肠道菌群与腹内脂肪积聚

于浩泳 包玉倩

人体肠道中生活着约1×1014个微生物。这一复杂而活跃的生态系统像一个器官，对宿主的能量代谢和免疫调节等生理功能起到至关重要的影响。肠道菌群在肥胖发生、发展中的关键作用已经得到广泛认同。借助聚合酶链式反应、基因探针技术和16S rRNA测序技术，学者们逐步建立起了肠道菌群的组成与肥胖之间的联系。粪菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)和无菌小鼠模型则进一步佐证了上述联系的内在因果关系[1]。相对于16S rRNA测序技术，宏基因组测序技术在菌种甚至菌株层面提供了更多关于肠道微生物的信息。一些肠道细菌[如多形拟杆菌(Bacteroidesthetaiotaomicron)、嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansiamuciniphila)和罗伊氏乳杆菌(Lactobacillusreuteri)]具有对抗肥胖和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)的作用。基于宏基因组测序技术的功能分析描绘了复杂多样的肠道功能。一些微生物代谢产物[如脂多糖(lipopolysaccharides, LPS)、短链脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)、支链氨基酸(branched chain amino acid, BCAA)和胆汁酸]参与到肠道菌群与能量代谢的作用机制中。

1 体脂及其分布与肠道菌群

肥胖相关心血管代谢并发症的病理机制及进展程度与体脂分布密切相关。以BMI衡量的总体肥胖程度是评估体脂对健康影响最常用的参数，但内脏脂肪(腹内脂肪)的累积是心脏代谢疾病发生最重要的风险因素。内脏脂肪是指沉积在肝脏或胃肠道等中枢代谢器官周围的脂肪组织[2]。皮下脂肪沉积在远离中央器官的部位，有助于体温调节。皮下脂肪过多可能对健康不利，但是其对疾病发展的影响远远小于内脏脂肪，腹内脂肪和皮下脂肪在胚胎起源时就显著不同。腹内脂肪聚集显著增加了T2DM、心血管疾病、癌症和全因死亡的发生风险，而皮下脂肪作为循环游离脂肪酸的缓冲池，对代谢具有保护作用。既往对腹内脂肪与肠道菌群相关关系的研究较少，仅有个别研究在门或属的层面探究了肠道菌群。然而，不同属种细菌的功能通常截然不同。例如，临床前期研究模型显示，多形拟杆菌可以缓解克罗恩病的结肠炎症，Becteroidspyogenes则导致了继发于肝脓肿的菌血症。为了减少FMT后并发症的发生，并探索其潜在的治疗靶点，有必要厘清特殊菌种对疾病表型的影响。

尽管肠道菌群与以BMI评估的肥胖的关系早见报道，仍有必要进一步梳理肠道菌群与腹内脂肪的关系。在英国的Twins队列研究中，Beaumont等[3]采用双能X射线结合16S rRNA测序技术检测，分析腹内脂肪含量与肠道菌群可遗传成分的关系，发现瘤胃球菌属(Ruminococcaceae)、毛螺菌属(Lachnospiraceae)和颤螺菌属(Oscillospira)与腹内脂肪含量密切相关，多呈负相关。由于缺乏宏基因组数据，Tim等的研究在肠道菌群紊乱的功能诠释上存在局限性。在一项针对国内肥胖人群的队列研究中，Liu等[4]也分析了肥胖人群和接受腹腔镜胃袖状切除术(laparoscopic sleeve gastrectomy, LSG)患者术后肠道菌群的改变情况，此项研究中的肥胖参数包括BMI、腰围、腰臀比和总体脂，未包含腹内脂肪;该研究结果显示,Dorealongicatena和Coprococcuscomes的表达与肥胖呈显著正相关，而多形拟杆菌则是一个与肥胖参数呈负相关的健康标志菌。Nie等[5]基于鸟枪法宏基因组测序数据的研究发现，腹内脂肪面积(visceral fat area, VFA)与区分肥胖的细菌菌种有最强的关联性，还进一步发现了一组与VFA水平呈显著正相关的肠道菌群代谢通路，为这一关联提供了可能的功能性诠释。Bao等的研究共发现了6个属于毛螺菌属的细菌(Clostridiumcitroniae、Clostridiumsymbiosum、Clostridiumbolteae、Clostridiumasparagiforme、Lachnospiraceaebacterium31 57FAACT1、Clostridiumnexile)在健康对照组人群或LSG术后患者中显著富集，其中Clostridiumcitroniae和Clostridiumsymbiosum与VFA呈显著负相关；同时该研究显示，属于瘤胃球菌属科的细菌(如Flavorifractorplautii和RuminococcaceaebacteriumD16)与VFA亦呈负相关。肥胖肠道菌群合成L-谷氨酸(L-glutamate)和L-谷氨酰胺(L-glutamine)的生物能力较强。Bao等的研究发现，L-谷氨酸和L-谷氨酰胺细菌生物合成通路相关分子表达水平与VFA呈显著正相关。L-谷氨酸为生产味精(即谷氨酸钠monosodium glutamate, MSG)时常用的食品添加剂，过量食用可能导致代谢异常。患者在接受LSG后，其降解L-谷氨酸的通路相关分子表达水平升高。这些结果提示，肠道菌群的谷氨酸盐生物合成通路可能是腹内脂肪积聚的影响因素。

