肥胖的關鍵是腸道菌群的變化 | 代謝組學技術揭示分析研究
發布日期:
2020-08-13

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肥胖在當今社會乃是全球性的問題,占全球成年人口的流行率約為13%,肥胖的常見健康問題是糖尿病、心血管疾病和癌癥等非傳染性疾病的發展,腸道微生物區系組成和功能的改變已被認為是代謝損傷的標志之一,越來越多的證據表明,腸道微生物可以調節飲食、調節宿主代謝和代謝紊亂的發生,因此,它被確立為宿主代謝的不同方面的調節者。此外,流行病學和實驗室研究表明,腸道微生物區系依賴的代謝物,如短鏈脂肪酸(SCFA),通過其在能量獲取中的作用與代謝綜合征的發生密切相關。因此,腸道代謝產物被認為是連接腸道微生物區系代謝綜合征的主要成分。

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來源網絡,肥胖的關鍵是腸道菌群


近日,有研究者發表文章說明對肥胖和非肥胖兩者之間進行比較,利用代謝組學技術以及16s宏基因組測序方法驗證,從腸道菌群、血液、尿液三種不同類型的生物樣本大數據分析發表的期刊中可得知。

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doi: 10.1093/bib/bbaa165? IF=8.99





正常和肥胖成人的血液指標




為了準確了解肥胖成人的狀況,利用BMI作為肥胖者體重的篩查工具,測試并記錄了肥胖者的BMI數據:

18.5-25,被認為是正常的,

≥30.0,被認為是肥胖的。

同時研究者們也測試了正常和肥胖者的各項指標和標志物。

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穩態模型評估指數HOMA是一種從空腹血糖和胰島素濃度評估β細胞功能和胰島素抵抗的方法。

研究結果顯示肥胖組HOMA-IR指數高達5.66±0.78,提示受試肥胖者存在明顯的胰島素抵抗,同時發現肥胖組LDL-C和TC水平較高,而HDL-C水平較低,進一步提示受試肥胖者患心血管疾病的風險較高。





肥胖者的腸道菌群變化的研究




進一步了解肥胖者的腸道菌群的變化,對正常人和肥胖者分糞便樣本進行16S分析。根據RNA序列相似性和細菌菌株對微生物多樣性進行分類,顯示在正常組中識別出1035個OTU(圖A),在肥胖組中識別出989個OTU(圖B),其中862個OTU在兩組之間被發現是共同的(圖C)。

然而,在正常人和肥胖者之間,腸道細菌物種多樣性沒有顯著差異如圖D顯示。對正常成年人和肥胖成年人糞便微生物群落的比較分析顯示,肥胖成年人的梭狀芽孢桿菌分類顯著減少。

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我們也觀察到肥胖者與正常成人相比,別雷氏菌、隱翅蟲科、畢洛氏菌和伯克霍爾衍生物顯著富集。別雷氏菌與C-反應蛋白呈正相關,C-反應蛋白是類風濕性關節炎患者腸道微生物區系中的一種信息生物標志物,我們觀察到該菌與類風濕性關節炎患者腸道微生物區系中的炎癥生物標志物C-反應蛋白呈正相關,而C-反應蛋白是類風濕性關節炎患者腸道微生物區系中的一種信息生物標志物,它是類風濕性關節炎患者腸道微生物區系中的一種生物標志物。

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數據表明,在肥胖癥的發生和T2 D的發展過程中,通常會誘導一種革蘭氏陰性亞硫酸鹽還原菌Bilophila。在高脂飲食下的AMICE研究中已經報道,牛磺酸結合膽汁酸的產生增加與膽汁中膽汁酸的豐度增加有關。總而言之,這些數據表明腸道微生物組合的改變可能會擾亂免疫平衡。





