膳食干预肠道菌群预防代谢性疾病

膳食干预肠道菌群预防代谢性疾病

DietaryModulationofGutMicrobiotaforPreventivemanagementofMetabolicDiseases赵立平LipingZhao上海交通大学生命科学技术学院上海系统生物医学研究中心ShanghaiJiaoTongUniversityHumanSuperorganisms

正确认识自己的身体－“超级生物体〞诺贝尔奖得主-里德伯格,Science2000JoshuaLederbergNobelLaureate1958人体内生活着1-2公斤细菌90%在肠道里人体的细胞组成10%人细胞+90%细菌细胞人体的基因组成2.5万个人的基因3百多万个微生物基因丰富而活泼的代谢活动肠道菌群——人体后天获得的“第二个基因组〞GutMicrobiota-Secondgenomeacquiredafterbirth食品药品人基因组肠道微生物组健康疾病体质亚健康先天遗传后天养成“慢性病的肠道起源〞

“人体系统生物学方法〞慢性病的肠道起源

GutOriginofChronicDiseasesIIyaMechnikovNobelLaureate1908“Laterhetookupthestudyofthefloraofthehumanintestineanddevelopedatheorythatsenilityisduetopoisoningofthebodybytheproductsofcertainofthesebacteria.Topreventthemultiplicationoftheseorganismsheproposedadietcontainingmilkfermentedbybacilliwhichproducelargeamountsoflacticacidandforatimethisdietbecamewidelypopular.〞-:///Symbiosisvs.Dysbiosis“粪毒入血，百病蜂起〞——中医观念“Fecaltoxinsintobloodstreamwillleadtoallkindsofdiseases〞——ConceptfromTraditionalChineseMedicine(TCM)细胞毒素、遗传毒素、免疫毒素-肝肠循环-肠屏障受损肠道菌群结构失调与代谢综合征Cani,2021肠道菌群控制能量代谢基因表达Backhed,F.,etal.,Thegutmicrobiotaasanenvironmentalfactorthatregulatesfatstorage.ProcNatlAcadSciUSA,2004.101:15718-15723.Backhed,F.,etal.,Mechanismsunderlyingtheresistancetodiet-inducedobesityingerm-freemice.ProcNatlAcadSciUSA,2007.104:979-984.Turnbaugh,P.J.,etal.,Anobesity-associatedgutmicrobiomewithincreasedcapacityforenergyharvest.Nature,2006.444(7122):p.1027-1031.Turnbaugh,P.J.,etal.,Diet-inducedobesityislinkedtomarkedbutreversiblealterationsinthemousedistalgutmicrobiome.CellHostMicrobe,2021.3:213-223.JefferyGordon

肥胖糖尿病炎性衰老

低度、系统性的慢性炎症

慢性炎症与衰老和老年病的关系

InflammationandAge-relatedDiseases代谢性疾病Endotoxin-themostcommonimmunotoxin

内毒素-最常见的免疫毒素内毒素MolecularInflammationinducedbyendotoxin

内毒素诱导的分子炎症

Inflammationinducedbydiet-disruptedgutmicrobiota

菌群结构失调诱发慢性炎症Cani,P.D.,Amar,J.,Iglesias,M.A.,Poggi,M.,Knauf,C.,Bastelica,D.etal.(2007a)Metabolicendotoxemiainitiatesobesityandinsulinresistance.Diabetes56:1761-1772.Cani,P.D.,Neyrinck,A.M.,Fava,F.,Knauf,C.,Burcelin,R.G.,Tuohy,K.M.etal.(2007b)Selectiveincreasesofbifidobacteriaingutmicrofloraimprovehigh-fat-diet-induceddiabetesinmicethroughamechanismassociatedwithendotoxaemia.Diabetologia50:2374-2383Cani,P.D,etal.,(2021)Changesingutmicrobiotacontrolmetabolicendotoxemia-inducedinflamationinhigh-fatdiet-inducedobesityanddiabetesinmice.Diabetes57:1470-1482Cani,P.D,etal.,(2021)ChangesingutmicrobiotacontrolinflammationinobesemicethroughamechanisminvolvingGLP-2-drivenimprovementofgutpermeability.Gut58:1091-1103Apoa-1knock-outmouse

