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本文由廖维瑶编译，董小橙、江舜尧编辑。该综述为全文翻译，共分为四部分。 原创微文，欢迎转发转载。 在本综述中,我们将讨论支持肠道菌群在肥胖症和糖尿病(尤其是T2DM)发展中的因果作用的证据的质量。考虑到潜在机制的重叠, 肠道菌群在1型糖尿病中的作用也将得到进行讨论。我们将详细阐述影响人类微生物组成的因素, 并讨论微生物组成或微生物代谢产物的变化如何促进疾病的发展。我们将对确定人群肥胖和糖尿病与肠道菌群的因果关系上存在争议的方面以及潜在的能克服这些问题的策略进行假设。此外，我们将讨论改变人体肠道菌群组成的方法，以帮助建立因果关系，并讨论系统生物学方法，这些方法可能是解开肠道菌群在肥胖和T2DM中的作用的关键。 论文ID 原名：Evaluating Causality of Gut Microbiotain Obesity and Diabetes in Humans 译名：评估人群肥胖和糖尿病与肠道菌群的因果关系 期刊：Endocrine Reviews IF：15.545 发表时间：2017年 通信作者： Hilde Herrema 通信作者单位：荷兰阿姆斯特丹医学学术中心血管内科 综述内容 第一部分阅读链接👇 综述 | 评估人群肥胖和糖尿病与肠道菌群的因果关系（第一部分） 2 人体肠道菌群组成和T2DM的发展:为什么在人体中确定两者的因果关系很困难 在过去的十年里，人们对肠道菌群在人体代谢紊乱(如肥胖和T2DM)的发展中所扮演的角色的兴趣大大增加。这一现象在一定程度上是由于采用了更新颖、更廉价的下一代测序技术，加上可用的人类受试者的粪便样本和组织活检增加。尽管如此，关于肠道菌群组成与人类代谢疾病发展之间的联系大部分仍然是相关关系，而且主要是基于检测到的粪便菌群中菌株相对丰度的差异。此外，人群研究结果的可重复性是相当低的55，这使得肠道菌群在疾病发展中的作用存在争议。研究设置上的差异、样品制备的地理位置以及数据分析上的不一致都是低重现性的原因之一。因此应该倡议研究小组之间相互合作(例如，交换样本和在不同站点上分析)，使得研究细节充分透明，包括开放获取在线存储库中的方法和原始数据，这些合作将提高该领域研究结果的可重复性。 缺少来自小肠近端部分的活检或腔内/粘膜材料使得这一重要消化道部分的微生物组成和功能仍然缺乏探索。此外，肠道菌群组成主要与来源于观察(回顾性)研究获得的临床参数有关。通常情况下，这种研究方法不能得出是否肠道菌群的组成与疾病发生存在因果关系的结论且无法验证两者间孰因孰果。这种“鸡生蛋蛋生鸡”的情况在一定程度上可以由大型前瞻性研究来证明，如荷兰和HELIUS队列56,57。虽然前瞻性研究将提供肠道菌群组成变化与疾病发展时间相关的数据，但要其证明因果关系(如肠道微生物群是否是疾病发生的病因），只能从干预研究中得出结论。然而，严格的研究肠道微生物群组成的人群干预研究很少，迄今仅限于FMT、抗生素治疗、饮食和益生菌治疗。尽管FMT是一种十分具有潜力的研究因果关系的干预策略58，但目前为止，其他对人体的干预研究表明，有关肠道微生物群在代谢疾病发生中所起作用的因果证据仍然有限。图1展示了一种验证肠道菌群在(心血管)代谢疾病发生中的因果作用的自上而下的方法。 