2018-03-22
最近，派森诺生物与上海第六人民医院合作，在知名期刊《BMC Biology》（影响因子6.779）上发表研究成果，通过饮食诱导的肥胖小鼠模型，结合代谢组学和微生物组学分析，揭示了胆汁酸对肠道菌群的重要塑造作用。
研究背景
众所周知，肠道菌群通过肠道BAs（bile acid）生物转化以及利用肠道核法尼醇X受体（FXR）刺激纤维原细胞生长因子19的表达，来调控体内胆汁酸的平衡。另一方面，BAs因其强大的抗菌活性，可以直接调节肠道菌群。但是，哺乳动物的BAs和肠道菌群如何关联，以及如何通过动态互作影响菌群组成，目前尚不清楚。
本研究系统评估了雄性C57BL/6小鼠在饮食诱导的肥胖模型中的BA变化和肠道菌群的改变。代谢组学分析了宿主——菌群共代谢物质，说明BAs是一个影响肠道菌群的变化的重要因素。小鼠喂食HFD（high-fat diet）或者BAs后，分析BA的变化和菌群组成变化以及肠道菌群对HFD的动态响应，检测BAs和肠道菌群组成变化之间的关联，从而提出一种新的治疗方案，即通过靶向BA代谢阻止和治疗代谢疾病。
研究方法
测序技术：Illumina MiSeq平台
测序模式：16S rRNA基因V4-V5区
实验设计：
研究结果
3.1 HFD治疗引起的代谢组和肠道菌群变化的相关性揭示BAs是影响肠道菌群的重要因素
代谢组测定（GC/TOFMS、UPLC/TQMS、UPLC/QTOFMS等）和16S rRNA测序结果分析表明BAs与8个门水平上的肠道菌群中的5个是显著相关的，说明BAs是影响肠道菌群的相关的代谢物。对Control组和HFD组的小鼠进行BAs含量的定量分析，发现HFD组盲肠中BAs水平显著增加。所有CA衍生得到的BAs的水平显著增加了，说明这些BAs可能是对高脂饮食产生响应的重要BA类别。
图1 代谢物与门水平肠道菌群的相关性以及随着HFD的干预引起的BA变化
3.2 高脂饮食引起的肠道菌群的改变及其与BAs的关联
Simpson指数在HFD组中要比Control组要低，说明菌群的多样性在HFD干预后降低。PCoA和基于Bray–Curtis的聚类分析结果表明两组之间能明显分离。菌群丰度分析发现在Control组中主要是Proteobacteria (41.91%)，Firmicutes (30.59%)，和Bacteroidetes (26.22%)，但是在HFD组中主要是Firmicutes (47.51%)，Proteobacteria (34.86%) 和 Bacteroidetes(16.94%)。热图结果表明42种BAs中有33个至少和一种菌群显著相关。Bacteroidetes 和Verrucomicrobia中的大多数菌群和BA的变化是负相关的，Firumicutes 和Proteobacteria中的菌群却是正相关的。
图2 小鼠盲肠中HFD引起的菌群组成变化
3.3 BAs如何改变肠道菌群组成
对不同时间点的Control组和HFD组进行PLS-DA分析，表明在HFD干预的第一天显著改变，菌群在D1到D3发生大幅度上下波动。BAs的数量在HFD干预12h后就达到了稳定期，表明HFD快速刺激了BA分泌。菌群数量逐步增加，在D3达到了高值。HFD干预后10天，所有检测到的BAs都有上下波动，同时两种菌群在D28时被影响。这说明HFD的干预先对BAs产生响应，可能再同时影响肠道菌群。肠道菌群的改变迟于BA的增加，意味着BAs可能调控肠道菌群的组成。
图3 BAs随时间发生的变化及菌群对HFD的响应
3.4 BAs单独诱导肥胖相关肠道菌群发生变化
CA型BAs在HFD干预后显著增加，表明这些BAs的主要作用是和高脂饮食有关联。喂食GCA和TCA显著改变了总BA特别是次级BAs增加。补充BAs显著改变了小鼠的表型和生化指标，变化趋势和HFD中类似。体重增长，脂肪量，肝脏重量和血清总胆固醇都得到增加。结果证实表型改变和BA的调控相关。
16S rRNA基因测序结果表明，和Control组相比，Alpha多样性Simpson指数在Control+BA组中是减少的，比HFD组中还要低。PCoA分析表明对标准饮食的菌群组成，BA和HFD有着类似的改变效果。和Control组相比，Control+BA组中肠道菌群主要变化是Bacteroidetes (26.22% to 23.53%) 和Firmicutes (30.59% to 33.24%)，但是Verrucomicrobia显著减少。这和HFD组结果类似。热图结果显示HFD组和Control+BA组的菌群有类似的变化趋势。这样的结果意味肥胖相关的肠道菌群中R. gnavus，Blautia spp.，Allobaculum spp.，Bilophila spp.，Desulfovibrio spp.，Prevotella spp.，Bacteroides spp.，和Akkermansia muciniphila可能受BAs的调控。
图4 喂食HFD和BA后BAs浓度，生理变化和菌群组成
3.5 减少BA可以作为一种衰减HFD诱导的肠道菌群变化和肥胖表型的备选治疗方案
FXR兴奋剂，GW4064可以抑制C57BL/6J小鼠肝脏中BA的合成。和预期的结果一样，GW4064的使用减弱了HFD组小鼠中BA的增加，特别是总BAs和次级BAs。抗生素抑制了肠道菌群后，和HFD组相比BAs特别是初级BAs显著增加了。喂食了掺杂有GW4064的HFD组的小鼠，体重并没有增加，同样减少了脂肪量和肝脏重量。另外补充GW4064中和了HFD诱导血清总胆固醇升高的作用。在HFD+rifaximin组中，发现体重，腹部脂肪组织重量，肝脏重量和血清总胆固醇都有所减少。
通过GW4064诱导的BA调控作用，肠道菌群的Alpha多样性显著增加。PCoA分析表明HFD+GW4064组和Control组更相似，说明肥胖相关的肠道菌群的组成经过BA调控作用后会得到反转。门水平柱状图表明HFD+ GW4064组的肠道菌群的组成和Control组很类似。所以，利用FXR抗生素可以阻止或者反转高脂饮食诱导的肠道菌群的变化，改善肥胖表型的发展。
图5 喂食HFD, HFD + GW4064, and HFD + rifaximin之后BAs的浓度，生理变化及菌群的组成
总 结
通过定量测定小鼠中小分子代谢物，发现内生代谢物中BAs是和菌群变化相关的重要的因子。高脂饮食（HFD）的干预，导致12h内BA快速且显著的增加，随后在24h内改变了菌群组成，证明BAs是调控肠道菌群的主要饮食因素。研究结果表明BAs和HFD诱导的肠道菌群的变化之间有相互关联的关系。通过BA分泌或者合成的减少，证实膳食干预和FXR活化在肥胖治疗中起着关键的调控作用。
参考文献
Zheng X, Huang F, Zhao A, et al. Bile acid is a significant host factor shaping the gut microbiome of diet-induced obese mice[J]. BMC Biology, 2017, 15(1):120.
