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Nature Microbiology | 菊粉可借助肠道菌群产生代谢物十五烷酸对预防非酒精性脂肪肝炎大有益处！

麦特绘谱

2023.10.19

非酒精性脂肪肝炎（NASH）是非酒精性脂肪肝（NAFLD）更严重的进展类型，以肝脏炎症和脂肪堆积为主要特征。先前的研究表明，膳食纤维通过调节肠道微生物群和富集短链脂肪酸对NAFLD有益，但尚不清楚纤维培养的肠道微生物物种类别以及纤维代谢来源的菌群代谢物。

为了阐释肠道微生物群通过膳食纤维改善NASH的机制，香港中文大学于君团队通过整合¹³C-菊粉宏基因组和代谢组学数据，发现P. distasonis可利用菊粉产生十五烷酸降低血清脂多糖和肝脏促炎细胞因子的表达，发挥对NASH小鼠的保护作用，有力支持了肠道菌群可以利用膳食纤维产生有益的代谢物来抑制代谢性疾病的观点。相关成果以题为“Parabacteroides distasonis uses dietary inulin to suppress NASH via its metabolite pentadecanoic acid”发表在Nature Microbiology【IF: 28.3】杂志。

图1. 菊粉通过肠道菌群代谢物对NASH的作用机制

菊粉可改善CDHFD诱导的小鼠NASH

使用胆碱缺乏的高脂肪饮食（CDHFD）在小鼠中建立NASH模型，发现与喂食CDHFD的小鼠相比，喂食可溶性纤维菊粉（CDHFD-I）和不溶性纤维纤维素（CDHFD-C）混合物的小鼠增重减缓，并改善了胰岛素抵抗和降低了肝脏重量。与纤维素相比，菊粉在更大程度上缓解了CDHFD诱导的肝脂肪变性、氧化应激和肝脏功功能，并降低了促炎细胞因子和肿瘤坏死因子水平。与此一致的组织学评估显示，菊粉改善了CDHFD诱导的肝脂肪变性和纤维化。整体表明菊粉可改善小鼠饮食诱导的NASH及其相关的代谢紊乱，且比纤维素更有效。

图2. 菊粉可改善CDHFD诱导的小鼠NASH

菊粉来源的P. distasonis在预防NASH中发挥了有益作用

菌群测序结果表明，与仅喂食CDHFD的小鼠相比，喂食菊粉的小鼠体内有高度富集的拟杆菌。为了揭示纤维和肠道微生物群之间的直接联系，分别使用¹³C-菊粉和¹³C-纤维素进行稳定同位素标记，qPCR分析结果显示来自接受¹³C-菊粉小鼠的大部分粪便DNA以较重的梯度积累，而来自未标记菊粉组的粪便DNA主要分布在较轻的组分中，表明来自菊粉的¹³C可转化到微生物DNA中。相反，¹³C纤维素标记后没有峰移，表明纤维素不能被小鼠微生物群利用。

从¹³C-菊粉和未标记菊粉的各自峰部分分离的DNA进行宏基因组测序，并通过超速离心将¹³C-标记“较轻”DNA与标记“较重”DNA分离，以鉴定¹³C-菊粉标记的微生物。结果发现拟杆菌门占¹³C标记细菌的90%，比未标记的样品的富集量增加了两倍，定量SIP揭示这种高富集量主要由拟杆菌属和类杆菌属贡献。随后进行生态网络分析，发现与喂食正常食物饮食（NCD）的小鼠相比，喂养CDHFD的小鼠的微生物共现和共排除相互作用发生了改变，部分可被菊粉拯救。与NCD或CDHFD组相比，菊粉还促进了新的细菌相互作用。

选择菊粉组富集的狄氏副拟杆菌P. distasonis（DSM 108218）、统一双歧杆菌（DSM 108148）和酸双歧杆菌（DSM 15896）在CDHFD模型中进行验证。发现相比于统一双歧杆菌和酸芽孢杆菌，P. distasonis的干预可以显著减少体重增加、降低肝脏重量、血清ALT和AST，以及促炎细胞因子TNF-α和IL-6，并可以使模型小鼠肝脂肪变性和坏死炎症的显著降低，表明P. distasonis对NASH的抑制。此外还发现与之前研究中的2型糖尿病患者相比，健康受试者中的P. distasonis拥有显著高丰度，证实了菊粉来源的P. distasonis对NASH的有益作用。

图3. 菊粉可通过改变肠道微生物群发挥对NASH的有益作用

菊粉可被P. distasonis生物合成十五烷酸

对小鼠粪便进行非靶向代谢组学分析，主成分分析显示CDHFD-I组与CDHFD组呈现明显分离，CDHFD-C组与CDHFD组重叠，表明菊粉（而不是纤维素）改变了模型小鼠的肠道代谢物谱。同位素标记实验显示，接受¹³C-菊粉的小鼠的结肠组织、血清和肝组织中的δ¹³C水平显著高于喂食¹³C-纤维素的小鼠，表明菊粉而不是纤维素在体内被代谢。