2 SCFA介导肠道菌群对体脂的影响

近年的研究结果显示，由肠道菌群产生的SCFA可对宿主能量代谢产生多种有益影响。挑剔真杆菌(Eubacteriumeligens)作为产生SCFA的一种肠道菌群，与VFA呈负相关。Jie等[6]研究发现，挑剔真杆菌在健康个体的肠道菌群中富集增多，而在罹患动脉粥样硬化性心脏病个体的肠道菌群中富集减少。既往一项分析马拉维共和国营养不良儿童肠道菌群特征的研究结果显示，挑剔真杆菌是成熟肠道菌群的生物学标志物。在一项分析肠道功能的研究中，Bao等发现发酵和利用SCFA的细菌在肥胖者肠道菌群中富集，这可能进一步导致肥胖者肠道中SCFA含量相对较少；同时该研究结果显示，一组梭菌目细菌可能是有益的，因其在健康组富集，在LSG术后个体中显著增加，且与很多代谢疾病标志物呈负相关。既往研究亦发现，梭菌目是产生SCFA的重要细菌。

细菌的代谢产物(分解或合成)，如胆汁酸、SCFA和氧化三甲胺(trimethylamineN-oxide)是构建肠道菌群和宿主双向关联的重要媒介 。有研究发现，谷氨酸盐和SCFA参与了腹内脂肪与肠道菌群关联的潜在机制。流行病学研究结果显示，膳食中摄取MSG具有导致超重的风险，循环谷氨酸盐水平与VFA增加、腹型肥胖和胰岛素抵抗的发生显著相关 。在小鼠模型研究中，MSG注射可以诱导小鼠下丘脑病变、瘦素抵抗和肥胖。另外，MSG饮食可导致腹内脂肪聚集显著增多，以及一些对脂肪细胞分化至关重要的基因的表达；其中，细胞角蛋白19(Keratin-19，腹内脂肪间皮层细胞的标志物)和细胞周期素D3(cyclin D3)的表达显著上调，提示MSG使腹内脂肪细胞分化增加。既往研究[7]发现,SCFA受体G蛋白偶联受体43(G protein-coupled receptor 43，GPR43)是膳食能量过量的感应器，可抑制脂肪组织中的胰岛素信号转导和脂肪聚集。丙酸盐通过GPR43介导抑制间充质干细胞转化为脂肪细胞。低聚果糖(fructo-oligosaccharides)是一种可溶性膳食纤维，也可以通过增加SCFA产生而缓解腹内脂肪聚集。此外，膳食中的SCFA可以诱导过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)依赖的脂质合成与分解的转换[8]。

3 黄酮类化合物通过肠道菌群抑制脂肪聚积

黄酮类化合物具有相同的基本化学结构，但根据杂环的结构特征、羟基化模式和黄酮类结构中官能基团的排列可分为6个亚类(黄酮醇、黄酮、黄烷酮、黄烷-3醇、花色素苷和黄酮聚合物)，其在功能和生物功效方面有所不同。这些黄酮类化合物中的大多数在肠道内通过肠道菌群进行广泛代谢，产生具有生物活性的代谢产物。一项动物实验的研究[9]结果表明，含类黄酮食物调节肠道微生物群以对抗饮食诱导肥胖的机制主要通过增加阿克曼菌的相对丰度来介导。在大鼠膳食中补充黄酮，可减少38%～53%的VFA和 23%～43%的皮下脂肪面积(subcutaneous fat area, SFA)。Jennings等[10]发现，黄酮类化合物的摄入量越多，VFA和VFA/SFA值越低，提示黄酮类化合物可改善体脂分布；其对脂肪的作用可能是由产丁酸盐的肠道菌群来介导。因为丁酸盐可以增强肠道屏障功能，从而抑制促炎分子进入体循环，并防止代谢性内毒素血症的发生，可使机体对抗饮食诱导的肥胖。此外，丁酸盐对脂肪组织有直接作用，可促进小鼠解偶联蛋白1的表达进而增加适应性产热，导致脂肪消耗增加。

总之，肠道菌群与腹内脂肪积聚关联的潜在机制已经得到初步证实，但是仍然需要开展更深入的探索性研究。特定肠道菌属的代谢通路与脂肪分布的新关联可为以肠道菌群为靶点的新疗法(如益生菌和FMT)提供新线索。厘清谷氨酸盐、SCFA等在宿主中的作用靶点和信号通路将有助于带动新型药物和功能性食品的研发。