肠道菌群引起肥胖的科学证据
来源:上海交大赵立平教授的科学网博客
博主(赵立平教授)按:2004年以来,随着国际上一系列的研究论文发表,肠道菌群与肥胖的关系逐步浮出水面,日渐清晰。现有证据表明,肠道菌群可以控制动物的脂肪代谢、引发全身性的低度慢性炎症,从而导致肥胖症和胰岛素抵抗的发生,而且这种致病作用远远大于动物自身基因缺陷对发病的贡献。另外,最新研究表明,饮食结构是决定肠道菌群组成的最重要的因素。因此,通过改变饮食结构,可以让引起肥胖、糖尿病、冠心病的菌群结构恢复正常,从而为预防、缓解甚至逆转这些疾病带来新的希望。本人试图对最重要的几篇论文进行解读,以帮助大家了解这些最新进展,为调理自己的身体,改善健康状况提供理论指导。其实这个工作最重要的是用数据表明:动物不需要基因缺陷就可以罹患非常严重的肥胖和胰岛素抵抗,其严重程度可超过某些有先天代谢性缺陷的动物。
一、肠道菌群是如何调节脂肪存储的
美国华盛顿大学(圣路易斯)的杰夫戈登教授领导的实验室是研究肠道菌群诱发肥胖的领先实验室之一。他们一系列的工作表明,肠道菌群作为一种“内化了的环境因子”,可以直接调控动物的脂肪合成与存储相关基因的表达,从而扭曲动物的能量代谢,使其向过度合成和存储脂肪的方向发展,最终导致肥胖的形成。
2004年,该研究小组在美国科学院院刊上发表论文(PNAS,101:15718)指出肠道菌群可以直接调控动物的脂肪代谢基因的活动。
他们主要是用无菌小鼠与普通有菌的小鼠做对比,来研究这个问题的。通过无菌接生、无菌环境饲养、并给予添加了维生素K(需要肠道菌群合成的维生素)等特殊养分的无菌饲料,就可以培育出无菌的动物品系。用这样的动物可以比较方便地研究菌群与宿主的互作关系,例如,可以比较无菌动物与有菌动物的差别,也可以把不同种类的细菌甚至各种复杂的菌群回接到无菌动物中,观察回接前后动物生理、代谢的变化等等,这样的研究对于搞清楚肠道菌群到底如何影响动物的健康很有帮助。戈登教授是美国科学院院士,他的实验室在用无菌动物研究菌群的作用方面处于世界领先地位。
他们发现,有菌动物与同龄、同性别的无菌动物对照相比,体内总脂肪含量高出42%,但是,有菌动物的饲料消耗量其实比无菌动物要少29%。也就是说,同样的动物,体内有菌的话,比没有菌的会吃得少,但体内脂肪积累的多。
无菌动物养到成年后,如果重新给肠道里接入正常动物的菌群,其体内总脂肪含量会比无菌时增加57%,但饲料用量反而减少27%。这个结果是用B6自交系做的。当用NMRI自交系做同样试验时,结果更加惊人:“有菌化”以后的小鼠比无菌时的体内总脂肪量增加90%,进食量减少31%。这些结果提示我们,肠道菌群有促进动物增加体内脂肪总量的作用,而且是在减少热量摄入的条件下做到这一点的。换言之,肠道菌群可以帮助动物更加高效的利用饲料来合成、储存更多的脂肪。
由于这种由肠道菌群促进的体脂肪增加不是因为热量摄入增加造成的,他们接下来就测定了动物的代谢活动情况,看这种体脂肪增加是不是因为动物的能量消耗减少引起的。结果发现不是这么回事。因为,无菌动物的代谢率比同样的有菌动物要低27%。也就是说,有菌动物比无菌动物代谢消耗大、吃得少,但是体内脂肪存储的反而多很多。这显然不符合“多吃,少运动,多余的热量变成脂肪存起来”的规律。另外,随着体脂肪含量的增加,空腹血糖水平升高,胰岛素抵抗也出现了。
为什么会这样呢?
