Nature Reviews Endocrinology | 肠道微生物代谢产物对肥胖、NAFLD和T2DM的影响

来源: 麦特绘谱生物科技(上海)有限公司   2019-3-18   访问量:1268评论(0)

本文综述了碳水化合物发酵代谢产物(乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐、琥珀酸盐和乙醇)及蛋白质发酵代谢产物(氨、酚类化合物、吲哚、硫化氢和支链脂肪酸)在肥胖、NAFLD、胰岛素抵抗和T2DM中的作用并对相关机制进行了阐述。


高能量饮食和久坐不动的生活方式等促使全球肥胖症、非酒精性脂肪肝(NAFLD)、胰岛素抵抗(IR) 和2型糖尿病(T2DM)的发病率急剧上升。诸多研究结果表明肠道微生物群参与肥胖及肥胖相关并发症。肠道微生物群能够发酵人类难以消化的碳水化合物(如膳食纤维)进而产生短链脂肪酸(SCFAs)和琥珀酸盐等重要代谢物,其通过增加能量消耗、增加厌食激素的产生和改善食欲调节来预防肥胖。SCFAs在肠道内稳态、脂肪组织和肝脏底物代谢及功能中发挥重要作用,可预防2型糖尿病(T2DM)和非酒精性脂肪肝(NAFLD)。蛋白质发酵产生的微生物代谢产物主要在结肠远端产生,包括氨、酚、吲哚、支链脂肪酸等,大多对宿主肠道的完整性和代谢健康有害。多样的膳食纤维可以增加结肠远端微生物碳水化合物发酵,从而抑制蛋白质发酵,可能是改善肥胖、T2DM和NAFLD的潜在靶点。因此,从蛋白水解到糖化发酵的转变可能对代谢疾病的预防和治疗具有重要意义。


结肠中的微生物发酵


人类肠道微生物组包含约500~1000种细菌,约200万个基因,比人类基因数量多100倍。微生物的组成和丰度取决于许多内在因素(如pH值、肠道蠕动、粘液和抗菌肽)以及药物(如抗生素、泻药、阿片类药物和非甾体抗炎药)和饮食成分等外在因素。难以消化的食物在塑造肠道微生物群结构组成过程中起着重要作用。可发酵碳水化合物(不易吸收的碳水化合物、抗性淀粉和益生元)是结肠大多数微生物的首选底物,然而它们从结肠的近端传递到远端,碳水化合物逐步消耗殆尽,微生物转向蛋白质发酵。膳食纤维发酵产生大量SCFAs、乳酸盐、琥珀酸盐以及甲烷、二氧化碳和氢气等气体。因此,大多数糖化发酵发生在结肠近端,在横结肠基本完成,只有少量的可发酵纤维会到达结肠远端。因此远端结肠微生物专门从残留肽和蛋白质的发酵中获得能量。蛋白水解发酵产生多种代谢物,包括氢、甲烷、二氧化碳和硫化氢等气态产物、支链氨基酸(BCAAs)发酵产生的BCFAs(异丁酸盐、2-甲基丁酸盐、异戊酸盐)、芳香族氨基酸(AAAs)发酵产生的酚类和吲哚类衍生物。微生物蛋白水解也可产生BCAAs和AAAs,并可通过微生物交互供养进一步代谢,上述交互供养通路的紊乱会导致这些氨基酸的吸收增加,并与肠道完整性和胰岛素抵抗的损害相关。目前产生糖解代谢物和蛋白解代谢物的群落和微生物网络知之甚少,图1总结了目前已被证明特定微生物途径的菌群及代谢过程。





