性食物被植物源性食物替代。氧化吲哚-3-乙酸，一种植物中天然存在的生长素，以及 BCAAs 亮氨酸、异亮氨酸和 BAs 似乎是主要的驱动因素。BAs 可能与动脉粥样硬化、糖尿病和其他心脏代谢疾病有关。粪便 BA 的目标定量证实，在 MedD 组中，其浓度显著降低，与肉制品摄入量减少一致。与这些发现一致，与基于动物的饮食相关的水平相比，发现素食饮食可降低血浆 BCAA 和 BA。
MD 干预方案确定 R.torques 和 R. gnavus 下降。最近证明，后一种物质是促炎物质，是由于一种在树突状细胞中诱导肿瘤坏死因子 α 的多糖，而 R.torques在炎症中的可能参与在很大程度上仍不确定，目前是基于相关性。综合考虑，研究结果表明，MD 可能重塑肠道微生物组，促进代谢和心血管健康。此外，本研究有助于根据微生物组成来规划受试者的基线分层，以选择可能参与特殊营养干预的特定代谢类型，从而加强临床结局。
评论
本文研究发现，在肥胖和超重受试者中，MD 等热量 8 周干预导致总低密度脂蛋白、高密度脂蛋白、血浆胆固醇和粪便胆汁酸水平降低，与能量摄入无关，胆固醇降低与 MD 依从率成正比。MD干预导致微生物组变化，在信息减少的个体中基因丰富度增加，Faecalibacteriumprausnitzii增加，潜在促炎Ruminococcus gnavus减少。MD 依从性增加会导致一致的代谢组变化，血浆和尿肉毒碱水平降低，蛋白质降解产物降低，同时植物性食物的膳食生物标志物增加。典型的植物性食物的消耗可以决定尿石产量的增加，胰岛素抵抗和胆汁酸水平的降低，并且这些变化都与基线水平和这些特定代谢特征中涉及的微生物种类的变化一致相关。
这项研究的结果清楚地表明，在有不健康生活方式心脏代谢风险的人群中，在不伴随任何个体能量摄入、大量营养素摄入和体力活动改变的情况下改变饮食行为可以降低血胆固醇，已经在4周后。有益的饮食变化与 MD 依从性增加一致，包括减少肉类和食用谷类产品的摄入，增加水果、蔬菜、全麦谷类产品、豆类和鱼的摄入，以及每日食用坚果。一些个体的肠道微生物更易受到 MD 诱导变化的影响，并具有进一步的临床优势，如改善胰岛素敏感性和炎症状态。
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