他们猜测肠道菌群可能会直接干扰动物脂肪合成、存储有关的基因的表达活性,于是,他们进一步分析了肝脏和肠道内的基因表达的变化。结果发现,肠道菌群进驻无菌鼠的肠道后,
肝脏中与甘油三酯从头合成有关的两个关键酶的基因表达活性明显升高,一个叫乙酰辅酶A羧化酶(Acc1),另一个叫脂肪酸合酶(Fas),因此,肠道菌群的定植显然刺激了动物肝脏中的脂肪合成。
他们还观察到,肠道菌群可以促进动物对单糖的吸收。无菌动物与正常动物相比,小肠绒毛下面的毛细血管的量只有后者的一半,也就是说,肠道菌群的存在促进了小肠毛细血管的形成,当然有利于对糖类的吸收。另外,已经知道肠道菌群可以把膳食纤维转变成单糖,并进一步发酵成短链脂肪酸,这些都可以作为营养被动物吸收。因此,肠道菌群在动物活动量增加、进食量减少的情况下,竟然还能让动物体内脂肪总量显著的增加,这与它们分解更多本来动物不能利用的养分、促进血管形成、促进吸收、促进肝脏脂肪合成都有密切关系。
仅仅是促进吸收和合成,还不能很好的解释这种现象。
LPL是一种脂肪酶,它的活性升高,可以促进脂肪的积累。在肠道里有一个基因叫fiaf基因,编码LPL的抑制因子。也就是说,如果fiaf基因表达的话,LPL的活性就会受到抑制,脂肪积累就会减少。在无菌动物体内,断奶前后,fiaf基因开始表达,LPL活性受到抑制,脂肪就不能很好的积累。这就是无菌动物体内脂肪少的重要原因。但在有菌动物体内,戈登小组发现肠道内的fiaf基因会受到菌群的抑制,不能表达。这样,LPL就可以一直表达,促进脂肪的积累。这就是为什么有菌动物会大量积累脂肪的原因。他们用fiaf基因被破坏的敲除鼠做试验,结果无菌的fiaf敲除鼠与有菌鼠一样也开始积累脂肪了,说明菌群关闭fiaf基因是体内过量积累脂肪的关键。
他们发现,无菌小鼠用高糖、高脂的西方膳食是喂不胖的,fiaf基因在这中间起了很关键的作用,因为,fiaf敲除鼠用西方饮食就可以喂胖了。
综上所述,戈登小组提供的大量分子证据表明,肠道菌群可以直接调控动物的基因的表达,它们可以增强肝脏合成脂肪的基因的活性,同时关闭肠道里抑制脂肪积累的基因,结果,在用植物性饲料饲喂下,尽管有菌动物的代谢率更高,饲料的消耗量少很多,但它们比无菌动物体内的脂肪积累却增加50%甚至更多。这个工作提示我们,在菌群的干扰下,动物体内的能量代谢并不符合一般人认为的“吃得多,运动少,多余热量变成脂肪存起来”的肥胖的原因的解释。
二、肠道菌群是如何引起慢性炎症的
很久以来,医学界就注意到,肥胖、糖尿病、冠心病等患者的身体里有着全身性的、低度的慢性炎症。重要特征是他们的血液中几种重要的炎性因子浓度比一般人高。这些炎性因子是人的免疫细胞产生,用于破坏受感染的人体细胞,从而牺牲局部,保护整体的。因此,一般情况下,这些炎性因子只在受感染的部位浓度升高。但是,肥胖患者身体里,这些能破坏人体细胞结构和功能的炎性因子弥散在全身的血液中,对全身很多细胞构成威胁。例如,有一种炎性因子叫肿瘤坏死因子a(TNFa)。它的浓度升高,可以改变细胞的胰岛素受体的结构,让受体不能再感知血液中胰岛素的浓度信号,结果,当血糖升高,胰岛素浓度升高以后,这些细胞也不会从血液里吸收糖分,降糖就变得十分困难。这就是糖尿病的早期症状,叫胰岛素抵抗。因此,糖尿病等代谢性疾病的发生、发展,与炎性因子对人体细胞的持续破坏是分不开的。
