目前，減重手術仍是治療肥胖及相關并發癥的重要外科手段。然而，手術本身帶來的損傷以及其不可逆轉的特點限制了減肥手術的應用。揭示手術干預機制，實現高效、低侵入性的抗肥胖策略，是當今相關研究的一大挑戰。來自德國波恩大學醫學中心Wiebke Kristin Fenske團隊使用減重手術、腸道微生物移植等動物模型，通過多組學技術探索腸道微生物的功能及代謝特點變化。研究結果顯示，在減重手術（Roux-en-Y式）后，腸道微生物代謝特征發生改變，腸腔內及循環中的牛磺酸結合型膽汁酸（T-CBAs）增加。這些T-CBAs通過腸道中的FXR（Farnesoid X receptor）和靶器官中的TGR5（G-protein-coupled bile acid receptor）作用于腸道及機體的多種細胞，最終誘導脂肪產熱及代謝改善。相關成果發表于《Microbiome》。
 

一、腸道菌群耗竭可減弱Roux-en-Y減重手術對高脂飲食誘導肥胖模型的治療效果

為了研究腸道微生物在減重手術中發揮的具體作用。作者首先在高脂飲食誘導的肥胖大鼠（HF-DIO大鼠）中實施Roux-en-Y減重手術（Roux-en-Y gastric bypass，RYGB），其中一組使用廣譜抗生素耗竭其腸道微生物。為模擬自由選擇飲食情況，術后大鼠同時提供了高脂及正常兩種不同飲食。腸道菌群耗竭可顯著降低RYGB治療效果。抗生素處理組大鼠體重增長是對照組的三倍，并且其增長主要體現在脂肪組織中。同時，抗生素處理組飲食模式更偏向于高脂飲食，日常攝入及吸收的能量更多。抗生素處理后，大鼠代謝能力也有一定受損，表現為血糖調節能力下降，胰島素敏感性受損，血脂升高，肝臟發生脂肪變性，促炎因子（如Ifng、Tnfα等）表達升高。

已有研究證明，腸道微生物在脂肪組織產熱的調控中起到重要作用。因此，作者探索了RYGB后腸道微生物變化和脂肪組織產熱之間的聯系。腸道菌群耗竭后，大鼠的棕色脂肪組織（BAT）發生白色化，脂肪細胞中的脂滴累積增加。同時，BAT中重要的產熱蛋白——解偶聯蛋白1（UCP1）在抗生素處理組中表達降低。在寒冷刺激下，相比對照組小鼠，抗生素處理組產熱能力下降，體溫下降的幅度也更大。此外，采用不同實驗組大鼠血清刺激脂肪細胞，結果發現，RYGB術后大鼠血清可以顯著增強脂肪細胞線粒體呼吸能力，而抗生素處理則削弱了這一刺激。這些結果提示了腸道微生物在減重手術中起到重要作用。

（圖1）
 

二、RYGB術后大鼠糞菌移植可緩解HF-DIO大鼠表型

為了進一步驗證腸道微生物在減重手術中發揮的重要作用，作者將RYGB術后大鼠的腸道微生物移植（FMT）到了HF-DIO大鼠中。糞菌移植后，RYGB-FMT大鼠體重增長減緩，飲食方式也更偏向于正常飲食。盡管RYGB-FMT大鼠每日能量總攝入沒有變化，但其食物能量吸收效率降低了。相應的，其代謝能力也得到了系統性改善，胰島素敏感性升高，胰島肥大比例降低以及血脂水平下降。

（圖2）

作者進一步探究了此過程中脂肪組織的變化。RYGB-FMT大鼠白色脂肪組織（WAT）中的脂肪細胞縮小，并且參與脂肪產熱、脂解相關過程的基因表達上升。RYGB-FMT大鼠WAT向抗炎狀態發生轉變，細胞外間質重塑及組織纖維變性也有所減少。除WAT外，RYGB-FMT大鼠BAT也有激活。其BAT內UCP1的表達上升，脂滴含量減低。BAT中脂肪產熱及脂解相關基因表達上升，脂肪細胞的線粒體體積變大、嵴增多，組織纖維變性顯著減少，血清甘油水平也有一定程度的上升。此外，RYGB-FMT大鼠具有更強的脂肪產熱能力及冷耐受能力。體外試驗中，RYGB-FMT大鼠血清處理棕色脂肪細胞，同樣發現其也可以上調細胞的代謝能力。這些結果進一步佐證了腸道微生物與脂肪組織之間的交流是減重手術治療肥胖的關鍵機制。

