Cell Metabolism | 运动调控肠道菌群与代谢物预防糖尿病

2019-12-16 19:57:29, 麦特绘谱麦特绘谱生物科技(上海)有限公司

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运动是预防和治疗肥胖、2型糖尿病（T2D）及其并发症的一种经济有效的生活方式干预措施。尽管运动对代谢稳态具有明显的益处，但其中机制仍知之甚少。运动锻炼作为临床糖尿病管理实施仍处于起步阶段，部分原因是对标准化运动方案的生理反应存在很大个体差异。在胰岛素敏感性和糖代谢稳态方面，会存在7％～69％运动无响应的个体化差异或副反应。尽管遗传易感性和表观遗传修饰被认为是潜在原因，但运动反应性异质性的机理仍不清楚。不过越来越多的研究证明，肠道菌群失调会通过多种机制影响胰岛素敏感性和T2D发病，但肠道菌群以何种方式参与运动改善代谢的机制仍然不清楚。香港大学李嘉诚医学院徐爱民研究团队对未接受药物治疗的超重男性糖尿病前期患者进行运动干预，然后进行宏基因组学和代谢组学分析（代谢组学工作由麦特绘谱完成），并通过粪菌移植、补充代谢物等方式进行功能研究，探讨肠道菌群在运动影响葡萄糖代谢和胰岛素敏感性中的作用机制，相关成果发表于《Cell Metabolism》杂志。

糖尿病前期患者对运动的血糖异质性反应

受试者随机分配到久坐不动的对照组或12周运动训练组，所有参与者在研究期间保持常规饮食，并严格监控以确保所有这些受试者之间均无明显差异。

运动干预后，运动组受试者体重和脂肪表现出适度而显著的降低，胰岛素敏感性、脂肪分布、心肺适应性以及与胰岛素敏感性功能相关的脂肪因子水平都得到明显改善。但空腹血糖、胰岛素和胰岛素抵抗稳态模型评估（HOMA-IR）方面个体差异很大，表明该人群在葡萄糖稳态和胰岛素敏感性方面存在高度异质性。根据HOMA-IR的降低是否大于2倍技术误差（真实阈值生理适应）将参与者分为响应者（n = 14）和非响应者（n = 6）。值得注意的是，尽管这两个亚组的基线特征相同且体重和脂肪百分比降低程度相似，但响应者空腹胰岛素和HOMA-IR指数分别显著降低42.70％和49.60％，Matsuda指数显著增加116.29％（通过口服葡萄糖耐量试验对肝脏和周围胰岛素敏感性进行综合评估），而非响应者葡萄糖稳态和胰岛素敏感性未见明显改善甚至恶化。

运动可适度且差异性的改变所有参与者肠道菌群

对12周运动前后粪便样本进行宏基因组测序，与老鼠模型中观察到的结果相反，运动前后肠道菌群α或β多样性没有显著差异，这可能是由于人类环境更加多样化所致。成分分析显示运动后隶属于厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门的6个物种相对丰度发生显著改变。此外，运动后拟杆菌属和梭状芽胞杆菌属的物种（大多数与SCFA的产生有关）出现了显著的基因水平的变化。而以上观察到的变化在代谢特征相似的久坐对照组中均无显著变化。进一步网络分析表明，运动干预后菌群之间的相互作用增强了。

由于肠道菌群存在个体差异性，那么葡萄糖稳态和运动敏感性方面的运动异质性反应是否与响应者和非响应者之间肠道菌群的差异变化有关？与整个运动组观察结果相似，响应者和非响应者运动前后菌群α或β多样性无明显差异，但两个亚组之间肠道菌群变化存在明显区别。与运动响应者相比，12周运动后非响应者肠道菌群与久坐对照组肠道菌群具有更多相似性，表明非响应者肠道菌群存在不良适应。值得注意的是，Bacteroides xylanisolvens的降低和链球菌属的升高只出现在响应组。与整个运动组Alistipes putredinis增加相反，该菌群在运动响应者中减少。此外，运动响应者的特征是Lanchospiraceae bacterium（产生丁酸盐的一种菌）增加了3.5倍，而非响应者的特征是瘤胃球菌属（Ruminococcus gnavus）降低了70％。与炎症相关的Alistipes shahii在响应者中降低43％，而非响应者中则增加了3.88倍。响应者中普氏杆菌（Prevotella copri）繁殖速率降低，该菌是负责生成BCAA和胰岛素抵抗的主要细菌群，拟杆菌属（Bacteroides genus）中某些菌种的生长速率提高，其中大多数是丙酸盐生产者。这些发现表明运动干预对响应者和非响应者肠道菌群具有不同调节作用。