Apoa-1基因敲除鼠C57BL/6miceApoa-1基因敲除Apoa-1-/-

mice敲除小鼠Apoa-lgene的策略

(Williamson,1992,PNAS)ApolipoproteinA-Ⅰ高密度脂蛋白水平低易感动脉粥样硬化先天性胰岛素抵抗动物实验高脂饲料植物饲料敲除鼠坏基因植物饲料

对照鼠好基因高脂饲料

两种基因X两种饲料饲喂6个月坏食物好食物坏食物好食物FoodintakeGlucoseToleranceTest

GrowthCurvePhenotypeData好基因+坏食物病得最重！

Dietisshapinggutmicrobiota

饮食决定肠道菌群结构，基因作用很小Wt/NC野生型/植物饲料Apoa-Ⅰ-/-/NC敲除鼠/植物饲料Wt/HFD野生型/高脂饲料Apoa-Ⅰ-/-/HFD敲除鼠/高脂饲料新一代革命性测序技术15100台老一代测序仪<1个技术员，1台新设备NATUREMETHODS，16|VOL.5NO.1|JANUARY2021%ofTotalSequences

ApoA-Ⅰ-/-highfatdietApoA-Ⅰ-/-normalchow

Wild-typehighfatdietWild-typenormalchow**P<0.01*P<0.05**

*双歧杆菌-有益菌正硫酸盐还原菌-有害菌邪C57BL/6mice动物实验Wild-typeC57BL/6mice雄性高脂饲料(HFD)60%fat低脂饲料(LFD)10%fatHFD吃饱30

HFD,Ex吃饱+锻炼30

HFD,CR

七成饱30LFD吃饱30LFD,Ex吃饱+锻炼30LFD,CR七成饱308889131073712800958LFD,CR3.54年vs.HFD2.36年最高寿命可延长50%Dietmodulationoflifespan

膳食改变寿命Midlifegutmicrobiotaandhealthstates

中年菌群结构与健康指标的关系HFD/HFD,ExLFD/LFD,Ex/HFD,CRLFD,CR与寿命相关的细菌种类脂多糖结合蛋白-

连接抗原载荷量和宿主炎性反响的生物标识物保持健康的关键:

减少肠道里的毒素和抗原的量C57BL/6J

mice（male,10weeks）GroupA(n=10)NormalChow（fat5.2%）

22weeksGroupB(n=10)Highfatdiet（fat34.9%）12weeksGroupB（n=9)NormalChow（fat5.2%）10weeksC57BL/6mice营养干预下的菌群变化-20246810121416182022weeks体重与糖耐量的变化NormalChowDietHigh-fatDietNormalChowDietNormalChowDietUniFracAnalysis菌群的变化轨迹脂多糖结合蛋白LBP在营养干预下的变化脂多糖结合蛋白-

连接抗原载荷量和宿主炎性反响的生物标识物保持健康的关键:

减少肠道里的毒素和抗原的量肠道菌群成为预防和治疗代谢性疾病的新靶标满足人体营养需要维持菌群结构平衡

通过膳食或者药物干预

↑保护肠屏障的细菌;丁酸盐产生菌

↓毒素产生菌TCMstatesthatFOODSandDRUGSareofthesamesource中医养生药食同源培根固本-加固肠壁扶正祛邪-增加益菌抑制病菌清热解毒-消除炎症脾胃乃后天之本-第二基因组的所在地丹田与命门GateofLIFE以肠道菌群为靶标的代谢综合征膳食干预23周实验周期前9周——营养干预后14周——维持

微生物代谢教育部重点实验室2005年12月体检数据的变化〔2005.12vs.2021.06〕893.3136/88841.444.63.320.95腰围〔尺〕70.52.6108/67660.793.51.871.27血压〔mmHg〕心率〔次/分〕体重〔kg〕甘油三酯〔mmol/L〕总胆固醇〔mmol/L〕高密度脂蛋白〔mmol/L〕低密度脂蛋白〔mmol/L〕体重〔kg〕89体重〔kg〕体重控制过程中菌群的结构变化040708