控制体重的微生物代谢产物


糖化发酵产物(SCFAs和琥珀酸盐)通过调节食欲、能量摄入和消耗及脂质氧化对体重控制进行调节(图2),目前蛋白质发酵产生的代谢物影响体重控制的文献较少。


1. SCFAs影响食欲调节和能量摄入


SCFAs通过多种机制影响食欲和能量摄入。研究最深入的机制之一是SCFAs可刺激饱腹感激素产生。体外实验显示SCFAs通过G蛋白偶联受体(GPRs)GPR41和GPR43,刺激肠内分泌细胞分泌YY肽(PYY)和胰高血糖素样肽1 (GLP1)。此外,小鼠、牛和人脂肪细胞体外实验证实SCFAs刺激脂肪组织来源的饱腹感激素瘦素的分泌;人体内研究表明急性直肠灌注乙酸钠和SCFA混合物可增加超重个体的PYY循环浓度。肥胖患者短期口服10 g菊粉丙酸酯可增加餐后PYY和GLP1的血浆浓度,从而导致食物摄入量减少14%。SCFAs还通过中枢神经系统相关机制和肠脑轴抑制食欲和能量摄入。小鼠肠源的11C–乙酸盐可透过血脑屏障到达下丘脑,下丘脑乙酸盐增加诱导谷氨酸-谷氨酰胺跨细胞循环,增加乳酸和GABA的产生,从而抑制食欲和能量摄入。另一项小鼠实验发现长期口服丁酸盐通过肠-脑神经回路降低食欲并激活棕色脂肪组织。腹腔注射乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐可以通过迷走神经传入刺激抑制小鼠的能量摄入。丙酸盐和丁酸盐通过诱导肠道糖异生(IGN)来预防肥胖和胰岛素抵抗,丁酸盐直接诱导肠上皮细胞IGN,丙酸盐激活门静脉传入神经系统GPR41诱导IGN,IGN的增加导致肝葡萄糖产量的下降和能量稳态的改善。IGN是否在人类代谢健康中起中心作用还有待确定。


2. SCFAs影响能量消耗

SCFAs还可能通过影响能量消耗而有益地影响体重。在肥胖小鼠中,口服丁酸盐导致体重下降,主要是由于能量消耗和脂质氧化增加,这与产热相关基因过氧化物酶体增殖激活受体-γ(PPARγ)共激活因子1α(PPARGC1A,编码PGC1α)和解偶联蛋白1(UCP1)在棕色脂肪组织中的表达上调有关。给予高脂肪饮食小鼠灌胃和口服SCFA可降低总体脂肪含量和肝脂肪积累,这与肝脏和脂肪组织中产热相关蛋白乙酰-CoA氧化酶、肉碱棕榈酰转移酶I和UCP2表达增加有关。这些动物数据为SCFA诱导的与热发生和脂质氧化有关的基因上调提供了重要证据,从而预防体重增加和肥胖。在超重或肥胖的志愿者中,结肠远端急性灌注乙酸盐或三种SCFA混合物(乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐),会增加空腹脂质氧化和休息时的能量消耗。利用稳定同位素示踪剂以及对脂肪组织和骨骼肌组织活检样本的分析有助于阐明其潜在机制。此外,还应进行细胞培养以检测人源性脂肪细胞、肝细胞或骨骼肌细胞模型中涉及的关键调控因子和通路。


3. 琥珀酸对能量平衡的影响

琥珀酸是微生物合成丙酸盐的一种中间体,在控制体重方面发挥着重要作用。补充低聚果糖后,小鼠盲肠琥珀酸盐浓度增加。盲肠中琥珀酸盐水平的升高导致IGN激活,从而阻止了高脂高糖饮食小鼠的肥胖和葡萄糖耐受表型。然而,琥珀酸的有益作用能否临床转化还需要进一步的研究。针对BMIs的探索性研究表明产琥珀酸细菌的丰度增加、消耗琥珀酸细菌的丰度减少以及琥珀酸循环浓度的增加均与肥胖和葡萄糖稳态损害有关。有趣的是,饮食引起的体重减轻降低了与琥珀酸代谢有关的微生物的丰度,并降低了琥珀酸盐循环浓度。琥珀酸盐是否代表人体微生物来源的致病代谢物、琥珀酸盐循环浓度的增加是否是肥胖相关菌群失调和肠道通透性受损的结果仍有待确定。






NAFLD的微生物代谢产物


NAFLD在肥胖人群中非常普遍,且与胰岛素抵抗和T2DM密切相关。肠道和肝脏是内在相连并在代谢功能上相互依赖,肝-肠轴紊乱如肠道通透性增加和生物失调都与NAFLD有关。糖解和蛋白解发酵产生的微生物产物可通过多种机制影响肠肝轴从而导致NAFLD发病。