图1:如何确定心血管代谢疾病中肠道微生物群落的因果关系，一种自上而下的方法来确定微生物群落/微生物代谢物与肥胖和2型糖尿病的因果关系。(1)在瘦和肥胖/T2DM患者中测定微生物组和微生物代谢物组成。细菌或相关的代谢物必须与这些条件相关联。(2)在干预了影响功能输出的微生物组组成和影响宿主代谢表型后，细菌/代谢物必须与表现型的变化相关。(3)相关的细菌或代谢物加速或改善模型(如肥胖小鼠模型和T2DM)和健康或肥胖、胰岛素抵抗志愿者的表现。 3 因果关系:源于小鼠研究的见解 肠道菌群与宿主健康和代谢疾病之间的因果关系的证据主要来自于对啮齿类动物的研究59。人类和小鼠的消化道在解剖学、遗传学和生理学上都非常相似，小鼠小肠和大肠组织的组成类似于人体。此外，杯状细胞和潘式细胞在人体和小鼠的肠道完整性和宿主-微生物群平衡中同样发挥独特的作用60。然而，人类和小鼠依然存在着重要的差异，因此，将两者的研究进行比较时必须十分谨慎。人与小鼠消化道的一个重要区别是小鼠盲肠相对于总消化道相对较大。此外，盲肠是小鼠发酵的重要部位。小鼠发酵能力的提高能显著影响肠道微生物的多样性、组成和功能60。相比之下，人盲肠相对较小，且没有明确的功能61。遗传背景是小鼠代谢表型的主要影响因素之一，而对于人类，肥胖和胰岛素抵抗是由遗传、饮食和生活方式的复杂相互作用所导致的4。此外，与大多数人群研究形成鲜明对比的是，小鼠研究可以严格控制，以尽量减少常常在人群试验中存在的混杂因素(例如，食物摄入、饮食组成、用药史)。基因改造小鼠的应用为了解肠道微生物群如何影响宿主代谢和促进代谢疾病的发展提供了有价值的机制。 在缺乏微生物群的无菌(GF)小鼠中进行的研究首次提供了重要的证据，表明肠道微生物群可能对肥胖和相关疾病的发生有因果作用。研究表明，尽管GF小鼠的食物摄入量较高，但与常规饲养的小鼠相比，GF小鼠更瘦62。此外，GF小鼠对HFD诱导的肥胖具有较强的抵抗能力63。GF小鼠用于建立无菌模型:GF小鼠体内定居着特定的微生物群或拥有严格定义的微生物群落。FMT通过从普通饲养的老鼠身上移植粪便，使GF受体的体脂肪增加了60%，食物摄入量减少了62。因此，肠道微生物群提高了从食物(尤其是难以消化的碳水化合物)中获取能量的能力，从而促进了宿主的能量代谢。在后续的研究中，粪便微生物从常规饲养的肥胖小鼠移植到GF小鼠，进一步加速建立了肠道微生物与肥胖发展的因果作用38。有趣的是，接受过肥胖供体移植粪便的GF受体小鼠与接受过瘦供体移植的GF受体小鼠相比，在同样的饮食下体重增加更多。这些结果表明，肥胖小鼠的微生物群落从膳食成分中获得了更多的能量。此外，这些数据表明肥胖表型可以从供体转移到受者，进一步表明了其可能存在因果关系。在接下来的一项研究中，一对体重差异打的双胞胎的粪便微生物群被移植到GF小鼠体内，结果显示，接受肥胖同卵双胞胎粪便微生物移植的受者比接受瘦同卵双胞胎粪便微生物移植的受者体重增加明显更多49。尽管对GF小鼠的研究为肠道菌群对宿主代谢的贡献提供了重要的见解，但无菌小鼠的代谢与常规饲养的小鼠相比存在很大的差异60。例如,GF老鼠倾向于消耗更多的卡路里,分泌更多的油脂,而重量却小于传统小鼠64。重要的是，缺乏微生物对免疫系统和肠道生理的成熟和功能有重要影响65。由于免疫系统和肠道功能在(微生物介导的)肥胖症和T2DM的发生过程中起着关键作用，因此GF小鼠的研究结果仍存在一定的局限性。 