Microbiome | 益生元效果因人而异，选择需要个性化

膳食纤维的摄入量与人体健康密切相关。膳食纤维在摄入后主要被人体肠道微生物利用，产生短链脂肪酸（SFCA），即乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐。这些SCFA，其中最明显的是丁酸盐，已被证明可以促进胃肠道（GI）屏障的完整性，降低炎症，增加对病原体入侵的抵抗力，并对肠道内分泌信号和能量平衡做出积极贡献。我们可以使用益生元作为膳食补充剂来增加肠道微生物产生的SCFAs。但使用益生元来促进SCFA生产的一个关键挑战是反应的异质性，即个体对相同益生元的反应不同，产生SCFA的能力也不同。

新发表在Microbiome的这篇文章报告了一个随机、三向、交叉试验的结果，其中一组个体接受了多种益生元的治疗。这项研究主要调查方向是评估个体和益生元的差异对SCFA补充剂反应的相对贡献，重点是丁酸盐的产生。次要分析包括确定哪些宿主和微生物因素影响了益生元反应的变化。

实验设计

这项研究招募参与者进行为期六周、三期的益生元干预研究（图1）。研究采用交叉设计，在一个受试者群体中比较多种益生元。选择菊粉、小麦糊精和半乳寡糖（GOS）作为益生元，这些都是普遍消费的，是市面上的膳食补充剂，而且是单体不同。交叉试验在系列和时期上是标准化的，每种益生元在每个系列（一次）和研究时期（两次）中出现的次数相同。该设计在一阶结转效应方面也是平衡的，这意味着对益生元的施用顺序进行了调整，以使任何两对连续的益生元之间的互动效应最小化。每个研究阶段包括一个无干预基线周和一个益生元干预周。在六个研究周（基线和干预）的第三、四和五天收集粪便样本。在最初参加研究的41名参与者中，2人退出，3人无法每周至少收集一个可用的样本（即数量不足或标签不足），8人失去了随访。后续分析集中在完成研究的其余28名参与者身上。这些参与者总共收集了413个粪便样本（平均每人每周2.46个粪便样本）。

图1。益生元干预试验设计

主要结果

益生元补充剂影响队列水平的SCFA产生

与基线样本相比，分析结果显示益生元对微生物组成没有显著的影响，但三种益生元根据所产生的粪便SCFA相对于基线的变化而不同。GOS与粪便SCFA总浓度的降低有关，这一结果以前也被观察到。在分析粪便SCFA绝对浓度时，个别SCFA的差异也很明显（表1）。

表1：在服用益生元和对照组的几周内，各人平均的粪便中SCFA的浓度和比例

糊精增加了丙酸盐的浓度，GOS降低了丙酸盐和丁酸盐的浓度。菊粉补充剂增加了参与者粪便中丁酸盐的比例浓度（丁酸盐浓度/总SCFA浓度）（图2，表1）。这些发现与之前的报告一致，即菊粉补充可能会增加丁酸盐的生成。分析还表明，GOS和小麦糊精降低了参与者粪便中的丁酸盐比例浓度（图2，表1）。这些发现与先前的试验一致。没有任何益生元在分组水平上改变了乙酸盐或丙酸盐的比例浓度（表1）。

图2。补充益生菌对粪便中丁酸盐比例浓度的影响

与益生元相比，个体因素对丁酸生成反应的预测更强

与先前对益生元反应的研究一致，分析结果产生了对每种益生元的个体特异性丁酸盐反应的证据（注：GLMM中个体和益生元项之间的交互作用）。然而，进一步的分析表明，丁酸盐反应的最强决定因素是由个体身份决定的：个体特异性效应比益生元特异性效应强得多。此外，在菊粉上表现出最大比例粪便丁酸盐浓度反应的个体，更有可能在糊精上表现出更大的反应（图3）。观察到糊精和GOS之间有类似的、正的、不显著的相关性。菊粉和GOS没有观察到这种关系。尽管校正了个体间SCFA产生的基线差异，但这种模式是明显的，而且随着时间的推移，基线和治疗周之间也是一致的。