¹³C标记的代谢物中包括脂肪酸、核苷酸和维生素类物质，表明菊粉被肠道微生物用于生物合成。通过分析小鼠粪便和门静脉血清的代谢谱来评估菊粉衍生的代谢物是否可以通过肠-肝轴运输到肝脏，发现十五烷酸是唯一的同时富集在小鼠粪便和门静脉血清中的¹³C-菊粉标记代谢物。肠道微生物群-代谢物的相互作用揭示十五烷酸与P. distasonis呈正相关，提示十五烷酸可能是P. distasonis的下游代谢产物。

进一步验证十五烷酸与P. distasonis间的关系。首先，在含有P. distasonis的上清培养液中加入菊粉后，十五烷酸水平升高。随后，对体内有低水平十五烷酸的无菌小鼠施用P. distasonis 10天后，粪便和门静脉血清中的十五烷酸水平显著增加，且与粪便样本相比，门静脉血清中十五烷酸的增加较少，可能是由于肠道吸收损失所致。因此，体内外实验共同验证了P. distasonis可生物合成十五烷酸。十五烷酸对CDHFD诱导的小鼠NASH中的预防作用实验表明，十五烷酸可缓解血清ALT，AST，TNF-α、IL-6以及肝脏TBAR，证实了十五烷酸在NASH中的保肝作用。

图4. 菊粉可调节肠道菌群代谢物

菊粉、P. distasonis和十五烷酸改善NASH的相关机制

菊粉是否也会影响NASH背景下的肠道屏障功能？通过测定门静脉血清中肠道屏障功能的指标—细菌来源的脂多糖（LPS）水平，发现CDHFD和HFHCD均诱导LPS水平，而菊粉或十五烷酸可以逆转这种效应。扫描电子显微镜同样表明，CDHFD损害了肠道屏障功能，补充菊粉可恢复降低的E-钙粘蛋白和粘附蛋白claudin-1水平，在高脂肪、高胆固醇模型也有类似的效应。同样，P. distasonis和十五烷酸也可拯救CDHFD处理小鼠中E-钙粘蛋白的表达，而补充纤维素则未能恢肠道屏障功能。这些数据表明，菊粉、P. distasonis和十五烷酸可恢复饮食诱导的NASH中的肠道屏障功能，从而限制了LPS易位到循环中。

图5. 菊粉、P. distasonis和十五烷酸可改善NASH

对喂食CDHFD和CDHFD-I的小鼠肝组织进行转录组测序以探讨菊粉对NASH的作用机制。通路分析结果表明，菊粉可下调趋化因子信号传导、TG生物合成和NF-κB途径的核因子。qPCR验证证实了CDHFD和HFHCD模型中的菊粉和CDHFD模型中的P. distasonis或十五烷酸可抑制CCL2、CXCL2和CXCL10的表达，且在CDHFD和HFHCD模型中服用菊粉可下调TG合成调节剂Mogat1、SCD-1和SCD-2在肝脏中的表达，并在CDHFD模型中被P. distasonis或十五烷酸抑制。相比之下，纤维素抑制了促炎细胞因子的表达，但对脂肪生成基因没有影响。此外，菊粉、P. distasonis和十五烷酸也逆转了NASH诱导的NF-κB（促炎趋化因子和脂肪生成基因的转录因子）激活。研究最终表明，菊粉可通过富集P. distasonis及其保护性代谢物十五烷酸来抑制饮食诱导的NASH，并在蛋氨酸-胆碱缺乏（MCD）饮食诱导的NASH模型中得到了验证。

图6. 菊粉可通过富集P. distasonis和十五烷酸来抑制肝脏炎症和TG合成途径

小结

综上所述，本研究基于饮食诱导的NASH模型，综合运用菌群测序、代谢组学和转录组学的多组学联合策略系统评估了膳食纤维在小鼠NASH进展中的保护作用，证明了菊粉在缓解NASH进展方面比纤维素更有效，并首次揭示了膳食菊粉与其目标生物活性肠道细菌P. distasonis及其代谢物十五烷酸之间的直接联系，证实了P. distasonis利用菊粉可通过恢复肠道屏障功能和抑制促炎信号传导来发挥NASH的有益作用。本研究加深了对菊粉在NASH预防中的分子基础的理解，提示菊粉或将是一种很有前途的预防NASH的膳食补充剂。

参考文献

Wei W, Wong CC, Jia Z, et al. Parabacteroides distasonis uses dietary inulin to suppress NASH via its metabolite pentadecanoic acid. Nature Microbiology. 2023.

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