尽管小鼠模型的研究提供的证据另人信服，但数据表明，使用这个模型得出的结论无法预测人类肠道菌群和肥胖症发生之间的因果关系。我们将举例说明解释小鼠和人类数据的困难性及强调转化研究方法的挑战性。最近一项小鼠模型研究的结果表明，一种可以降解黏液素的Akkermansia黏液菌的膜蛋白可以改善肥胖和T2DM66。这与另一项在以人为研究对象的研究结果相矛盾。在T2DM患者的菌群样本中，Akkermansia mucinophilia和Desulfovirbrio的丰度是增加的。这一现象也提出了一个问题，即特定菌株相对丰度的降低是疾病的病因，还是仅仅是疾病的反映。因此，我们有必要思考一下在我们的理解中所处的位置以及肠道微生物菌群在人类代谢性疾病发生中的作用以及应对这些挑战的策略。 4 肠道微生物组的组成和功能与心脏代谢疾病的发生:来自人类研究的证据 与啮齿类动物的研究结果一致，肠道菌群与人类肥胖有关，随着体重减轻，厚壁菌门/拟杆菌门的比例增加67。厚壁菌的数量增加意味着可以食物中获取更多的能量68。相反的是，其他研究小组未能发现肥胖组与瘦组的厚壁菌门/拟杆菌门之比存在差异69,70。必须指出的是，技术上的困难和方法上的差异导致细菌球代表性不足，特别是拟杆菌71，从而错误地显示了被影响的门之间的丰度。此外，尽管发现了厚壁菌门/拟杆菌门之比的差异，但这是否这种差异是食物摄入的一个反映或者是导致肥胖的因素之一仍有待确定。因此，这些发现的相关性是有争议的。在T2DM发生前，胰岛素抵抗增加，一些代谢标志物与乳酸菌和梭状芽胞杆菌有关45。空腹血糖和糖化血红蛋白水平与乳酸杆菌呈正相关，而梭菌与这些参数呈负相关45。此外，有研究表明，T2DM患者细菌丰度减少，而这些细菌可能会产生有益的短链脂肪酸丁酸酯 39。 有趣的是，在三个(独立的)宏基因组研究中，肥胖与细菌基因丰度的降低有关17,32,72。研究表明，肠道菌群多样性较低的受试者体重指数更高，脂肪量增加，胰岛素敏感性降低，血脂异常和炎症标志物增加17。此外，在10年的随访中，细菌丰度低的受试者比细菌丰度高的受试者体重增加更多。正如报道的减肥后厚壁菌门/拟杆菌门比率提高一样，细菌丰度增加仅仅是健康和多样化饮食的反映，还是它直接有助于防止肥胖，还有待确定。尽管如此，同时有报道称，细菌丰度对减肥的饮食干预具有预测潜力。宏基因组学的研究的结果应该谨慎解释，因为最近的一项meta分析表明，宏基因组学研究在人类研究中的重现性有限。作者总结收集了几项独立研究的数据后，发现体重指数(BMI)和分类组成之间没有联系67,72,74。 5 作为人体代谢的调节剂细菌代谢物和细菌源的成分 与在基因组水平上的微生物组成相比，肠道微生物产量(代谢产物)的变化或宿主暴露于细菌来源的成分(如内毒素)被认为在代谢疾病的发生中发挥更大的作用75。肥胖、胰岛素抵抗和T2DM患者常出现慢性、低水平的炎症状态76。这种炎症状态的增加被认为是胰岛素抵抗发展的一个病因。特别是通过降低肌肉和脂肪组织中的胰岛素敏感性76和损害胰岛功能77。虽然肥胖中炎症的增加可能是由多种因素引起的，但小鼠模型研究表明肠道微生物群是肥胖中炎症增加的病因78,79,80。这些发现形成了肥胖和T2DM代谢内毒素血症的假说;革兰氏阴性菌源的主要成分(如内毒素)的转移引起了全身的低水平炎症反应。