虽然医学界对慢性炎症会引起代谢性疾病已经形成一定的共识,但是,对于慢性炎症的诱因却有着各种不同的解释,尚无普遍接受的定论。
2007年,法国医科院Cani、Burcelin等人与英国等国科学家合作,连续发表2篇论文(Diabete,56:1761;Diabetologia,50:2374),对肥胖症患者体内的慢性炎症的起因做了深入研究,得出结论:肥胖者体内的慢性炎症是肠道菌群结构失调引起的。
他们用小鼠模型做的这项研究。首先,他们用高脂饲料喂小鼠,结果发现,肥胖以后的小鼠血液中的内毒素浓度比吃正常饲料的健康对照鼠要高。内毒素是革兰氏阴性的致病细菌细胞壁的成分,也叫脂多糖。这些成分如果进入血液会刺激白细胞分泌炎性因子。
然后,他们把提纯的内毒素注射到吃正常饲料,本来不会胖的小鼠体内,结果,这些小鼠尽管吃的是低热量的饲料,却明显发胖,而且出现胰岛素抵抗。当然,这些小鼠体内的慢性炎症也有了。这个结果也说明,饲料的热量不一定是引起肥胖的原因,有了慢性炎症的刺激,吃低热量的饲料也会肥胖。
为了进一步证明内毒素引起的慢性炎症是肥胖和胰岛素抵抗出现的必备条件,他们有用CD14敲除鼠重复了这个实验。内毒素要刺激白细胞产生炎性因子,首先要与这些细胞上的受体结合,其中一个关键受体就是CD14。如果把CD14破坏了,白细胞就成了“瞎子”,无法感知血液中的内毒素了。他们发现,把内毒素注射给CD14敲除鼠,这些小鼠不能产生炎性反应,也就不会肥胖,不会产生胰岛素抵抗。因此,肠道内病菌产生的抗原是引起慢性炎症,进而引起肥胖和胰岛素抵抗的主要因素。
为什么肠道内的抗原量会增加?它们又是如何进入血液的呢?
他们用一种叫荧光原位杂交(FISH)的技术,对这些实验小鼠肠道菌群的组成进行了分析,结果发现,高脂饲料饲喂以后,肥胖小鼠肠道菌群的结构发生变化,一方面,一些有益的细菌例如双歧杆菌数量明显下降,另一方面,一些革兰氏阴性的病菌的数量却明显上升。由于受所用技术的限制,他们没有鉴定出到底具体是什么种类的病菌增加了。但是,这些结果提示我们,高脂饲料可以增加肠道内的病菌的数量,结果,也就增加了肠道内的抗原的总量。双歧杆菌是很有名的益生菌,长期、大量的研究发现,这些菌主要生长在肠粘膜上,形成一层生物膜,是肠屏障的正常组成部分,可以对肠道有很好的保护作用。如果这些细菌数量减少了,肠壁就会受到损伤,通透性就增加,也就是老百姓说的“肠子漏了”。“肠子一漏,粪毒入血”,当然会引起慢性炎症,最终导致慢性病的发生。
为什么吃高脂饲料会造成病菌增加、有益菌减少呢?
