Nature子刊 | 口服Blautia wexlerae菌有望改善肥胖和2型糖尿病

2022-10-25 03:42:37, 多层组学定制服务 上海欧易生物医学科技有限公司



前言


2型糖尿病(T2DM)是由遗传背景、营养过剩和其他环境因素引起的一种全球流行病,其特征是炎症和代谢紊乱,如胰岛素抵抗和β细胞功能障碍等。肠道微生物群被认为是导致肥胖和T2DM病理生理学的关键环境因素。以往的研究发现,肥胖人士的肠道菌群构成和健康人群的有明显变化,提示某些肠道细菌与肥胖存在一些关系。然而,肠道微生物组成差异对肥胖和T2DM影响的机制仍然知之甚少。


2022年8月,由日本国立生物医学创新、健康与营养研究所研究团队在Nature Communication(IF:17.694上发表的题为“Oral administration of Blautia wexlerae ameliorates obesity and type 2 diabetes via metabolic remodeling of the gut microbiota”的研究成果,本研究通过对人群队列中肠道微生物进行检测,发现肠道细菌Blautia wexlerae与肥胖和2型糖尿病呈负相关;随后,体内外实验证实B. wexlerae菌能减重、抗炎和减轻胰岛素抵抗;通过靶向代谢组学、微生物16s测序、LC-MS/MS的蛋白鉴定探究探究发现B. wexlerae菌能够通过增加肠道内的短链脂肪酸和益生菌,改善肠道环境,抑制肥胖和糖尿病。



研究思路



研究结果


1.日本队列研究

作者用217名参与者作为发现队列,以评估日本成年人的肠道微生物群与肥胖或T2DM之间的关系。多重回归分析显示,肠道微生物群与BMI(R2=0.32)和T2DM(R2=0.29)之间存在高度相关性。根据回归分析结果发现肥胖(BMI≥25)和T2DM通常与Blautia、FaecalibacteriumButyricoccus的丰度降低和Megasphaera的丰度增加有关(图1)。通过比值比(OR)评估了Blautia对肥胖和T2DM的影响,明确了Blautia丰度与肥胖和T2DM的OR成反比。随后作者用195名参与者作为验证队列,证实了除肥胖和T2DM以外的因素,如年龄、性别和药物等都与BLautia丰度无关;同时发现B. wexlerae菌在Blautia中占据主导地位,因此推测B. wexlerae可能有有效改善肥胖和T2DM的作用。


图1 | 与日本成人体重指数(BMI)和2型糖尿病(T2DM)相关的肠道细菌属


2.口服B. wexlerae调节小鼠高脂肪饮食诱导的肥胖和糖尿病的表型

作者建立了小鼠模型(CD组、HFD组、HFD+BW组)来探究B. wexlerae在肥胖和糖尿病中的关系,通过实验发现B. wexlerae可能有助于预防肥胖。作者检查了与肥胖引起的糖尿病相关的病理学,发现HFD(高脂肪饮食)喂养的小鼠在空腹条件下表现出血糖和胰岛素水平的增加以及血浆HOMA-IR(胰岛素抵抗指标)增加,B. wexlerae的施用降低了HFD喂养小鼠的这些糖尿病指标。随后作者又检测了附睾脂肪组织(eAT)特征,证实B. wexlerae的添加不仅抑制了体重增加,还抑制了HFD喂养小鼠eAT中的炎症反应(图2)


图2 | 高脂肪饮食(HFD)诱导的肥胖和糖尿病通过口服B. wexlerae来改善


3.B. wexlerae的代谢物通过其对脂肪细胞的作用来抑制炎症和脂肪生成

作者使用体外分化的脂肪细胞来做实验探究B. wexlerae是否可能影响促炎细胞因子的产生,结果发现B. wexlerae衍生的代谢物抑制了脂肪细胞中的S100a8表达。一些研究表明,线粒体功能受损与糖尿病发病机制或炎症之间存在关联。因此,作者评估了核呼吸因子1(Nrf1)的基因表达。添加B. wexlerae的培养基的3T3L1脂肪细胞中的Nrf1表达增加。


