科研 | 生命早期特定合生元的摄入可以预防成年小鼠形成饮食诱导的肥胖
本文由董小橙编译，董小橙、江舜尧编辑。
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成人的代谢状态与他们的肠道菌群紧密相关。宿主与微生物之间的相互作用始于出生，并且早期的微生物群落的变化可长期干扰健康。因此，本研究的目的是为了探究早期生活中有益的微生物的干预如何影响成年时期的代谢健康。
原名：Specific synbiotics in early life protect against diet-induced obesity inadult mice
译名：大鼠生命早期特定合生元的摄入可以预防成年小鼠形成饮食诱导的肥胖
期刊：Diabetes Obesity & Metabolism
IF：6.715
发表时间：2018年
通信作者：Jan Knol
通信作者单位：Nutricia Research(荷兰)
将出生后(PN)的小鼠分为四组：REF组、CTRL组、PRE组和SYN组。对其进行饮食干预，REF组和CTRL组正常喂养，PRE组在饮食中加入益生元，SYN组在饮食中加入合生元，直到PN42天。PRE组正常喂养，后三组的饮食模式为高脂肪西式饮食(WSD)模式，直到PN98天。PN98天时大鼠的六种组织的葡萄糖稳态、脂质代谢和宿主转录组的标志被测定。试验流程如下图：
1、生命早期摄入合生元对预防饮食诱导的肥胖具有长期保护作用
在PN42天时，四组的小鼠在体重、脂肪量、去脂体重这三个方面都没有明显的差异(图1B-D)。这表明营养素的补充不会影响小鼠的正常成长。
直到PN98天时，同其他组相比，SYN组的小鼠的长度、去脂体重都没有明显的变化(图1D)。同REF组相比，PRE组及CTRL组的小鼠的体重及脂肪量都明显增加(图1B和C)。同CTRL组相比，SYN组的脂肪块总量、血浆瘦素明显降低(图1E和F)。这表明WSD对小鼠的成长是有影响的，也表明了生命早期合生元的摄入可以预防小鼠发生饮食诱导的肥胖。
图1 早期生命补充合生元可防止小鼠在WSD挑战下的脂肪过多堆积(图中B-D分别代表4组小鼠在三个时间点的体重、脂肪量和去脂体重的变化；E和F分别代表4组小鼠在PN98天时脂肪块的总和以及血浆瘦素水平)
2、生命早期补充合生元可改善成年后的糖和脂代谢
同CTRL组相比，SYN组的HOMA-IR指数有一个降低的趋势(图2A)，这表明SYN组小鼠的胰岛素敏感度有所提高。同CTRL组相比，SYN组胰岛素水平显著下降(图2B)，但四组的空腹血糖水平是相似的(图2C)。所有受WSD挑战的组的血浆中甘油三酯(TG)水平都是相似的(图2D)，但同CTRL组和REF组相比，SYN组的血浆胆固醇总量明显降低(图2E)。此外，同CTRL组相比，SYN组的血浆β羟丁酸水平明显降低(图2F)，这表明较高的脂肪酸氧化可能有助于防止肥胖和改善糖代谢。早期合生元补充可改善成人血浆参数也与肝脏重量及肝脏TG含量的减少有关(图2G和H)。
图2 早期生命补充合生元可改善成年小鼠体内葡萄糖和脂质体内平衡的标志(图中A-C分别代表4组小鼠在PN98天时HOMA-IR、空腹血糖胰岛素及空腹血糖的水平；D-H分别代表4组小鼠在PN98天时血浆甘油三酯(TG)、总胆固醇、β羟丁酸、肝脏重量及肝脏TG的水平)
3、生命早期补充合生元可改变成年小鼠回肠中的胆固醇代谢
通过对6个相关组织(十二指肠、空肠、回肠、结肠、肝脏和脂肪组织)进行微阵列分析，发现在SYN组的回肠中有144个基因改变了，且其中57%的基因表达能力降低，而在其他组织没有发现基因改变。