病菌一般都可以分解利用动物的组织获得营养。所谓高脂饲料,就是添加了很多动物油脂的饲料。这些动物性的营养成分进入大肠,就会滋养很多病菌出来,因此,病菌增加,抗原增加,也就不奇怪了。友好的细菌例如双歧杆菌之所以对人安全,长在我们的肠壁上也不会破坏我们的组织,是因为它们不能利用动物性的营养来生长。它们最擅长利用的是食物中我们消化不了的叫做膳食纤维的成分。如果饲料中的动物性营养太多,植物性营养不足,膳食纤维太少的话,有益菌因为营养不够就会慢慢减少,甚至被排空。取而代之的,就是那些能分解动物组织生长的病菌,当然会不停的破坏肠壁,使肠子变漏了。尽管肠子没有彻底穿孔,病菌进不到血里,但是,病菌释放出来的抗原例如内毒素是可以进入血液的。白细胞在血液里检测到抗原,会以为是病菌进来了。这是非常危险的败血症的信号,于是,白细胞就紧急启动,分泌炎性因子去对付并不存在的感染。于是乎,高浓度的炎性因子最终破坏的是动物的健康细胞,时间一久,就会造成一些重要机能的严重破坏,形成各种慢性病。
如果这个观点是正确的,增加肠道内的双歧杆菌等有益菌就可以保护肠屏障,减少进入血液
的抗原,从而减少慢性炎症,控制肥胖、糖尿病等疾病。
于是,他们又做了一个动物实验。他们在高脂饲料中添加了足够量的双歧因子(寡糖)。这些成分动物不能吸收利用,病菌也不能利用,只有双歧杆菌等有益菌才能利用。添加这些营养成分,可以维持双歧杆菌的数量不下降。因此,肠屏障功能会受到保护,病菌产生的抗原就进不到血里。实验结果与他们的预期是一致的,在高脂饲料中添加了双歧因子以后,尽管肠道内的病菌数量增加了,但是,由于双歧杆菌等保护肠屏障的有益菌数量没有下降,抗原进不到血里,不能刺激免疫细胞产生炎性因子,也就不会让动物肥胖和胰岛素抵抗。
这又是一个强有力的证据,表明高热量的饲料也不一定能让动物肥胖。关键是要有慢性炎症,而慢性炎症则是不合理的饮食结构破坏了肠道菌群的结构引发的。
三、饮食是如何改变肠道菌群的
肥胖是困扰人类健康的日益严重的重大公共卫生问题。最近,肥胖成为重症甲流高危因素的事实也让人们对这个问题更为关切。近年来国际上对肥胖症的病因研究提出了新的观点,认为不合理的饮食破坏肠道菌群结构,引起全身性的、低度的慢性炎症是导致脂肪过度积累并造成糖尿病、冠心病等疾病的主要诱因,同时,也会使患者对其他各种疾病的易感性提高例如结肠癌和重症甲流。
上海交通大学、中科院营养所和国家人类基因组南方中心的一项最新研究结果为这个新学说提供了新的有力的证据。他们把高密度脂蛋白基因被破坏、先天患有轻度糖尿病的小鼠与基因完好的对照小鼠,分别都饲喂植物性饲料和含有大量动物脂肪、模拟现代人的饮食结构的高脂饲料,一共有4组动物,分别是“好基因+好饲料;坏基因+好饲料;好基因+坏饲料;坏基因+坏饲料”,并用最新的高通量测序技术和模式识别方法分析了各组动物的肠道菌群结构变化。
结果发现,饮食是决定肠道菌群组成的主要因素。同样基因型的小鼠,植物饲料和高脂饲料喂养时,菌群结构相差约60%,饲养在植物饲料上的不同基因型的小鼠,菌群结构相差只有不到12%,饲养在高脂饲料上的两种小鼠的菌群结构差别则更小,几乎看不出来了。
该项目的主持人,上海交大赵立平教授指出,由于我们来不及消化和不能消化的食物最终会进入大肠,培养生活在那里的肠道菌群,因此,我们的饮食结构与肠道菌群组成关系就是最为密切的。通俗点说,吃什么饭,就养什么菌。
他们观察到,动物的肥胖、胰岛素抵抗等疾病症状的严重程度主要与高脂饲料的摄入量有关系。许多人可能会认为,在四组动物中,“坏基因+坏饲料”这个组合应该是病得最重的。但出乎意料的是,虽然最健康的是“好基因+好饲料”组合,但体重最高、胰岛素抵抗也最严重的组合是“好基因+坏饲料”。对比一下这些自由采食的动物的食物摄入总量,就会发现,“好基因+坏饲料”组合明显比“坏基因+坏饲料”组合摄入的高脂饲料多得多,换句话说,基因完好的动物“胃口很好”,吃的高脂饲料明显高于基因敲除鼠,这也就是“好基因”在“坏饲料”上病得更重的营养学原因。
为什么基因完好的动物在食用了大量的不健康的饲料后,会比基因有先天缺陷的动物病得还要重呢?