运动引起的肠道菌群变化与临床指标关联性分析

运动引起的肠道菌群变化是否与临床指标改善（与体重，脂肪量和内脏脂肪无关）有关？在调整体重和肥胖症之后，肠道菌群种类的变化与胰岛素敏感性相关指标的改善以及其他代谢特征之间存在显著关联。肠道菌群变化与HOMA-IR降低的百分比显著相关（p <0.01，ADONIS）。19个物种与葡萄糖稳态和胰岛素敏感性改善显著相关，其中瘤胃球菌（Ruminococcus gnavus）、Alistipes shahii、链球菌属（Streptococcus mitis group）、霍氏真杆菌（Eubacterium hallii）、大肠杆菌（Escherichiacoli）相关性最强。以上发现表明这些物种变化可能是运动改善血糖稳态的基础。

Figure 3. Exercise-Induced Alterations of Microbial Species Are Closely Associated with Improvements of Clinical Indices Independent of Body Weight and Adiposity

运动响应者和无响应者之间肠道菌群出现不同功能转移

运动引起的肠道菌群变化如何调节宿主代谢？采用KEGG同源性分析（KOs）对微生物基因进行注释。运动训练后，共214个KOs显著增加，14个KOs出现下降，其中大多数属于“碳水化合物代谢”和“氨基酸代谢”功能通路。此外，还发现10条通路受到运动锻炼调节，比如“甲烷代谢”和“碳代谢”。值得注意的是，运动响应者和非响应者肠道菌群出现明显的功能差异以及不同的代谢通路富集。与职业运动员相关研究结果一致，响应者中参与DNA复制和氨基酸代谢的通路明显增强。两个亚组之间在多糖合成和脂质代谢方面也存在明显差异，有趣的是，几条属于微生物蛋白质分解的通路都在两个亚组中出现富集，非响应者中氨基酸发酵生成结肠气体或者有害物质，而响应者则转化为短链脂肪酸的生物合成（图4C）。非响应者中芳香族和含硫氨基酸（SAA）产生酚类衍生物（吲哚和对甲酚）和硫酸盐的基因丰度升高，为形成吲哚硫酸盐和对羟基甲苯硫酸盐（促进氧化应激和炎症的有毒代谢产物）提供了充足的底物。此外，非响应者中产生谷氨酸和SAAs菌群丰度显著升高。考虑到这些代谢物对结肠细胞线粒体生物活性、脂肪组织脂解和抗氧化防御系统具有抑制作用，这种变化可能减弱运动对胰岛素抵抗的改善作用。相反，响应者中参与BCAAs分解代谢的基因丰度升高，BCAAs水平降低会改善胰岛素抵抗。此外，维持胰岛素敏感性的氨基酸相关降解酶的编码基因如甘氨酸（其降低通常发生在T2D的临床表现之前）在非响应者中丰度升高。但是，响应者中L-苏氨酸氨基裂解酶（K01754）丰度明显较高，表明甘氨酸被转化为2-氧代丁酸盐，后者是丙酸盐合成的底物。非响应者中L-鸟氨酸氨基裂解酶（K01750）丰度升高，响应者中的酰胺水解酶（K01426）升高分别表明，非响应者中精氨酸转化为脯氨酸（有害终产物），而响应者中精氨酸转化为γ-氨基丁酸（葡萄糖稳态的调节剂）（图4C）。此外，运动干预导致两个亚组中糖化发酵的差异变化（图4C）。糖酵解产物参与丙酸合成的基因仅在响应者中显著增加，而非响应者中负责丁酸合成的基因丰度选择性降低。这些数据表明，运动形成的碳水化合物发酵和氨基酸分解代谢能力的菌群差异在改善两个亚组的胰岛素抵抗方面表现不同。