使用流式细胞术在用B. wexlerae培养物上清液处理的3T3L1脂肪细胞中检测到线粒体质量增加。通过体内实验发现,与CD喂养的小鼠相比,HFD喂养小鼠的eAT成熟脂肪细胞分数(MAF)中Nrf1的表达降低,并且向HFD喂养的小鼠施用B. wexlerae会增加Nrf1表达。随后作者使用液相色谱 - 串联质谱(LC-MS / MS)来检测eAT MAF的能量代谢,发现B. wexlerae产生的代谢物有可能改变宿主炎症反应和能量代谢。随后作者又在肝脏和肌肉中对B. wexlerae产生的代谢物进行了研究,结果表明B. wexlerae给药促进HFD喂养小鼠脂肪组织和肝脏中的能量消耗(图3)


图3 | B. wexlerae衍生代谢物在脂肪细胞中显示出抗炎和抗脂肪生成特性,以及线粒体代谢的改变


4. B.wexlerae的代谢途径及其独特的代谢物

为了确定有益于控制肥胖和糖尿病的B. wexlera衍生代谢物,作者在遗传信息的基础上揭示Blautia的代谢独特性,结果表明Blautia在氨基酸、碳水化合物和核苷酸代谢方面的具有独特特征(图4)。使用LC-MS/MS分析来自B. wexlerae培养物的上清液,特异性检测到高水平的S-腺苷甲硫氨酸、乙酰胆碱和L-鸟氨酸。


图4 | B. wexlerae在氨基酸代谢中表现出独特的特征,如S-腺苷甲硫氨酸、乙酰胆碱和l-鸟氨酸的产生


5.给小鼠喂食B. wexlerae改变其肠道环境

为了鉴定除氨基酸代谢相关的分子外用于控制肥胖和糖尿病的其他候选分子,作者进行了拉曼光谱分析,发现B. wexlerae菌胞内富含直链淀粉,并且可以利用这些淀粉直接产生高含量的琥珀酸、乳酸和乙酸这三种短链脂肪酸。


图5 | B. wexlerae给药改变了小鼠的肠道环境,包括肠道细菌组成和粪便短链脂肪酸(SCFA)含量


随后通过粪便的微生物16s测序发现,B. wexlerae菌不直接产生丙酸和丁酸,而是向其他肠道共生细菌提供琥珀酸、乳酸和乙酸等底物,从而导致粪便中丙酸和丁酸的水平升高。侧面论证了B. wexlerae菌促进了产丙酸和丁酸类微生物的增殖,如Akkermansia、Rikenellaceae RC9和Butyricoccus等益生菌。综上,B. wexlerae菌能够通过增加肠道内的益生菌和短链脂肪酸,从而达到改善治疗肥胖和糖尿病的效果。


图6 | B. wexlerae菌与产生丁酸盐的细菌之间的相互作用


研究结论


作者通过人群队列研究,发现B. wexlerae可能有效改善肥胖和T2DM的作用。随后通过动物模型和细胞实验,证明B. wexlerae菌具有独特的氨基酸和碳水化合物途径,其产生的代谢物能够重塑肠道环境、改善包括肥胖和糖尿病在内的代谢紊乱,从而实现抗炎和改善肥胖和2型糖尿病的作用。肠道微生物群在肥胖和T2DM的病理生理学中代谢作用的发现,为开发预防(如益生菌)和治疗代谢性疾病的方法提供了参考。



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本研究通过LC-MS/MS、微生物16s测序等技术,发现B. wexlerae菌能减重、抗炎和减轻胰岛素抵抗,从而改善肥胖和2型糖尿病的作用。这些发现揭示了宿主和微生物代谢的独特调节途径,这可能为代谢紊乱的预防和治疗方法提供新的策略。

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