Cell子刊：雙歧桿菌和纖維菊糖可緩解西式飲食所致腸道菌群改變引起的腸黏液層損害
彙報人：LuYin Lab博士一年級羅磊
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Background
腸粘液層是指附著在腸上皮表面的一道天然屏障，正常生理情況下可將腸腔內的致病菌及其代謝物等有毒化學物質與腸上皮細胞隔離開來而避免對有機體的損害，故其結構及功能的正常對於宿主的健康至關重要。腸粘液的分泌及腸穩態的維持也離不開腸道益生菌（柔嫩梭菌及雙歧桿菌等）及其代謝物（短鏈脂肪酸）的作用，然而病理情況下（膳食纖維及益生菌缺乏），粘液層遭到破壞，滲透性增加，致病菌入侵激活粘膜免疫系統，引發一系列炎症級聯反應，從而導致腸易激綜合征，炎症性腸病，結直腸癌等疾病的發生，因此靶向腸道菌群，修復粘液屏障功能，恢復腸穩態，對機體健康的維護及腸粘液屏障缺陷相關疾病的防治均具有重要意義。
哥德堡大學醫學生物化學教授Gunnar C. Hansson及其團隊通過實驗研究發現：通過補充益生菌(雙歧桿菌)及益生元（纖維菊粉）可保護宿主避免由西式飲食引起的菌群改變導致的腸粘液層損害。
本期介紹的文獻發表在2018年1月10日《Cell Host Microbe》上，IF：14.946
研究假說的提出：
益生菌(雙歧桿菌)及益生元（菊粉）可保護宿主避免由西式飲食引起的微生物導致的腸粘液層損害。
RESULTS 1
西式飲食可降低粘液生成率、增大粘液層滲透性
西式飲食（WSD）是目前廣泛存在於我們當下生活當中的一種以高脂、高糖、低纖維為主要飲食的生活方式，研究顯示其與當下高血壓、高血脂、高血糖、肥胖、動脈粥樣硬化以及腫瘤等高發病存在密切的關聯，然而其具體機制仍存在諸多爭議，WSD破壞粘液屏障，增大黏液層滲透性和降低粘液生成率（圖1D-E）,進而導致致病菌入侵，從而引發下游免疫炎症反應活化及代謝紊亂（體重增加、血糖升高、胰島素抵抗增加-圖1A）,可能是其機制之一。如圖F-G-I-J所示，WSD較正常飲食組的粘液分泌明顯增加，且WSD組分泌粘液布滿整個隱窩，說明了WSD破壞了正常粘液層，引起了機體的代償反應，從而增加粘液分泌。
圖1 WSD破壞了粘液屏障、誘發了代謝紊亂並促進非成熟型MUC2代償性分泌
RESULTS 2
WSD對粘液層蛋白組整體上影響不顯但提高Dmbt1表達而減少了MUC2表達
在RESULTS 1中我們可以明確的看到WSD明顯的增大了粘液層的滲透性，降低了粘液的生長率，同時促進機體代償性的分泌非成熟型粘液。粘液層中富含各種類型的粘蛋白，其成分和量的變化可顯著影響粘液屏障功能，因此分析粘液層中蛋白成分的變化，對於理解WSD是如何影響黏液屏障具有重要意義。在圖2A的聚類分析、主坐標分析及韋恩圖中沒有發現明顯的差異，說明WSD對粘液層中的整體蛋白組沒有明顯的影響，而圖2B中的粘蛋白主要成分MUC2,Zg16，Fcgbp和Clca1的定量分析也沒有顯著的差異。圖2C中可看到WSD組Dmbt1蛋白和轉錄水平上的明顯提高。
圖2D-E中WSD組MUC2蛋白水平的下降，說明了WSD可能是通過降低粘液層中的MUC2水平而損害腸粘液屏障的通透性，進而促進宿主代償性的分泌Dmbt1粘蛋白。
圖2 WSD對腸粘液層蛋白組的影響
RESULTS 3
WSD 可影響結腸腔內及粘膜上微生物組成
飲食是腸腔內微生物的主要影響因素，因此作者通過16s rRNA測序進行了腸腔內及粘膜上的菌群分析如圖3A-D所示：在門的水平上WSD可提高厚壁菌門而降低擬桿菌門和放線菌門，在屬的水平上WSD可提高Allobaculum而降低雙歧桿菌和S24-7 unclassified。WSD可顯著降低α-多樣性（圖3B-E）,並且和正常飲食相比呈現一種明顯的微生物群落分離現象（β-多樣性圖3C-F）。通過氣相色譜質譜分析腸道菌群代謝產物短鏈脂肪酸：乙酸，丙酸，丁酸，乳酸，琥珀酸等可發現，WSD 顯著降低了這些代謝產物水平。以上數據說明了WSD對粘液屏障的損害與其腸道菌群變化存在一定的相關性。
圖3 WSD對腸腔內及腸粘膜上菌群及代謝物的影響
RESULTS 4
菌群移植可減輕WSD小鼠粘液層損害
為了驗證WSD引起的粘液層損害與菌群變化之間的因果關係，作者進行了腸道菌群移植實驗。
