科研 | Cell子刊：小肠微生物群调节宿主对膳食脂质的消化和吸收适应性反应
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肠道微生物在脂质代谢和吸收中发挥了重要的作用，然而，哺乳动物的小肠微生物在饮食与微生物相互作用过程中发挥的作用仍然不得而知。为了探究小肠微生物群在脂质消化与吸收中发挥的作用，作者采用无菌动物模型、菌群移植等多种方法进行研究。结果发现无菌小鼠不能通过高脂饮食诱导使小鼠体重增加导致肥胖, 是由于其小肠中脂质消化和吸收功能受损，近端肠道微生物通过调节脂质的消化和吸收阶段，对宿主适应膳食脂质变化发挥了关键作用。
论文ID
原名：Small Intestine Microbiota Regulate Host Digestive and Absorptive Adaptive Responses to Dietary Lipids
译名：小肠微生物群调节宿主对膳食脂质的消化和吸收适应性反应
期刊：Cell Host & Microbe
IF：17.872
发表时间：2018年
通信作者：Eugene B. Chang
通信作者单位：芝加哥大学医学系
实验设计
实验内容
1 无菌小鼠不能通过高脂饮食诱导肥胖部分原因是脂质消化和吸收减少
为了明确无菌小鼠是否与之前报道结果一样会引起脂肪吸收不良，无特定病原体(SPF)小鼠和无菌(GF)小鼠分别喂养高脂(HF)饮食或低脂饮食(LF)4周，测定代谢指标和粪便脂质含量。研究结果与文献报道一致，GF小鼠即使喂养HF饮食也不会肥胖(图1A)，而且腹部脂肪和肠系脂肪垫质量也相应减少(图1B)。与喂养LF饮食的SPF小鼠相比，喂养HF饮食的GF小鼠的血浆三酰甘油(TG)显著降低，而且HF饮食的GF小鼠低密度脂蛋白(LDL)含量比分别喂养LF饮食和HF饮食的SPF小鼠都要低(图1C)。相对于SPF小鼠，喂养HF饮食的GF小鼠表现出空腹血糖(图1D)、胰岛素、瘦蛋白、纤溶酶原激活物抑制剂-1(PAI-1)(图1E)水平减小。与此同时，与喂食HF饮食的SPF小鼠相比，GF小鼠中的粪便甘油三酯水平倾向于升高。与SPF小鼠相比，喂食HF饮食的GF小鼠的非酯化脂肪酸(NEFA)水平倾向于更低。在SPF和GF小鼠的HF饮食后，粪便胆汁酸和总胆固醇显著增加(图1F)。在这些研究的基础之上，作者推测喂食HF饮食的GF小鼠脂肪吸收和消化能力受损，从而保护免受HF饮食引起的肥胖、血脂升高和胰岛素抵抗。因此，作者试图进一步检查GF小鼠是否在脂质吸收中显示出活性损伤并确定所涉及的机制。
图1 GF小鼠免受高脂饮食诱导的肥胖
2 GF小鼠脂质吸收严重受损
将膳食脂质从肠腔输送到体循环中需要胃肠道(GI)的消化和吸收功能，为了确定GF小鼠是否表现出脂质消化和吸收受损，给GF和SPF小鼠维持标准食物饲料的同时，用[3H]标记三油酰甘油酯(甘油三酯由油酸组成)和[14C]标记的胆固醇强饲，放射性标记脂质的量在7小时后测量血浆，在灌胃之前，小鼠眼内注射泰洛沙泊(一种外周脂蛋白脂肪酶(LPL)抑制剂)，可阻断外周摄取脂质，从而可以检测血液中累积的放射性标记脂质(图2A)。与SPF小鼠相比，GF小鼠表现出[3H]三油酰甘油酯和[14C]胆固醇吸收率显著降低(图2B)。
为了明确HF饮食喂养是否可以恢复脂质吸收，在喂食纯化的LF或HF饮食的GF小鼠和SPF小鼠中检查放射性标记的脂质吸收，5小时和7小时检测结果表明，与喂食HF饮食的GF小鼠相比，HF喂养的SPF小鼠在血浆中具有显著更高水平的[3H] 三油酰甘油酯和[14C]胆固醇。在SPF小鼠中，喂食HF饮食比LF饮食在7小时表现出更高的[14C]胆固醇水平。然而在GF小鼠中，喂食HF和LF饮食的[3H]三油酰甘油酯和[14C]胆固醇吸收都没有增加(图2C)。为了检测外周[3H]三油酰甘油酯和[14C]胆固醇摄取水平，在正常饮食的SPF和GF小鼠中进行了相同的实验，但没有使用泰洛沙泊预处理(图2D)。与之前的结果一致，与SPF小鼠相比，GF小鼠5和7小时血浆中的[3H]三油酰甘油酯和[14C]胆固醇水平显著降低(图2E)。此外，与SPF小鼠相比，GF小鼠在十二指肠和空肠上皮(图2F)以及肝脏中(图2G)的放射性标记的脂质水平显著降低。