图3。比较多种益生元的丁酸盐浓度比例（Δ%butyrate）的个别变化

个人在SCFA代谢状态、微生物组成和SCFA生产潜力方面始终存在差异

为什么个体的影响可能比益生元的影响更强？结果观察到，随着时间的推移，个人的SCFA是特异性的。个人之间的SCFA的变化也可能与个体间的微生物群变化有关，这是益生元反应的一个著名因素。当将参与者分为'高'（>中位数）和'低'（<=中位数）粪便丁酸盐组时，观察到这种分组对微生物群落组成的显著影响。确定了三个特定的属，它们在各组之间的含量是不同的。Anaerofilum和Ruminiclostridium_5在高丁酸盐组减少，Lachnospira在高丁酸盐组增加。还观察到基线微生物群落结构与对所有三种益生菌（Δ%丁酸）的平均反应之间的关系。根据平均Δ%butyrate是正数还是负数，将参与者分为'响应者'和'非响应者'后，发现这种分组对微生物群组成有明显的影响。因此，个人的起始微生物群组成与益生菌治疗结果有关。

膳食纤维的基线摄入模式与益生元干预的反应负相关

下面分析哪些宿主因素可能影响个人的微生物组，并最终形成他们对测试的益生元的反应。这里专注于纤维摄入量，这已被证明可以塑造微生物群落组成和代谢输出。使用研究前一个月的饮食问卷来测量纤维消耗量，并将纤维摄入量与每个人对三种益生元干预的平均反应（平均Δ%butyrate）进行比较。尽管先前的研究表明，植物或纤维的摄入会增强肠道微生物的代谢能力，但比较显示，膳食纤维的消耗与平均Δ%butyrate呈负相关（图4A）。

图4。习惯性饮食、基线比例丁酸盐浓度和SCFA生产指标之间的关系

因此，在益生元干预期间，较高的习惯性纤维摄入与较低的平均Δ%butyrate有关。为了用客观的生物标志物来证实这些发现，将平均Δ%butyrate与基线点尿钾进行了比较，尿钾是水果和蔬菜摄入的一个已知标志，也是一般健康饮食的标志。验证了基线现货尿钾与膳食纤维摄入量相关。虽然发现基线现货尿钾和平均Δ%丁酸之间没有明显的相关性，但效果的大小和方向表明，如果有更大的样本量，统计关系可能是显著的。

证据表明基线SCFA代谢状态和饮食史限制了益生元的反应

为了理解为什么习惯性纤维摄入会与益生元反应呈负相关，考虑到最近的生态学研究表明，营养限制是塑造哺乳动物肠道微生物群代谢的一个关键因素。即使过量的纤维可供利用多糖的微生物使用，参与碳水化合物发酵的其他营养物质的可用性的固定上限也可能最终影响不同SCFA物种的相对生产。这种相对变化将由SCFAs的氧化状态的差异引起。乙酸盐是氧化程度最高的SCFA，倾向于在发酵过程中首先产生，而且数量较多。相比之下，丁酸盐是还原性最强的，也是对微生物来说能量最不利的主要SCFA。因此，整体SCFA生产的变化应该与丁酸盐比例的变化有关；而且，推而广之，那些自然消耗高水平纤维并已经激活SCFA生产途径的人，在益生元干预后，会表现出增加丁酸盐比例水平的能力下降。
有三个发现与代谢能力限制的阈值模型一致。首先，丁酸盐的起始比例浓度较高的个体表现出最弱的丁酸盐益生元反应(图4B）。在该研究中，没有参与者在益生元干预后最终表现出超过29mM的丁酸盐浓度。
将背景营养物质摄入和代谢限制联系起来的第二个发现涉及基线比例的丁酸盐浓度和习惯性饮食。在基线第1周，在任何益生元干预之前，膳食纤维消耗与比例丁酸盐浓度呈正相关，这一点以前已经提出。此外，使用一种生态学技术来确定多变量数据集之间的关系，称为co-inertia analysis，发现基线比例SCFA浓度和食物选择之间存在明显的相互作用。该分析涉及比较短链酸丰度的模式和匹配样本中的食物摄入量（图5A）。co-inertia analysis将几种富含纤维的食物组的摄入与基线比例丁酸盐浓度联系起来，包括豆类、浆果类水果和深绿色蔬菜（图5B、C中指向左上方的箭头）。