肥胖者糞便代謝組變化的研究




從組學技術角度驗證,糞便樣本質譜代謝組學方法分析得出正離子模式(PIM)的14610個特征和負離子模式(NIM)的12540個特征離子峰數量。通過代謝組學數據庫HMDB一級質譜數據,分別注釋7370和5468個具有在PIM和NIM中確定的識別特征的個體樣品。最豐富的代謝物是PIM(圖3A)和NIM(圖3B)中的脂質分子。糞便樣本中脂質或脂肪的存在可能是因為腸道微生物區系產生單鏈脂肪酸,這些單鏈脂肪酸被腸道吸收,然后排泄到糞便中,而且已經表明,較高的單鏈脂肪酸排泄量與健康問題有關,如生物失調、過度肥胖和心臟代謝性疾病。


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通過比較代謝組學分析來確定肥胖者和正常成年人糞便代謝物的變化,結果顯示代謝物的分布有明顯的差異。通過PIM獲得的1,913個注釋代謝物(797個上調代謝物和1,116個下調代謝物)和1,288個注釋代謝物(532個上調代謝物和756個下調代謝物)通過NIM在肥胖成年人中獲得,顯示與正常成年人相比調節失調。

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對代謝異常的KEGG通路分析闡明了肥胖者糞便代謝改變與代謝紊亂之間的關系,揭示了肥胖者代謝途徑與次生代謝物生物合成之間的密切聯系。受影響的代謝途徑包括組氨酸代謝、苯丙氨酸代謝和脂肪酸代謝。組氨酸代謝的改變可能導致能量和葡萄糖動態平衡的失衡。研究報告顯示空腹血漿的高分辨率代謝分析,顯示肥胖者的組氨酸代謝豐富。研究表明,包括苯丙氨酸在內的血清氨基酸特征與墨西哥兒童肥胖顯著相關,其中苯丙氨酸與高甘油三酯血癥風險的相關性最強。

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總的來說,數據顯示與我們觀察到的肥胖者腸道微生物區系的變化是一致的,這些變化可能導致能量和葡萄糖穩態的失衡。





肥胖者血清代謝組學變化的研究




從血清樣本研究,比較分析肥胖者和正常人的代謝物變化,得出PIM和NIM分別有12419個特征和14134個特征離子峰數量。在一級質譜中HMDB數據庫分析出PIM和NIM特征的個體樣本中的6354個和5452個,和糞便樣本結果相似,最豐富的代謝物是PIM和NIM中的脂質分子。

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此外,肥胖者與正常成人的血清代謝譜比較顯示有顯著差異。PIM發現了384個異常的代謝物(包括127個上調和257個下調),而NIM發現了498個異常的代謝物(包括339個上調和159個下調)代謝物。對失調代謝物的KEGG通徑分析表明,肥胖成人的相同代謝途徑也發生了改變,這支持了腸道微生物代謝物和宿主血清代謝物之間可能的相互作用。

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整合糞便和血清代謝組數據分析



隨后,我們對從糞便和血清樣本獲得的代謝組數據進行了整合分析,以了解腸道微生物區系和腸道宿主代謝物圖譜之間的相關性。這項研究確定了25種異常代謝產物,包括11種上調代謝物和14種下調代謝物,這些代謝物在肥胖患者的糞便和血清樣本中是常見的。

肥胖的關鍵是腸道菌群的變化 | 代謝組學技術揭示分析研究

血漿中的另一種必需氨基酸L-酪氨酸也被報道與人類肥胖、胰島素抵抗、T2D和非酒精性脂肪性肝病有關。酪氨酸被認為是與BMI相關的氨基酸之一,因為它的水平在減肥后被證明是降低的。此外,在肥胖兒童的支鏈氨基酸代謝改變之前,它也被證明與胰島素抵抗有關。血清尿酸水平是肥胖和糖尿病等代謝紊亂的指標。因此,在糖尿病患者糖代謝受損的早期階段,發現血尿酸水平升高。血清尿酸是代謝綜合征、糖尿病和高血壓的重要生物標志物。


綜上所述,本文中通過腸道代謝產物的變化來評估腸道微生物區系對宿主代謝產物的可能影響,揭示腸道微生物區系的改變可能會影響腸道和宿主的代謝產物,從而導致肥胖和糖尿病等代謝紊亂。這項研究的發現列舉了代謝物的變化,可以擴展為肥胖和代謝紊亂的生物標志物。


來源:華測醫學檢測所微信公眾號