1. SCFAs与非酒精性脂肪肝

SCFAs在肝脏代谢和功能方面具有有益作用,特别是丁酸盐通过上调紧密连接蛋白和黏液的表达,提高肠道屏障功能,防止包括乙醇和促炎分子在内的有毒化合物迁移到肝脏。另外,脂多糖是研究得最好的微生物来源的促炎成分之一,其在革兰氏阴性菌死亡后会持续释放到结肠中。脂多糖在NAFLD、胰岛素抵抗和T2DM等代谢性疾病的进展中起着关键作用。此外,丁酸盐已被证明可以通过增强结肠抗炎调节T细胞的分化来抑制小鼠炎症,并以GPR偶联的方式诱导NLRP3炎性小体,这些均参与NAFLD进展。一些啮齿动物模型的体内研究为SCFAs在预防NAFLD方面的有益作用提供了更直接的证据。补充乙酸盐、丙酸盐或丁酸盐可减少动物肝脏脂肪积累,减轻肝脏炎症,抑制胆固醇合成。其潜在机制与通过AMPK乙酰CoA羧化酶途径增加肝脏脂质氧化,降低肿瘤坏死因子(TNF)表达,增加糖原储存和降低肝脏脂肪酸合成酶活性有关。目前尚缺乏关于微生物源性SCFAs、肝功能和NAFLD进展之间直接联系的临床数据。


2. 乙醇与非酒精性脂肪肝

乙醇是一种微生物代谢产物,由糖酵解发酵和微生物交叉喂养产生。非酒精性脂肪性肝炎(NASH)和肥胖症患者粪便中产生乙醇的细菌丰度增加,全身循环和呼吸中乙醇浓度增加。肠道细菌来源的乙醇(或氧化产物乙醛)可能通过对肝细胞的直接毒性作用参与NAFLD进展、通过肠屏障功能损伤导致门静脉内毒素血症增加、通过核因子-κB(NF-κB) 上调外周细胞中的信号通路。未来的研究需要证明NAFLD患者是否应避免摄入特定的难以消化的碳水化合物,而应摄入其他不增加微生物乙醇产量和减少产生高乙醇的细菌的碳水化合物方式进行干预。


3. 蛋白水解代谢物与非酒精性脂肪肝

蛋白发酵菌株可能参与介导促炎反应和NAFLD进展,特别是硫化氢、氨类和酚类化合物对肠道上皮健康和通透性存在有害影响。因此,这些蛋白水解代谢物可能通过增加毒性化合物向肝脏的易位而间接促进NAFLD进展。高脂饮食喂养的小鼠定植糖尿病小鼠的微生物群后出现肝大泡脂肪变性,而对照组小鼠仅出现低水平的脂肪变性。与对照组小鼠相比,大泡脂肪变性小鼠盲肠异戊酸和异丁酸浓度明显升高,其主要来自BCAAs发酵,同时这些小鼠出现胰岛素抵抗和瘦素血症。微生物酶代谢L-色氨酸生成的吲哚被证明可以减少肠道炎症,防止肠道屏障功能紊乱。在小鼠实验中,短期口服吲哚减轻脂多糖诱导的促炎细胞因子上调,并下调肝脏中NF-κB途径的关键蛋白,然而,这是否能给NAFLD患者带来长期益处仍有待确定。


对患有病态肥胖但无T2DM女性患者进行粪便宏基因组、肝脏转录组、血浆和尿液代谢组关联分析,发现脂肪变性的状态与肠道微生物基因丰富度下降和微生物AAA和BCAA代谢失调有关。通过啮齿动物模型和人类肝细胞确定微生物源苯乙酸(苯丙氨酸分解代谢的产物)是脂肪变性的一个促进因素。苯乙酸可能通过协同增加三羧酸循环中BCAA的利用来增加肝脏脂质积累。上述结果再次确认蛋白水解发酵产物是肝脂肪变性发展的重要因素。此外,还有其他与生物失调相关的因素如脂多糖和三甲胺-N-氧化物,也是肝脏脂肪变性的重要因素,进一步强调了微生物相关多因子调控过程参与代谢性疾病进展的观点。