图5。基线SCFA与各组食物习惯性摄入量之间的关系

基于培养的实验证据将纤维摄入与微生物组代谢反应的限制联系起来

第3条实验证据，将习惯性营养物质摄入与微生物SCFA生产能力联系起来。我们假设，如果较高的基线纤维消耗降低了肠道微生物群从益生元中增加比例丁酸盐生产的能力，那么粪便微生物群的代谢活动将表现出与纤维摄入的负相关。为了测试这一假设，将最近开发的一个体外发酵模型应用于从每个研究参与者收集的基线粪便样本。该模型通过实验测试使用特定的益生菌作为唯一的额外碳源来补充微生物群落的代谢效果，不受SCFA吸收等潜在的混杂宿主因素的影响，并被证明对冷冻粪便的影响是稳健的。观察到，当体外试验中补充益生元作为唯一的碳源时，相对于对照组，整体SCFA的产生有所增加。当将SCFA的产生与纤维摄入量进行比较时，观察到纤维消耗与SCFA的产生之间存在预期的负相关关系（图4C）。还观察到，在不含益生元的对照处理中，纤维消耗和SCFA产生之间存在负相关。因此，在该队列中，倾向于吃更多的纤维的人也拥有肠道微生物群，当暴露于益生元时产生较少的SCFA。然而，我们注意到，当体外丁酸%与基线纤维消耗量比较时，没有观察到这种关系。这一负面结果可能反映了体外试验无法捕捉到影响体内益生菌挑战后不同SCFAs的相对生产的代谢权衡。

特定微生物属的一致生长支持个体特定的益生菌反应

接下来，利用体内外发酵，将特定的肠道细菌分类群与益生元反应联系起来。发酵24小时后，使用ALDEx2对28名参与者中的每一个补充益生元的培养物进行了微生物群落组成的检测，并与不添加碳水化合物的对照培养物进行了比较。该分析显示，在每种益生元干预中，有多个属的代表性过高或过低（图6）。

图6。肠道细菌分类群在补充益生元的体外发酵过程中的丰度变化

此外，在一种益生元处理中丰度不同的大多数菌属在其他益生元处理中也表现出类似的丰度差异。这一结果与之前的研究相一致，即能够降解多种膳食碳水化合物的纤维降解菌（'通才'）在肠道中含量丰富。事实上，与对照组相比，所有在两种或三种益生元处理中表现出保守的较高丰度的菌属（Collinsella、Faecalibacterium、Lachnospiraceae_UCG-005、Marvinbryantia和Ruminiclostridium）都是具有广泛特异性的普通膳食纤维的降解者。相比之下，在两个或三个益生元处理中表现出保守的较低丰度的属（Alistipes、Anaerofilum、Flavonifractor、Holdemania和Parabacteroides），不知道有报告将它们与菊粉、糊精或GOS的降解联系起来，只有Parabacteroides被证明可以降解任何膳食纤维。但注意到，在体内数据中并没有观察到上述菌属与益生元反应有关。这样的发现表明，体外检测没有捕捉到的其他行为或生活方式因素有助于人类微生物组对益生元反应的变化。
总的来说，体外选择的细菌分类群对益生元添加的一致反应进一步支持了这样的结论：对一系列益生元的反应将与个人特定的因素如肠道微生物群落组成有关。

总结

这项研究提供的证据表明，一个人对益生元治疗的反应可能是可以从饮食和粪便中SCFA的基线浓度中预测的。文章作者强调，不认为这些预测应该被用来改变那些通常消耗高水平的纤维或粪便中SCFA浓度较高的人的饮食。大量的证据支持高纤维饮食和充足的微生物SCFA产生的好处。相反，作者认为这项研究结果支持以个人选择为重点的个性化微生物群治疗策略。以前关于益生元反应的工作主要使用平行设计的人类研究，这不允许分析不同益生元的个体化反应。在这里，首次表明，至少在某些对益生元中，个体内的反应是相关的，而且平均反应与宿主因素相关。正在进行的优先排序工作被用来确定最有可能对微生物群导向的和微生物群依赖的疾病疗法有反应的病人，也在探索加强益生元疗法。在这里的研究表明，这种个性化益生元补充的努力可以依靠饮食史和粪便代谢物水平作为治疗结果的信息性和非侵入性的生物标志物。