与非糖尿病患者相比，T2DM患者血浆中LPS浓度明显升高81,82,83。然而，在分析过程中外源性LPS污染的风险仍然是一个有争议的话题84。血液从胃肠道流入门静脉;因此，该循环的区域的脂多糖浓度可能最高。门静脉是肝脏供血的主要来源(75%)。高浓度的脂多糖流入肝脏可能对肝脏中的炎性信号通路和胰岛素信号产生重大影响。由于很难对门静脉、血液和肝脏的标本进行活检，因此这一假设仍有待验证。内毒素转移的增加可能是由饮食引起的肠道通透性增加和肠道保护性屏障功能的降低引起的85。随着肠道通透性的增加，人体内的细菌DNA循环水平也增加，这可能会导致T2DM的发生86。 肠道微生物群产生许多有机化合物，如一氧化氮、氨、碳氧化物、吲哚和硫化氢，它们具有促炎和抗炎的特性，并且可能会改变肠道的通透性。过去几十年，硫化氢因其在胃肠道疾病88和CVD89中的作用而引起了人们的关注。然而，这些有机化合物在心脏代谢疾病中的作用仍存在争论，部分原因是已经发表的研究中存在许多相互矛盾的结果。例如，H2S可能改变肠道通透性88，溃疡性结肠炎患者H2S水平升高，但是H2S对非甾体类抗炎药引起的胃炎具有保护作用91。有趣的是，最近的一篇论文表明，H2S在大鼠心肌梗死后的心脏重构过程中，通过增加巨噬细胞浸润梗死心肌，从而拮抗缺氧诱导的心肌细胞损伤，达到心脏保护作用92,93。此外，H2S可能通过抑制巨噬细胞形成泡沫细胞，在动脉粥样硬化的免疫炎症过程中发挥有益作用94。然而，这些研究是在小鼠模型中进行的体外或细胞实验，因此H2S在CVD和胃肠道疾病中的(因果)作用仍需进一步研究。关于H2S的炎症特性的相互矛盾的结果表明H2S可能是一把双刃剑。因此，未来的研究需要专注于解决这些差异，并进一步研究这种气体分子在心血管疾病和胃肠道疾病的免疫炎症反应中的作用。 肠道微生物群通过一级(直接)或二级(间接)代谢途径产生大量(尚未确定)小分子物质95。因此，肠道代谢产物的组成(作为微生物产量和功能的衡量标准)在很大程度上取决于宿主的饮食。虽然这些代谢物中的一些可能保留在肠道生态系统中，其他的可能在宿主循环中释放，并发挥多种代谢效应96,97。细菌代谢物三甲胺(TMA)是许多肠道衍生代谢物之一，与人类心血管疾病的发生有关。TMA在肝脏中转化为三甲胺氧化物(TMAO)。高浓度的氧化三甲胺可加速小鼠动脉粥样硬化的发展，同时与人类的心血管疾病发病率升高相关。一些研究已经观察到T2DM患者的TMAO水平高于健康受试者的100,101,102。有趣的是，在肝胰岛素受体敲除小鼠(LIRKO小鼠)中观察到TMAO水平升高，这一上升是通过上调肝脏中产生TMAO的FMO3酶调节的103。此外，敲除负责TMA转化为TMAO的FMO3，可以预防高血糖、高脂血症和动脉粥样硬化，这表明TMAO可能是糖尿病相关动脉粥样硬化的潜在因素，至少在小鼠中是如此103。在一项研究中，TMAO与心血管风险之间的机制联系第一次被提出，该研究表明TMAO介导血小板高反应性和随后的血栓形成99。 6 短链脂肪酸和(人类)代谢性疾病 短链脂肪酸(SCFA)是由大肠中不可消化的膳食纤维细菌发酵产生的，主要由醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐组成。