案例解析：多組學(xué)分析揭示減重手術(shù)中腸道微生物如何調(diào)節(jié)機(jī)體代謝

目前，減重手術(shù)仍是治療肥胖及相關(guān)并發(fā)癥的重要外科手段。然而，手術(shù)本身帶來的損傷以及其不可逆轉(zhuǎn)的特點(diǎn)限制了減肥手術(shù)的應(yīng)用。揭示手術(shù)干預(yù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高效、低侵入性的抗肥胖策略，是當(dāng)今相關(guān)研究的一大挑戰(zhàn)。來自德國波恩大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Wiebke Kristin Fenske團(tuán)隊(duì)使用減重手術(shù)、腸道微生物移植等動物模型，通過多組學(xué)技術(shù)探索腸道微生物的功能及代謝特點(diǎn)變化。研究結(jié)果顯示，在減重手術(shù)（Roux-en-Y式）后，腸道微生物代謝特征發(fā)生改變，腸腔內(nèi)及循環(huán)中的�；撬峤Y(jié)合型膽汁酸（T-CBAs）增加。這些T-CBAs通過腸道中的FXR（Farnesoid X receptor）和靶器官中的TGR5（G-protein-coupled bile acid receptor）作用于腸道及機(jī)體的多種細(xì)胞，最終誘導(dǎo)脂肪產(chǎn)熱及代謝改善。相關(guān)成果發(fā)表于《Microbiome》。
 

一、腸道菌群耗竭可減弱Roux-en-Y減重手術(shù)對高脂飲食誘導(dǎo)肥胖模型的治療效果

為了研究腸道微生物在減重手術(shù)中發(fā)揮的具體作用。作者首先在高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖大鼠（HF-DIO大鼠）中實(shí)施Roux-en-Y減重手術(shù)（Roux-en-Y gastric bypass，RYGB），其中一組使用廣譜抗生素耗竭其腸道微生物。為模擬自由選擇飲食情況，術(shù)后大鼠同時提供了高脂及正常兩種不同飲食。腸道菌群耗竭可顯著降低RYGB治療效果�？股�素處理組大鼠體重增長是對照組的三倍，并且其增長主要體現(xiàn)在脂肪組織中。同時，抗生素處理組飲食模式更偏向于高脂飲食，日常攝入及吸收的能量更多�？股�素處理后，大鼠代謝能力也有一定受損，表現(xiàn)為血糖調(diào)節(jié)能力下降，胰島素敏感性受損，血脂升高，肝臟發(fā)生脂肪變性，促炎因子（如Ifng、Tnfα等）表達(dá)升高。

已有研究證明，腸道微生物在脂肪組織產(chǎn)熱的調(diào)控中起到重要作用。因此，作者探索了RYGB后腸道微生物變化和脂肪組織產(chǎn)熱之間的聯(lián)系。腸道菌群耗竭后，大鼠的棕色脂肪組織（BAT）發(fā)生白色化，脂肪細(xì)胞中的脂滴累積增加。同時，BAT中重要的產(chǎn)熱蛋白——解偶聯(lián)蛋白1（UCP1）在抗生素處理組中表達(dá)降低。在寒冷刺激下，相比對照組小鼠，抗生素處理組產(chǎn)熱能力下降，體溫下降的幅度也更大。此外，采用不同實(shí)驗(yàn)組大鼠血清刺激脂肪細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，RYGB術(shù)后大鼠血清可以顯著增強(qiáng)脂肪細(xì)胞線粒體呼吸能力，而抗生素處理則削弱了這一刺激。這些結(jié)果提示了腸道微生物在減重手術(shù)中起到重要作用。

（圖1）
 

二、RYGB術(shù)后大鼠糞菌移植可緩解HF-DIO大鼠表型

為了進(jìn)一步驗(yàn)證腸道微生物在減重手術(shù)中發(fā)揮的重要作用，作者將RYGB術(shù)后大鼠的腸道微生物移植（FMT）到了HF-DIO大鼠中。糞菌移植后，RYGB-FMT大鼠體重增長減緩，飲食方式也更偏向于正常飲食。盡管RYGB-FMT大鼠每日能量總攝入沒有變化，但其食物能量吸收效率降低了。相應(yīng)的，其代謝能力也得到了系統(tǒng)性改善，胰島素敏感性升高，胰島肥大比例降低以及血脂水平下降。

（圖2）

作者進(jìn)一步探究了此過程中脂肪組織的變化。RYGB-FMT大鼠白色脂肪組織（WAT）中的脂肪細(xì)胞縮小，并且參與脂肪產(chǎn)熱、脂解相關(guān)過程的基因表達(dá)上升。RYGB-FMT大鼠WAT向抗炎狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，細(xì)胞外間質(zhì)重塑及組織纖維變性也有所減少。除WAT外，RYGB-FMT大鼠BAT也有激活。其BAT內(nèi)UCP1的表達(dá)上升，脂滴含量減低。BAT中脂肪產(chǎn)熱及脂解相關(guān)基因表達(dá)上升，脂肪細(xì)胞的線粒體體積變大、嵴增多，組織纖維變性顯著減少，血清甘油水平也有一定程度的上升。此外，RYGB-FMT大鼠具有更強(qiáng)的脂肪產(chǎn)熱能力及冷耐受能力。體外試驗(yàn)中，RYGB-FMT大鼠血清處理棕色脂肪細(xì)胞，同樣發(fā)現(xiàn)其也可以上調(diào)細(xì)胞的代謝能力。這些結(jié)果進(jìn)一步佐證了腸道微生物與脂肪組織之間的交流是減重手術(shù)治療肥胖的關(guān)鍵機(jī)制。