他们创新性地使用了一些多元统计方法,成功地鉴定出了可能与诱导动物肥胖关系最密切的细菌种类。
他们发现,长期食用大量高脂饲料,动物肠道中的有益菌,例如双歧杆菌数量会下降到检测
不出来的水平。已经有大量的报道指出,双歧杆菌等利用膳食纤维来生长的细菌可以保护动物的肠屏障功能,如果它们的数量下降,肠壁的通透性就会增加,也就是一般人说的“肠子就会漏了”。
长期食用大量高脂饲料引起的另一个变化是一些病菌的数量会增加。在本研究中,研究人员发现一种叫“硫酸盐还原菌”的病菌随着动物高脂饲料的摄入量的增加,其数量也增加很明显。例如,在“好基因+好饲料”组合中,这种细菌不到1%,而在病得最重的“好基因+坏饲料”组合中,这个病菌的数量也最高,达到约5%。硫酸盐还原菌本身是病菌,其细胞表面的一种大分子叫脂多糖,是一种“内毒素”,可以引起炎性反应。这种病菌还可以把硫酸盐还原成硫化氢。
赵立平教授指出,臭鸡蛋的臭气中的主要成份就是硫化氢,肥胖患者肠道排出的气体比较臭可能也与硫化氢多有关系。过量的硫化氢可以引起肠上皮细胞的基因突变,增加结肠癌的风险,也可以腐蚀肠壁,提高通透性,使更多的内毒素进入血液,引起慢性炎症。
这种慢性炎症只是病菌的抗原进入血液引起的,病菌其实并没有进去,但白细胞把血液中的抗原作为要发生败血症的信号,于是开始分泌对动物细胞有破坏作用的各种炎性因子。由于不存在局部的感染,这些炎性因子就会弥散在全身。这就意味着动物的免疫系统被扰乱,失去了目标,开始调转枪口攻击自身的细胞。在这种慢性炎症的长期打击下,最终会造成肥胖、糖尿病、冠心病等慢性病。
虽然还有不少分子机理的细节需要进一步阐明,这项研究从微生物群落生态学的角度,进一步丰富和发展了肠道菌群引起代谢性疾病的新理论,而且找到了与肥胖发生关系密切的具体的细菌种类,这些细菌具有成为新的治疗靶点的潜力。
由于饮食是决定肠道菌群组成的最重要的因素,而非动物的自身的基因。这就为使用饮食重建合理的菌群结构来预防、缓解、甚至逆转代谢性疾病奠定了理论基础。赵立平教授身体力行地去实践这种理论,他用中国药食同源的食品和一些新资源食品调理自己的菌群,成功的把体重从90公斤减少到70公斤,高血压、脂肪肝和慢性疲劳症等亚健康状况也全部恢复。他们正在进行大规模的营养干预人群试验,希望进一步完善这些方法,让更多的人受益。这项营养改变菌群引起肥胖的研究结果由“中法肠道元基因组国际合作项目资助”,已经发表在ISMEJournal的网络版上,这是国际微生物生态学会与自然出版集团联合出版的新刊物,刚刚获得影响因子=5.026,是微生物生态学领域最好的刊物,在126份生态学类期刊中排在第十位。
|
|