图2 与SPF小鼠相比GF小鼠的脂质吸收和运输受损
3 GF小鼠在小肠内表现出脂质消化和吸收受损
为了更好地明确GF小鼠中脂肪吸收减少的机制，在GF与SPF小鼠中评估脂肪消化和转运。肠内分泌激素胆囊收缩素(CCK)和促胰液素(SCT)在很大程度上促进脂肪消化，CCK刺激胆汁从胆囊中释放用于脂肪的乳化以及脂肪酶的胰腺分泌。为了评估GF小鼠中受损的肠内分泌信号，将GF和SPF小鼠禁食4小时并用脂肪丸玉米油(CO)或H2O对照饲喂2小时。结果显示在对照条件下GF对SPF小鼠的胆囊重量显著更高，但在CO灌胃后没有(图2A)。有趣的是，CO显著增加了SPF小鼠十二指肠中的脂肪酶活性，但没有显著增加GF小鼠的脂肪酶活性，这表明GF小鼠的CCK信号传导受损(图2B)。空肠中也出现了类似的趋势，与CO灌胃后的SPF小鼠相比，GF小鼠在空肠中表现出Cck和Sct的基因表达降低(图2C)。出乎意料的是，GF小鼠脂肪酶活性降低无法通过循环CCK水平来解释，因为GF小鼠血浆CCK水平升高(图2D)。这迫使作者研究在GF小鼠中Cckar的胰腺表达是否减少，实际上，与SPF小鼠相比，GF小鼠在胰腺中具有显著更低的Cckar mRNA(图2E)。蛋白质印迹分析显示，与H2O对照相比，用CO强饲的SPF小鼠表现出升高的CCKaR蛋白水平，而GF小鼠相对于H2O对照对CO没有表现出升高的CCKaR反应(图2F)，然而这种效果并不显著。接下来，对GF小鼠进行强饲在有或没有热灭活的革兰氏阴性(Bacteroides thetaiotamicron)和革兰氏阳性(Lactobacillus rhamnosus GG)细菌的组合，并测量胰腺Cckar表达。与GF对照相比，暴露于革兰氏阴性和革兰氏阳性热灭活细菌增加了胰腺中Cckar的表达(图2G)。总之，这些结果表明，GF小鼠的脂质吸收减少涉及CCKaR介导的胰腺刺激的破坏。
为了检查吸收性肠细胞部位是否发生脂质转运减少(例如，除了消化所需的肠内分泌信号)，从GF和SPF小鼠的空肠和回肠中分离出刷状缘膜囊泡，然后与[3H]标记的油酸孵育。与来自SPF小鼠相比，GF小鼠的刷状缘膜囊泡表现出降低的[3H]油酸(图3H)以及[3H]葡萄糖摄取(图3I)，暗示微生物在调节与膜转运相关的过程中的作用。为了更好地阐明宿主-微生物相互作用背后潜在的机制，我们接下来试图确定HF饮食诱导的肠道微生物在脂质吸收中的作用。
图3 GF小鼠表现出脂质消化和吸收功能受损
4 肠道微生物调节脂质吸收
以上结果表明小肠微生物群组成对于识别驱动脂肪吸收的关键宿主-微生物相互作用是不可或缺的。因此，我们在LF和HF条件下表征了SPF小鼠中小肠的微生物群落结构。从十二指肠、空肠和回肠收集的粘膜刮片以及用LF或HF饮食喂养4周的小鼠的盲肠内容物进行16S rRNA基因扩增子的测序。基于Bray-Curtis beta多样性分析，在空肠和回肠中LF和HF微生物群之间的差异是明显的，如在主成分分析(PCoA)图中所示，不同区域样品微生物之间有明显差异(图4A)。针对Bray-Curtis和Canberra多样性进行Adonis和相似性分析(ANOSIM)检验，以分析每个小肠区域中LF和HF饮食组之间的差异(表1)。与LF饮食小鼠所有小肠部位的相比，HF饮食增加了梭菌科的相对丰度，特别是在空肠和回肠中(图4B)。HF饮食还降低了所有肠区域中双歧杆菌科和拟杆菌科的丰度(图4B)。