T2DM中的微生物代谢产物


在肥胖个体中T2DM是胰岛素抵抗进行性升高和胰岛素分泌进行性缺乏的结果。碳水化合物和蛋白质发酵的肠道微生物代谢物会影响脂肪组织、骨骼肌和β细胞功能和代谢,下图3介绍了其在T2DM中的作用。






1. SCFAs影响脂肪组织代谢

研究显示SCFA影响脂肪组织代谢,其中乙酸盐可能抑制脂肪细胞基底和β-肾上腺素能受体介导的细胞内脂肪分解。乙酸的抗脂解作用可能是由GPR依赖的激素敏感性脂肪酶的磷酸化降低所引起的。从啮齿类动物和人类获得的联合数据表明,细胞内脂肪分解部分抑制在较长时间内对胰岛素敏感性存在有益影响,而不影响脂肪组织质量。肥胖个体的胰岛素抵抗状态特征在于基底脂肪分解升高和β-肾上腺素能受体介导的脂解作用减弱。但肥胖个体中使用SCFAs降低β-肾上腺素能受体介导的脂肪分解是否会对代谢健康产生积极影响仍需进一步研究。体内外研究表明乙酸盐可以抑制人体全身脂肪分解。如急性静脉注射乙酸盐可降低健康个体、高胰岛素血症和肥胖患者血浆游离脂肪酸水平。此外,乙酸盐还可能增加脂肪生成。肥胖胰岛素抵抗主要与脂肪组织炎症有关。小鼠3T3-L1脂肪细胞与RAW264.7巨噬细胞和丁酸盐共孵育24小时, TNF、单核细胞趋化蛋白1和IL-6浓度降低。丙酸盐孵育人脂肪组织外植体可抑制促炎细胞因子IL-4、IL-10、TNF和几种趋化因子的分泌。综上所述,SCFAs尤其是乙酸盐可以抑制脂肪分解,增加脂肪生成,从而提高脂肪组织的脂质储存能力,防止脂质溢出和异位脂肪储存。同时SCFAs还可减轻脂肪组织炎症,从而预防肥胖胰岛素抵抗表型中的低度炎症。


2. SCFAs影响骨骼肌脂质氧化能力

SCFA诱导的脂肪组织代谢改善可能导致脂质溢出和肌内脂质积累的减少,减少对骨骼肌促炎细胞因子的供应,从而预防胰岛素抵抗。SCFAs可能通过增加骨骼肌脂质氧化能力,直接改善骨骼肌功能。向喂食高脂饮食的小鼠补充丁酸钠16周后,PGC1α活化增加1型氧化肌纤维的比例和PPARδ的表达,导致线粒体脂质氧化增强。在肥胖大鼠中,6个月的醋酸盐治疗改善了脂质氧化相关基因表达如骨骼肌AMPK活性增加。目前尚无临床数据证明SCFAs对骨骼肌脂质氧化的影响,并且没有关于SCFA对人骨骼肌细胞AMPK、PGC1α活性诱导相关数据。


3. SCFAs影响β细胞功能和胰岛素分泌


T2DM的特点在于胰岛素抵抗时产生维持正常血糖所需胰岛素量的能力降低。胰岛素分泌能力取决于胰腺β细胞的功能和数量。小鼠和人类的胰岛β细胞可表达SCFA受体GPR41和GPR43。肥胖和胰岛素抵抗小鼠受体敲除实验结果表明,SCFAs具有通过GPR43增加葡萄糖刺激的胰岛素分泌的能力。饮食诱导的肥胖小鼠中GPR43的消耗与β细胞功能恶化和β细胞量增加有关。此外,进食和禁食状态下SCFA-GPR41信号通路在控制胰腺β细胞分泌胰岛素方面尤为重要,小鼠GPR41敲除或过表达将导致葡萄糖控制受损而胰岛素敏感性却没有影响。人体内研究表明,菊粉丙酸酯,对β细胞功能和胰岛素分泌有益,且不依赖于GLP1。一项随访实验和人胰岛体外实验证明,丙酸盐增强葡萄糖刺激的胰岛素释放并通过抑制细胞凋亡维持β细胞量。可见SCFA-GPR轴与胰岛素分泌和β细胞功能密切相关。