在小鼠身上的研究表明，补充SFCA可以改善胰岛素敏感性和血脂异常，防止体重增加，增加饮食诱导的肥胖小鼠的能量消耗104,105。SCFA介导的G -蛋白偶联受体(GPR)介导的信号通路的激活涉及多个代谢过程，包括肠内分泌调节106;胰高血糖素样肽(GLP) 1分泌107,108;炎症反应109,110;葡萄糖摄取和脂肪酸氧化111和能量代谢39。小鼠和体外实验表明，SCFA通过SCFA介导的黏蛋白基因的转录增加来改善肠道屏障功能。改善肠道屏障功能可防止直接暴露于宿主的先天免疫系统，潜在地降低炎症水平。SCFA是组蛋白脱乙酰酶(HDACs)的抑制剂。SCFA介导的HDAC在调节性T细胞(Treg)中的抑制作用可以增加叉头框P3 (FOXP3)的表达，从而影响Treg的产生114,115。同样，通过调节肠巨噬细胞116和树突细胞117，SCFA介导的抑制HDAC具有抗炎作用。因此，SCFA的耗尽可能导致肥胖和糖尿病患者炎症水平的增加。然而，SCFA对人体的有益的抗炎作用还有待进一步阐明。 通过一个复杂的肠-脑-神经回路，SCFA已证明能增加肠糖异生，从而提高外周血葡萄糖的产生和胰岛素敏感性118。然而，在最近的一项对大鼠的研究中显示，SCFA醋酸盐增加了食物摄入，促进了葡萄糖刺激的胰岛素分泌105。据报道，在人体中，醋酸盐的补充可以促进短期饱腹感和减轻体重120。与此同时，SCFA通过激活大脑中的厌食症通路，减少了食物摄入，并阻止了体重增加。在60名超重受试者的随机对照研究中，丙酸酯结肠给药减少了体重增加121。此外，粪便醋酸盐水平与胰岛素抵抗呈负相关122。 尽管SCFA与人体代谢健康之间存在这些正相关关系，但据报道，与瘦受试者相比，肥胖受试者的粪便微生物群组成转变为更多能产生SCFA的菌种72,123。同样，在肥胖的受试者中，SCFA的粪便浓度增加，尤其是丁酸盐浓度增加。有趣的是，在肥胖不一致的双胞胎中，与瘦双胞胎49相比，肥胖双胞胎的肠道菌群中产生SCFA的菌群相对丰富。有人提出，从纤维中提取能量(以细菌SCFA生产的形式)的能力提高可能是肥胖发展的一个驱动因素。因此，尽管SCFA生产者相对增多，且肥胖患者的粪便SCFA含量增加，但很难说明SCFA对肥胖患者的潜在健康益处。产生了SCFA后，其被宿主(至少在健康的受试者中)迅速吸收，参与调节葡萄糖和脂质代谢。此外，SCFA本身可以被肠道菌群吸收转化。因此可以推测，尽管SCFA的产量增加了，但肥胖患者的肠道菌群处理SCFA的能力却降低了。 与没有糖尿病的肥胖受试者相比，T2DM患者的粪便微生物群中产生SCFA的细菌种类相对较少45,39。与此同时，万古霉素治疗代谢综合征患者的胰岛素敏感性降低，同时产丁酸菌减少40。在一项研究中，将瘦型胰岛素敏感供体的粪便微生物群移植到胰岛素抵抗型代谢综合征受者体内，结果表明粪便微生物群移植后胰岛素敏感性的提高与产丁酸菌的丰度呈正相关。一项宏基因组研究表明，二甲双胍-naive T2DM患者可能与产丁酸属(如Roseburia spp、subligranulum spp)减少有关。在同一研究中，与未使用二甲双胍治疗的T2DM患者相比，二甲双胍治疗的T2DM患者的肠道菌群中含有明显更多的丁酸盐和固有产物。 未完，待续。 |
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