（圖3）
 

二、多組學技術揭示，減重手術或RYGB-FMT調控牛磺酸代謝及腸道膽汁酸受體的活性

作者首先采用16S rRNA技術分析了減重手術及糞菌移植對腸道菌群構成的影響。結腸內容物結果表明，除抗生素處理組之外，無論是RYGB或是RYGB-FMT，都無法改善HF-DIO大鼠的腸道菌群多樣性。盡管在屬的水平，RYGB-FMT大鼠中的Deferribacteres（脫鐵桿菌屬）十分豐富，但在其他菌群上，與HF-DIO大鼠并沒有差別。因此，作者認為并非是某種細菌，而是幾類菌群在代謝方面的集體改變，引發了下游信號的傳導。

（圖4）

微生物的代謝產物，是宿主-微生物通訊的關鍵介質。因此，為了探究這一過程中代謝產物的變化，作者對門靜脈血漿及盲腸內容物進行代謝組學分析。通過對比分析，從差異代謝物中聚焦到幾種膽汁酸（BAs）。已有研究發現，BA是一種重要的代謝調節劑，主要參與葡萄糖、脂質等代謝過程的調控。FXR及TGR5是其主要受體。在RYGB糞菌移植大鼠的門靜脈血漿及盲腸內容物中，牛磺酸結合型膽汁酸（T-CBA）水平升高。同時，在回腸FXR-FGF19信號軸激活下，回腸中BAs重吸收相關基因表達上升，但循環中具有細胞毒性的BAs水平下降。同時還伴隨著TGR5系統性表達上調。靶向定量技術檢測到在門靜脈血漿及盲腸中牛磺酸水平上調。與此一致，肝臟中牛磺酸合成及轉運相關基因也一并上調。這些結果證明，RYGB或其糞菌移植通過影響宿主牛磺酸及膽汁酸代謝激活下游信號從而進行代謝調控。

（圖5）

為了更好的理解微生物代謝功能的變化，作者對盲腸內容物進行了宏蛋白質組學分析。結果發現，盡管RYGB術后腸道菌群變化不大，其蛋白質功能發生了極大改變。利用KEGG分析，作者發現這些蛋白質主要富集在142條通路上，其中“無機離子轉運與代謝”，“核糖體合成”，“染色體及相關蛋白”通路存在顯著性改變（p<0.05）。此外，作者發現膽鹽水解酶（BSH）——將T-CBA代謝為牛磺酸和BAs的關鍵酶——在RYGB及RYGB-FMT組中的豐度大大下降。這與之前的發現一致。并且，分析結果顯示BSH的變化與Turicibacter, Romboutsia, Intestimonas三個菌屬密切相關。

（圖6）
 

四、FXR及TGR5在激活脂肪組織產熱及改善代謝能力中起關鍵作用

目前研究結果證明RYGB糞菌移植通過激活腸道FXR調節系統BA信號，從而改善代謝健康。由此，作者使用FXR抑制劑Gly-MCA（Glycine-ß-muricholic acid）灌胃給RYGB-FMT小鼠后，發現該抑制劑逆轉了FMT的治療作用。雖然口服給予Gly-MCA并不會影響肝臟FXR信號傳導，其仍然減弱了RYGB-FMT對肝臟脂肪變性的治療作用。這提示，小腸內FXR，而非肝臟內的FXR信號傳導至關重要。此外，Gly-MCA給藥顯著降低了iBAT和WAT中脂肪產熱以及脂解基因的表達，并且小鼠的冷耐受能力下降。

本研究中發現膽汁酸的改變可以誘導FXR5系統性激活，于是，在高脂飲食喂養的Tgr5-/-小鼠中進行RYGB大鼠腸道微生物移植時，RYGB-FMT并不能誘導產熱增加，以及代謝狀況的改善。這些結果表明，FXR及TGR5在RYGB糞菌移植中減輕肥胖中代謝紊亂發揮關鍵作用。
 

小結

本研究通過多組學手段，闡明了減重手術前后腸道微生物的變化，并探索了其影響肥胖及相關代謝特征的機制。通過相關實驗證實減重手術通過腸道微生物調節牛磺酸代謝及BAs信號進而激活下游脂肪組織產熱、改善機體葡萄糖的潛在機制。該項工作凸顯了腸道微生物與宿主之間的“交流”在調控機體能量代謝狀態中的重要性，為肥胖的臨床治療，以及代謝障礙的管理方案提供了新思路。
 

參考文獻

Functional changes of the gastric bypass microbiota reactivate thermogenic adipose tissue and systemic glucose control via intestinal FXR-TGR5 crosstalk in diet-induced obesity. Microbiome. 2022.

請掃描二維碼閱讀原文

繪譜幫你測 

麥特繪譜擁有業內強大的Q600全定量代謝組、Q300全定量代謝組、Q200宏代謝組以及菌群相關的16S rDNA測序和宏基因組等方法，可提供代謝組學一站式整體解決方案，獨家的檢測技術、全面的數據報告以及專業的售后探討，助力您的科研探索之路不斷創新和突破。詳情歡迎咨詢麥特繪譜熱線400-867-2686，獲取詳細資料！