为了鉴定SYN组及CTRL组小鼠回肠的生物学功能及信号通路的区别，采用信号网络分析(IPA)生物信息学方法对差异表达的基因进行分析，结果发现两组中差异最大的生物学功能为脂质代谢(图3A)。此外，有5个信号通路具有差异，前4个分别是“LPS/IL-1 mediated inhibition of RXR”，与脂质、胆固醇及异生物质代谢相关；“Superpathway of cholesterol biosynthesis”和“Zymosterol Biosynthesis”，与胆固醇生物合成相关；“LXR/RXR activation”，与脂质和胆固醇代谢相关(图3B)。这表明脂质和胆固醇代谢是补充益生元的成年小鼠最强的调节功能。因此，本研究选择了与胆固醇代谢相关的31个基因进行研究(图3C)。结果发现同CTRL组相比，31个基因中有6个基因在SYN组明显被调控，其中与胆固醇生物合成相关的基因(Hmgcs1, Pmvk, Tm7sf2, Msmo1 和 Nsdhl)明显上调，而与胆固醇储存和分泌有关的基因(Abcal1)明显下调(图3C和3D)。这表明早期生活益生元的补充诱导基因的表达与成年小鼠回肠细胞中胆固醇的合成有关。
图3 生命早期补充合生元可改变成年小鼠回肠中的胆固醇代谢(图中A和B代表SYN组与CTRL组的回肠中差异较大的前5种生物功能和代谢通路；C代表4组中与胆固醇合成、酯化、转运和调节相关的基因的热图；D代表胆固醇生物合成，转运，分配和调节的示意图，红色代表基因上调，蓝色代表基因下调，黑框加粗中的基因表示其被明显改变)
4、生命早期补充合生元可诱导菌群发生改变
基于加权UniFrac距离分析发现，在不同的时间点，每个组内及及组间的加权UniFrac距离都没有明显的差异(图4A)。在PN21天和42天时，同PRE组及CTRL组相比，SYN组肠道菌群的α多样性是显著增加的(图4B)，这表示益生元的补充可以增加肠道菌群多样性。在PN42天时，同PRE组及CTRL组相比，SYN组的厚壁菌门的丰度明显降低(图4C)。益生元的补充导致SYN组中放线菌门呈上升趋势，且在PN98时，同CTRL组相比，SYN组的放线菌门的丰度显著上升，而拟杆菌门的丰度明显下降(图4C)。在PN21天时，同CTRL组相比，SYN组的双歧杆菌属的丰度明显增加，且在PN98天时，其丰度比其他3组都明显高(图4D)。同CTRL组相比，SYN组中的乳酸菌属没有显著的变化(图4E)，一种未被鉴定的菌属(属于细菌科S24-7)在PN42天时显著增加，但在PN98天时明显下降(图4F)。
图 4 早期生活补充合生元可调整肠道菌群(图中A代表4组组间或组内的加权Unifrac距离；B代表4组细菌多样性的箱形图；C-F分别代表4组小鼠肠道菌种主要的门、双歧杆菌属、乳酸菌属和S24-7的丰度)
5、青少年时期微生物的移植不会转移益生元的有益表型
为了探究SYN组小鼠成年时期代谢表型的改善是否由微生物的改变所介导，本研究在6周龄的无菌小鼠体内定植了CTRL组或SYN组小鼠的盲肠中的物质，分为tCTRL组和tSYN组，并进行了8周的WSD挑战(图5A)。结果表明，在微生物转移前，两组小鼠的体重、脂肪量和去脂体重没有明显的差异，且在转移后直到PN98天时也没有显著的变化(图5B-D)。因此，补充益生元后的肠道菌群移植到年龄相匹配的青年小鼠体内不足以转移益生元补充的小鼠的有益表型。
图5 合生元诱导的有益表型不会在成年早期通过微生物移植转移。图中A代表实验流程图。B-D代表tCTRL组和tSYN组在不同时间点的体重、脂肪量和去脂体重的变化。
通过本研究结果更加证明了有益微生物的早期定植对于成年时期的健康代谢作用至关重要。通过对相关啮齿动物模型进行营养干预，本研究发现生命早期补充合生元可预防成年后期肥胖和代谢疾病的发展。肥胖在全球范围内呈上升趋势，除了减肥手术之外，还没有有效的措施对其进行治疗。本研究的结果可能会促进预防肥胖的策略的发展。
该研究目的明确，思路清晰，通过动物模型研究验证了生命早期补充合生元可预防成年后期肥胖和代谢疾病的发展。此外，为了证明结果的可信性，该作者在欧洲两个不同的地方进行了相同的试验。结果发现肠道菌群的变化有一些不同，但营养干预的代谢结果是相似的。这一部分在本文中没有编译，感兴趣的朋友可以关注公众号查看原文。