菌群移植實驗如圖4A所示：將正常飲食餵養10周大的C57BL/6小鼠進行連續3天每天1次的ABX（1g/L ampicillin, 1g/L metronidazole, 0.5g/L vancomycin, and 0.5g/L neomycin）處理，之後進行6周的WSD,然後隨機分為2組，每組7-8隻，一組移植正常飲食的腸道菌群（WSD、Chow ），另一組移植WSD的腸道菌群（WSD、WSD）；6周後分別進行代謝指標及粘液相關指標檢測。
圖4F腸腔內及粘膜菌群16S rDNA測序結果示：WSD、Chow移植組小鼠的腸道菌群相對丰度中Bifidobacteria屬由0.2% 增至3.7% (p
圖4 菌群移植改善了WSD小鼠的菌群失調，緩解了粘液層的損傷
RESULTS 5
補充益生菌及益生元可減輕WSD引起的粘液損傷
為了進一步驗證WSD引起粘液損傷是有菌群失調（雙歧桿菌減少）所致，作者又進一步進行了益生菌、益生元補充實驗。
實驗過程如圖5A所示：將餵養正常飲食9-11周齡的C57BL/6小鼠隨機分為4組（WSD組、WSD+菌粉、WSD+雙歧桿菌組和WSD+菌粉+雙歧桿菌組），分組前進行一次粘液指標檢測，4周後分別進行代謝相關指標及粘液相關指標檢測。
結合圖5C-D-E-F所示：WSD顯著增加了粘液層的滲透性，降低了粘液生成率，縮小了菌群與腸上皮之間的距離；而WSD+菊粉組的粘液層滲透性顯著恢復至正常水平，菌群與腸上皮之間的距離明顯增大，但粘液生成率增長不明顯；而WSD+雙歧桿菌組的粘液生成率明顯增加，但粘液滲透性改善不顯，菌群與腸上皮之間距離較近；WSD+菌粉+雙歧桿菌組的粘液生成率顯著增加，但粘液滲透性改善不顯。圖5B示：WSD組、WSD+菌粉、WSD+雙歧桿菌組和WSD+菌粉+雙歧桿菌組對小鼠的代謝指標（體重、體質、血糖及胰島素）沒有顯著的影響。以上結果充分說明了通過補充益生菌及益生元可顯著緩解WSD所引起的粘液層損害，其中雙歧桿菌主要增加粘液生成率，而菌粉主要降低粘液層滲透性。
圖5 雙歧桿菌可提高粘液生成率，菌粉可降低粘液層滲透性
總結與展望
本次研究採用了16s rDNA測序技術及菌群移植技術驗證了WSD對宿主腸道菌群（降低Bifidobacteria屬）及粘液屏障（增大粘液滲透性/降低粘液生成率）的影響，對於我們更好的理解飲食、腸道菌群與健康和疾病之間的關係以及如何選擇健康的飲食生活方式具有重要的指導價值。
益生菌及益生元是目前廣泛使用的衛生保健品，然而其具體藥效價值仍存在諸多爭議，本次研究可為其具體作用機制及臨床使用方法提供一定的參考價值。腸粘膜屏障是覆蓋在腸上皮表面的用來抵禦腸腔內致病菌的一道天然屏障，其功能的正常對於維護宿主健康以及疾病的治療至關重要，本次研究可為腸粘膜屏障功能障礙相關疾病（IBS/IBD等）的治療提供一定的借鑒。
參考文獻：
1.Schroeder BO, Birchenough GMH, Stahlman M, Arike L, Johansson MEV, Hansson GC, Backhed F.Bifidobacteria or Fiber Protects against Diet-Induced Microbiota-Mediated Colonic Mucus Deterioration. Cell Host Microbe 2018, 23(1): 27-40 e27.
2.Desai MS, Seekatz AM, Koropatkin NM, Kamada N, Hickey CA, Wolter M, Pudlo NA, Kitamoto S, Terrapon N, Muller A, Young VB, Henrissat B, Wilmes P, Stappenbeck TS, Nunez G, Martens EC. A Dietary Fiber-Deprived Gut Microbiota Degrades the Colonic Mucus Barrier and Enhances Pathogen Susceptibility. Cell 2016, 167(5): 1339-1353 e1321.
3.Listed N. Your microbes at work: fiber fermenters keep us healthy.[J]. Nature, 2015, 518(7540):S9.
稿件審閱：韋忠紅
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