4. 琥珀酸盐影响胰岛素抵抗

如前所述,琥珀酸盐导致高脂肪和高蔗糖饮食小鼠的IGN活化。微生物来源的琥珀酸盐不仅可以预防肥胖表型,还可以改善野生型小鼠葡萄糖耐量和胰岛素敏感性。这些效应在IGN缺陷小鼠(I-G6pc-/-)中被消除。琥珀酸还可能作为先天免疫信号通路的信号分子。在脂多糖激活的巨噬细胞中,琥珀酸盐可稳定转录因子缺氧诱导因子1α的表达,而该因子可增加IL-1β的产生并加剧炎症,因此,琥珀酸可能加速胰岛素抵抗进展。然而微生物来源的琥珀酸是否与人类的这些过程相关需要进一步研究。


5. 蛋白水解代谢物对IR和T2DM的影响

一项不同蛋白质含量饮食干预研究结果表明,蛋白质摄入量减少和由此产生的微生物氮竞争会促进和改善肠道功能及代谢健康相关的微生物组成。硫化氢是蛋白质发酵的主要产物,过量的硫化氢会对胰岛功能产生负面影响,从而促进T2DM的形成。此外,硫化氢刺激啮齿动物肝细胞模型糖异生和糖原分解,降低葡萄糖利用和糖原储存,提示硫化氢可引起葡萄糖稳态受损。另外,T2DM患者血浆硫化氢浓度降低。动物实验研究表明,硫化氢具有保护小鼠胰腺β细胞的作用从而预防T2DM发生。对甲酚是另一种肠道微生物来源的蛋白水解代谢产物,宿主将其进一步转化为对甲酚硫酸盐。给予对甲酚硫酸盐4周可增加小鼠肝脏和肌肉中异位脂肪积累,并触发外周胰岛素抵抗。针对胰岛素敏感性、空腹血清代谢组和肠道微生物组的横断面研究显示,胰岛素抵抗和T2DM患者血清中与肠道微生物相关的酚类化合物——肉桂酸、吲哚--乳酸以及BCAAs水平升高相关。可见硫化氢、对甲酚、酚类化合物和蛋白水解发酵产生的BCAAs似乎参与了胰岛素抵抗的形成。目前还没有人类干预研究测量不同蛋白来源和微生物蛋白水解代谢产物对宿主胰岛素抵抗的影响,未来可使用同位素标记复合肽或蛋白质进行此类研究。


小结

大量动物数据证明初级糖化微生物发酵产物SCFAs(乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐)在预防肥胖、NAFLD、胰岛素抵抗和T2DM方面具有有益作用。糖化发酵过程中产生的其他微生物产物,如琥珀酸盐和乙醇,其生物学意义尚未完全清楚。蛋白质水解发酵主要发生在结肠远端,可产生BCFAs、酚类和吲哚类化合物、氨和硫化氢等分子,大多对肠道完整性和代谢健康具有有害作用,但吲哚对肠道屏障和肝功能具有有益作用。微生物底物转换,增加膳食纤维可用性和远端结肠中SCFA形成从而减少有害的蛋白水解产物,这可能是预防或减轻肥胖、NAFLD和T2DM等代谢疾病的潜在策略。虽然糖化水解产物和蛋白水解产物的机制在动物水平进行了大量研究,但临床研究证据却非常有限,需要在更多的临床实验中加以证实,以满足临床现实需求。


参考文献

Emanuel E. Canfora, Ruth C. R. Meex, Koen Venema & Ellen E. Blaak. Gut microbial metabolites in obesity, NAFLD and T2DM. Nature Reviews Endocrinology (2019) . https://doi.org/10.1038/s41574-019-0156-z.


精彩回顾

1. 肠道菌群相关代谢物--短链脂肪酸生物学功能

2. GUT : 丁酸盐通过肠-脑神经回路降低食欲并激活棕色脂肪组织

3. 科研 | Nature:乙酸盐通过介导微生物-脑-β细胞轴促进代谢综合征





微信公众号:麦特绘谱 
Tel:400-867-2686
Email : marketing@metaboprofile.com 
Web: www.metaboprofile.com



麦特绘谱生物科技(上海)有限公司   商家主页

地址:上海市浦东新区张江高科技园区金科路2966号南楼301室
联系人:林景超
电话:400-867-2686
传真:021-61063837
Email:jclin8148@163.com;marketing@metaboprofile.com