（圖3）
 

二、多組學(xué)技術(shù)揭示，減重手術(shù)或RYGB-FMT調(diào)控�；撬岽�謝及腸道膽汁酸受體的活性

作者首先采用16S rRNA技術(shù)分析了減重手術(shù)及糞菌移植對腸道菌群構(gòu)成的影響。結(jié)腸內(nèi)容物結(jié)果表明，除抗生素處理組之外，無論是RYGB或是RYGB-FMT，都無法改善HF-DIO大鼠的腸道菌群多樣性。盡管在屬的水平，RYGB-FMT大鼠中的Deferribacteres（脫鐵桿菌屬）十分豐富，但在其他菌群上，與HF-DIO大鼠并沒有差別。因此，作者認(rèn)為并非是某種細(xì)菌，而是幾類菌群在代謝方面的集體改變，引發(fā)了下游信號的傳導(dǎo)。

（圖4）

微生物的代謝產(chǎn)物，是宿主-微生物通訊的關(guān)鍵介質(zhì)。因此，為了探究這一過程中代謝產(chǎn)物的變化，作者對門靜脈血漿及盲腸內(nèi)容物進(jìn)行代謝組學(xué)分析。通過對比分析，從差異代謝物中聚焦到幾種膽汁酸（BAs）。已有研究發(fā)現(xiàn)，BA是一種重要的代謝調(diào)節(jié)劑，主要參與葡萄糖、脂質(zhì)等代謝過程的調(diào)控。FXR及TGR5是其主要受體。在RYGB糞菌移植大鼠的門靜脈血漿及盲腸內(nèi)容物中，�；撬峤Y(jié)合型膽汁酸（T-CBA）水平升高。同時，在回腸FXR-FGF19信號軸激活下，回腸中BAs重吸收相關(guān)基因表達(dá)上升，但循環(huán)中具有細(xì)胞毒性的BAs水平下降。同時還伴隨著TGR5系統(tǒng)性表達(dá)上調(diào)。靶向定量技術(shù)檢測到在門靜脈血漿及盲腸中�；撬崴�平上調(diào)。與此一致，肝臟中�；撬岷铣杉稗D(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因也一并上調(diào)。這些結(jié)果證明，RYGB或其糞菌移植通過影響宿主牛磺酸及膽汁酸代謝激活下游信號從而進(jìn)行代謝調(diào)控。

（圖5）

為了更好的理解微生物代謝功能的變化，作者對盲腸內(nèi)容物進(jìn)行了宏蛋白質(zhì)組學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管RYGB術(shù)后腸道菌群變化不大，其蛋白質(zhì)功能發(fā)生了極大改變。利用KEGG分析，作者發(fā)現(xiàn)這些蛋白質(zhì)主要富集在142條通路上，其中“無機(jī)離子轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝”，“核糖體合成”，“染色體及相關(guān)蛋白”通路存在顯著性改變（p<0.05）。此外，作者發(fā)現(xiàn)膽鹽水解酶（BSH）——將T-CBA代謝為牛磺酸和BAs的關(guān)鍵酶——在RYGB及RYGB-FMT組中的豐度大大下降。這與之前的發(fā)現(xiàn)一致。并且，分析結(jié)果顯示BSH的變化與Turicibacter, Romboutsia, Intestimonas三個菌屬密切相關(guān)。

（圖6）
 

四、FXR及TGR5在激活脂肪組織產(chǎn)熱及改善代謝能力中起關(guān)鍵作用

目前研究結(jié)果證明RYGB糞菌移植通過激活腸道FXR調(diào)節(jié)系統(tǒng)BA信號，從而改善代謝健康。由此，作者使用FXR抑制劑Gly-MCA（Glycine-ß-muricholic acid）灌胃給RYGB-FMT小鼠后，發(fā)現(xiàn)該抑制劑逆轉(zhuǎn)了FMT的治療作用。雖然口服給予Gly-MCA并不會影響肝臟FXR信號傳導(dǎo)，其仍然減弱了RYGB-FMT對肝臟脂肪變性的治療作用。這提示，小腸內(nèi)FXR，而非肝臟內(nèi)的FXR信號傳導(dǎo)至關(guān)重要。此外，Gly-MCA給藥顯著降低了iBAT和WAT中脂肪產(chǎn)熱以及脂解基因的表達(dá)，并且小鼠的冷耐受能力下降。

本研究中發(fā)現(xiàn)膽汁酸的改變可以誘導(dǎo)FXR5系統(tǒng)性激活，于是，在高脂飲食喂養(yǎng)的Tgr5-/-小鼠中進(jìn)行RYGB大鼠腸道微生物移植時，RYGB-FMT并不能誘導(dǎo)產(chǎn)熱增加，以及代謝狀況的改善。這些結(jié)果表明，F(xiàn)XR及TGR5在RYGB糞菌移植中減輕肥胖中代謝紊亂發(fā)揮關(guān)鍵作用。
 

小結(jié)

本研究通過多組學(xué)手段，闡明了減重手術(shù)前后腸道微生物的變化，并探索了其影響肥胖及相關(guān)代謝特征的機(jī)制。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)減重手術(shù)通過腸道微生物調(diào)節(jié)�；撬岽�謝及BAs信號進(jìn)而激活下游脂肪組織產(chǎn)熱、改善機(jī)體葡萄糖的潛在機(jī)制。該項(xiàng)工作凸顯了腸道微生物與宿主之間的“交流”在調(diào)控機(jī)體能量代謝狀態(tài)中的重要性，為肥胖的臨床治療，以及代謝障礙的管理方案提供了新思路。
 

參考文獻(xiàn)

Functional changes of the gastric bypass microbiota reactivate thermogenic adipose tissue and systemic glucose control via intestinal FXR-TGR5 crosstalk in diet-induced obesity. Microbiome. 2022.

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