来自LF或HF喂养的小鼠的最小熵分解(MED)寡核苷酸之间的分析揭示了空肠(表2)和十二指肠的显著差异。在回肠和盲肠中LF和HF饮食之间未发现MED寡聚体的显著差异。在空肠中HF饮食显著增加MED寡聚体属于Clostridium和Turicibacter和Peptostreptococcacea科，而通过HF饮食显著降低的寡核苷酸包括Bifidobacterium，Allobaculum和Bacteroidales(表2)。总之，微生物群结构随着小肠的长度而不同，而且HF饮食对微生物结构有显著影响，特别是在小肠中。
表1 小肠不同部位以及不同饮食微生物多样性差异比较
表2 在空肠中LF和HF饮食产生的寡核型之间有显著差异
为了明确与正常定植LF空肠微生物群相比，移植HF空肠微生物群的GF动物的是否增加脂质吸收以及这些变化是否需要供体饮食的选择压力(图4C)。结果显示，与接受LF微生物的小鼠相比，接受HF微生物的两组均表现出增加的脂质吸收(ConvD LF-LF)(图4D)。即使HF-LF群落结构被d21转移到LF-LF群落，HF微生物也可能通过GF小鼠小肠的差异重新影响这些小鼠的脂质吸收水平。这些结果表明，与LF衍生的微生物相比，来自HF饮食条件的小肠微生物增加脂质吸收，而不依赖于常规后的膳食压力。
图4 HF饮食诱导的空肠微生物促进脂质吸收
5 Clostridiaceae在体外和体内增加Dgat2表达
为了证实特定细菌菌株影响脂质吸收途径，对一个属于Clostridiaceae科的参考菌株Clostridium bifermentans进行了体外小肠模型测试。选择L. rhamnosus GG CM作为比较菌株，根据作者之前实验的发现，该菌株可影响胰腺中的Cckar表达，表明与消化相关但不吸收的效果。处理24小时后，C.bifermentans CM选择性地诱导参与脂质转运而不是Cck，Sct或Cd36的关键酯化酶(即单酰基甘油O-酰基转移酶，Mogat2和二酰基甘油O-酰基转移酶，Dgat1，Dgat2)的表达(图5A)。 此外，与十二指肠黏膜中的C.ramosumCM或空肠单层中的增强梭菌培养基(RCM)对照相比，C.bifermentansCM增加了油酸摄取(图5B)。 与这些发现一致，我们注意到来自C.bifermentans的CM增加体内LF喂养小鼠的空肠中的Dgat2 mRNA水平(图5C)。补充C. bifermentans在LF条件下在十二指肠和空肠中显著增加Dgat2的mRNA水平，Dgat1没有增加(图5D)，但在HF条件下具有增加水平的趋势。没有观察到C. bifermentans对DGAT2蛋白水平的明显影响，然而，这可能是由于组内变异(图5E)。 不管是否补充C. bifermentans，HF饮食都能显著提高Fabp2和Cd36的基因表达(图5D)。总的来说，作者研究结果表明，特定的微生物菌株影响参与TG重新酯化的基因的表达，如Dgat1和Dgat2，但确切的机制尚待探索。
图5 C. bifermentans和L. rhamnosusGG诱导Dgat2表达
结论
研究结果表明，小肠微生物群在脂质吸收和消化过程中发挥了关键作用，部分是通过肠内分泌信号的系统控制以及对肠细胞中脂肪酸转运的局部影响，部分是小肠微生物对促进大量营养素的吸收的饮食压力特别敏感。
结论
作者这项研究思路清晰缜密，明确的阐述了小肠微生物群对脂质消化吸收中发挥的重要作用，对于制定对抗肥胖的方法的完善具有重要意义。作者最后指出，开发专门针对小肠微生物群的干预措施可能更为重要，可以通过降低某些微生物的丰度或活性来促进脂肪吸收，或者通过增加可能抑制脂肪摄取的微生物丰度。而对于具体调控小肠微生物方法的实施，还需要继续努力了解近端小肠中的宿主-微生物相互作用，以找到最佳的治疗方案。评论仅属小编一己之见，希望大家多提意见，提携小编进步。