能量代謝測量技術—腸道菌群研究案例

近年來，腸道菌群的研究越來越熱。腸道菌群與宿主共生，通過各種機制影響宿主新陳代謝功能，而且在動物和人體代謝產(chǎn)熱過程中發(fā)揮重要作用，是代謝和疾病領域一個重要的研究方向，它不僅是醫(yī)學基礎研究，而且跟我們的生活健康密切相關。以腸道菌群為研究靶點，大量的果蠅、嚙齒類動物、人體等相關的腸道菌群與代謝健康、能量平衡的研究被大量報道。
 

典型案例1
 

The role of gut microbiota in the regulation of standard metabolic rate in female Periplaneta americana[J]. Ayayee P A , Agustí Muñoz-Garcia, Keeney G D . Peerj, 2018, 6(4).
 

對昆蟲來說，標準代謝率（SMR）反映了其能量使用（用于生長和繁殖）與能量消耗（覓食、進食和消化）之間的平衡。美國肯特州立大學、俄亥俄州立大學生物科學系科研人員研究了飲食和抗生素對美洲大蠊SMR的同步影響,結果發(fā)現(xiàn)高蛋白碳水化合物比率喂養(yǎng)下細菌負荷的嚴重減少減少了兩種飲食類型中雌性的SMR，認為腸道細菌在不同飲食條件下作為宿主能量消耗調節(jié)器有巨大的市場潛力。文中代謝實驗通過SSI昆蟲呼吸代謝系統(tǒng)進行測量，該系統(tǒng)不僅能夠測量各代謝參數(shù)，還可以對原始代謝曲線進行實時分析處理。
 

標準代謝率（SMR）和腸道微生物負荷相關性

類似關于果蠅腸道菌群的案例見：Dietary nutrient balance shapes phenotypic traits of Drosophila melanogaster in interaction with gut microbiota. Y.Henry, J.Overgaard, H.Colinet. Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology, 2020,Volume 241. 文中實驗使用16通道果蠅呼吸代謝系統(tǒng)研究果蠅的呼吸代謝情況，如下圖呼吸商、氧氣消耗等。
 

The gut microbiome regulates host glucose homeostasis via peripheral serotonin. Alyce M. Martin, et al. PNAS. 2019,September 16.
 

腸道微生物群是宿主代謝方面的既定調節(jié)器，如葡萄糖處理。盡管腸道微生物群對宿主葡萄糖平衡產(chǎn)生了已知影響，但基本機制尚不清楚。澳大利亞弗林德斯大學健康與醫(yī)學研究所，加拿大McMaster University醫(yī)學院內(nèi)分泌學和代謝系，代謝、肥胖和糖尿病研究中心等機構研究認為，失調的腸道菌群可通過分泌次級膽汁酸刺激腸壁細胞大量分泌“快樂激素”——5-羥色胺，進而升高血糖水平，使得患者長期處于持續(xù)高血糖狀態(tài)，導致糖尿病的發(fā)生發(fā)展。文中能量消耗試驗是通過SSI實驗動物能量代謝監(jiān)測系統(tǒng)評估小鼠氧氣消耗，二氧化碳排放、氣體呼吸交換比率和休息能量消耗。
 

能量消耗（D）和呼吸交換比率（E）

Secretin-Activated Brown Fat Mediates Prandial Thermogenesis to Induce Satiation. Yongguo Li, Katharina Schnabl, Sarah-Madeleine Gabler, et al. Cell. 2018,November 15.
 

腸道、大腦和褐色脂肪組織之間存在聯(lián)系，褐色脂肪不僅僅是身體加熱器。德國慕尼黑工業(yè)大學分子營養(yǎng)醫(yī)學系等研究發(fā)現(xiàn)促胰液素激活的棕色脂肪組織可通過介導進食產(chǎn)熱來調控飽食感，揭示了腸道-棕色脂肪組織-腦軸的攝食調控新通路，這項研究有助于通過分泌素靶向褐色脂肪或許對肥胖癥預防和代謝疾病營養(yǎng)或藥理學干預指出希望。
 

文中實驗使用了便攜式Foxbox便攜式能量代謝儀與MSOT多光譜光聲系統(tǒng)連用，詳細使用方法參見：Non-invasive Measurement of Brown Fat Metabolism Based on Optoacoustic Imaging of Hemoglobin Gradients[J]. Reber J , Karlas A , et al. Cell Metabolism, 2018.

Incorporation of Therapeutically Modified Bacteria into Gut Microbiota Prevents Obesity[J]. Zhongyi Chen, Lilu Guo, Yongqin Zhang et al. J Clin Invest, 2014,124(8):3391-3406.
 

代謝紊亂包括肥胖、糖尿病和心血管等疾病已成全球多發(fā)態(tài)勢。腸道微生物群組合是導致個體易患這些疾病的一個重要因素。因而改變一個人的微生物群可以改善疾病。美國范德堡大學等研究人員通過SSI實驗動物能量代謝監(jiān)測系統(tǒng)實驗研究表示，細菌可以在腸道中產(chǎn)生一種治療性的化合物，抑制小鼠體重增加、胰島素耐受性以及其它高脂肪飲食所引發(fā)的副作用。
 

pNAPE-EcN轉基因菌株處理對小鼠能量消耗的影響

因各種因素導致肥胖并使用SSI模塊式能量代謝系統(tǒng)或Foxbox便攜式能量代謝儀的部分案例如下：
 

Myricetin-induced brown adipose tissue activation prevents obesity and insulin resistance in db/db mice. Hu T, Yuan X, Wei G, Luo H,Lee HJ, Jin W. Eur J Nutr. 2018.57(1):391-403（中國科學院動物研究所）.
 

A high salt diet inhibits obesity and delays puberty in the female rat[J]. Pitynski-Miller D , Ross M , Schmill M , et al. International Journal of Obesity, 2017.
 

Short-term menthol treatment promotes persistent thermogenesis without induction of compensatory food consumption in Wistar rats: implications for obesity control[J]. Lillo V R C , Motzko-Soares A C P , Marchini A G , et al. Journal of Applied Physiology, 2018, 124(3):672-683.
 

Microbial regulation of organismal energy homeostasis. Cani, P.D., Van Hul, M., Lefort, C. et al. Nat Metab, 2019 (1)34–46.
 

比利時布魯塞爾盧萬大學代謝和營養(yǎng)研究小組、盧萬藥物研究所等在Nature上詳細介紹了腸道菌群與能量平衡的相關研究。腸道微生物最重要的細菌代謝物短鏈脂肪酸作為宿主細胞的直接能量來源，刺激腸道激素的產(chǎn)生，并在大腦中作用調節(jié)食物的攝入量。其他微生物代謝物通過影響熱生成和脂肪組織褐化來影響個體的能量消耗。文中呈現(xiàn)了大量證據(jù)，支持腸道微生物群療法可用于調節(jié)宿主代謝健康，期望在不久的將來看到此類方法從實驗室轉移到臨床應用中。
 

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