运动响应者和非响应者之间肠道菌群相关代谢产物水平变化

粪便代谢组可以反馈肠道菌群活性功能，可以作为宿主-肠道菌群相互作用的中间表型，粪便靶向代谢组学分析可明确运动引起的肠道菌群基因丰度变化是否会导致两个亚组肠道菌群相关代谢产物发生明显改变。结果表明，氨基酸分解代谢和碳水化合物发酵的代谢物变化趋势与编码代谢酶基因改变的模式基本一致（图4C和4D）。氨基酸可以影响胰岛素敏感性，例如BCAAs和芳香族氨基酸（AAAs，尤其是色氨酸），这些物质在运动响应组显著降低，与运动选择性增强BCAAs和AAAs降解能力菌群变化相一致。肠道菌群方面，肠道菌群功能与运动响应者中SCFAs和GABA合成能力升高一致，运动响应者粪便中丙酸盐和GABA相关菌群丰度升高，但非响应者的变化趋势却相反。与非响应者谷氨酸合成能力增强但代谢为GABA的能力受损相一致（图4C），运动干预后非响应者的谷氨酸显著升高而GABA显著降低(图4D)。代谢组学方面，响应者SCFAs循环水平增加，而BCAAs和AAAs浓度降低，而非响应者中这些代谢产物循环水平呈现相反变化趋势。由此看出，肠道菌群相关代谢产物的差异性改变可能是对运动干预产生不同响应的代谢基础。

Figure 4. Exercise Promotes Distinct Functional Shifts of Gut Microbiota and Microbial Metabolites in Responders and Non-responders

移植响应者肠道菌群可改善肥胖小鼠葡萄糖耐量和胰岛素抵抗

为了进一步验证运动干预后肠道菌群与葡萄糖代谢、胰岛素敏感性变化之间的因果关系，经抗生素处理的小鼠移植来自运动响应者和运动非响应者基线和运动后粪菌（图5A）。大量菌种如Alistipes shahii、 Alistipes putredinis 、Ruminococcus gnavus在受体小鼠和人类供体之间表现出相似变化趋势。与移植相同基线供体粪菌的小鼠相比，移植运动响应者和非响应者粪菌的小鼠在身体组成、耗氧量和呼吸交换率的变化趋势相似（图5B-5D）。移植运动响应者粪菌的小鼠在葡萄糖和胰岛素耐受测试期间表现出葡萄糖水平、胰岛素水平显著降低以及葡萄糖代谢明显改善，而移植运动非响应者粪菌的小鼠则没有变化（图5E-5I）。高胰岛素-正常血糖钳夹分析显示，与移植运动响应者基线粪菌相比，移植运动响应者运动后的粪菌小鼠葡萄糖输注率显著提高，胰岛素刺激引起的肝葡萄糖生成、比目鱼肌和附睾脂肪组织中葡萄糖摄取的抑制显著增加（图5J-5M）。相反，移植非响应者粪菌的小鼠没有变化。这些发现表明，来自响应者的肠道菌群对周围组织葡萄糖稳态和胰岛素增敏具有代谢益处。

与人体肠道菌群代谢物研究结果一致，与移植响应者基线粪菌相比，移植运动响应者运动后粪便（FMT）的小鼠SCFAs循环浓度显著增加，但BCAAs和AAAs水平却降低了，而这些代谢物变化在运动非响应者基线和运动后粪菌移植中呈现相反趋势。此外，补充BCAAs可抑制运动响应者FMT对葡萄糖失调和胰岛素抵抗的有益作用（图6A-6F），而移植非响应者菌群的小鼠补充SCFAs可以部分缓解葡萄糖稳态和胰岛素敏感性的无应答情况（图6G-6L）。这些发现进一步阐明差异变化的肠道菌群代谢物在运动异质反应中具有重要生物学意义。

Figure 5. Transplantation of Human Fecal Microbiota into Mice Mimics the Effect of Exercise on Glucose Homeostasis and Insulin Sensitivity

Figure 6. Supplementation with BCAAs Dampens the Metabolic Benefits of Microbiota from Responders while Replenishment with SCFAs Partially Restores the Effects of Microbiota from Non-responders on Insulin Sensitivity

小结

对未经药物治疗的糖尿病前期个体进行运动干预研究，结果显示肠道菌群是葡萄糖代谢和胰岛素敏感性方面运动异质性的重要介质。运动个体差异性可能是肠道菌群功能的差异进而产生不同菌群代谢产物所导致。运动响应者的微生物组具有较强的短链脂肪酸生物合成和支链氨基酸分解代谢能力，而非响应者的微生物组则具有生成有害化合物增加的特点。FMT移植等动物研究进一步证实菌群及代谢物对葡萄糖稳态、胰岛素敏感性在运动异质性中的重要性。综上结果提示非侵入性检测技术（代谢组学、宏基因组学等）在预测运动反应性方面的可行性。但该研究由于严格的纳入标准导致样本量较少，仅针对于中国男性群体，结果适用性存在一定局限性，还需在不同地区的大样本人群集中进一步验证。

参考文献

Yan Liu，Yao Wang, Yueqiong Ni et al. Gut Microbiome Fermentation Determines the Efficacy of Exercise for Diabetes Prevention. Cell Metabolism. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2019.11.001