010.910.3011.27

90kg80kg73kg抗炎、抗氧化、产丁酸盐细菌含量升高BMI30BMI26.5BMI24膳食纤维Faecalibacterium

丁酸盐

氢气极重度肥胖症患者的病例研究TimePoint0d4w9w13w18w23wchangeWeight（kg）174.9160.4144.8137128.7123.551.4BMI58.7853.9048.6644.6643.2541.5017.2860.5kglostafter6months15kglostafter1monthBloodparametersandinflammationfactorsParameter0d(174.9kg)9w(144.8kg)23w(123.5kg)NormalrangeWeightloss(kg)030.151.4____Fastinginsulin（uIU/mL）58.725.8236.0-27.0Fastingglucose（mmol/L）8.954.765.43.90-6.10C-reactiveprotein（mg/L）10.0--10.0Triglyceride（mmol/L）2.681.721.180.00-1.70Totalcholesterol（mmol/L）5.534.644.783.00-5.17HDL-cholesterol（mmol/L）0.890.70.82>0.91LDL-cholesterol（mmol/L）3.423.153.420.00-4.16bloodpressure（mmHg）100/140

80/12075/120

80/120Aspartateaminotransferase（U/L）122.0513110-47LBP(μg/ml)(I)8.132.445.76____IL-1beta(pg/ml)(I)0.090.110.07____IL-6(pg/ml)(I)6.564.392.72____Adiponectin(ng/ml)(A)1839.411925.634145.38____16SrRNAgeneV3-DGGEPattern

M0d4w9w13w18w23wPCA0d4w9w13w18w23wAbundancedistributionofpredominantphylotypesApathogenMetagenomicSequencing以肠道菌群为靶标的慢性病早期营养干预-30天0天4周9周13周18周23周干预期

维持期

基线〔n=163〕〔n=123〕〔n=101〕〔n=93〕123位合格志愿者BMI>30，中心型II度肥胖症患者〔F:M=69:54〕WHO中国临床试验注册中心通过伦理审查并注册，注册号为ChiCTR-TRC-00000353菌群参与代谢性疾病开展的分子过程保护肠屏障的细菌种群水平下降，条件致病菌的种群水平上升；肠道的通透性上升；血液中的细菌抗原载荷量升高；炎性水平升高；胰岛素抵抗出现；血糖、血脂、血压调控机制受损。相关分子标示物的使用菌群结构的454高通量测序分析肠屏障功能检查乳果糖〔lactulose〕尿中排泄率／甘露醇〔mannitol〕尿中排泄率比值法血液中的细菌抗原载荷量脂多糖结合蛋白LBP的浓度测定炎性水平测定C反响蛋白CRPIL-1β、IL-6、TNF-α和脂联素胰岛素抵抗测定空腹胰岛素稳态模型的胰岛素抵抗指数〔HOMA-IR〕=空腹胰岛素〔IU/L〕×空腹血糖〔mmol/L〕/22.5。空腹血糖糖化血红蛋白甘油三酯总胆固醇高密度脂蛋白低密度脂蛋白血压谷草转氨酶丙氨酸氨基转移酶γ-谷氨酰转移酶相关临床标示物的使用保护肠屏障的细菌增加

条件致病菌下降*****

*肠屏障功能P-values<0.05*P-values<0.01**脂多糖结合蛋白〔LBP〕P-values<0.05*P-values<0.01**C反响蛋白〔CRP〕P-values<0.05*P-values<0.01**炎性因子P-values<0.05*P-values<0.01**糖稳态P-values<0.05*P-values<0.01**血脂P-values<0.05*P-values<0.01**肝功能P-values<0.05*P-values<0.01**血压P-values<0.05*P-values<0.01**志愿者体重变化情况

Weight

BMI-30d9w23w

TimePoint-30d9w23w

TimePoint**

*

**

*

P-values<0.05Allvs.-30d

9wvs.23w*

*kgkg/m²84.980.478.031.830.129.09周:减重中位值4.5kg,最高15.5kg

23周:减重中位值6.9kg,最高20.3kg以菌群为靶点的健康监测新技术肠道菌群结构检测肠屏障保护菌毒素、抗原产生菌肠道菌毒素检测免疫毒性细胞毒性遗传毒性肠屏障功能检测血液抗原载荷量测定炎性反响检测内毒素结合蛋白C反响蛋白空腹胰岛素样品采集情况

StoolUrineBloodUrineforGutpermeabilitytestDunhuafangfirsttrial1611616968Dunhuafangsecondtrial70703030Coalcentralhospital287287123123Hepinghospital1961968484Total714714305305基于功能元基因组学的人体系统生物学分析ConcentrationPrimaryMoleculesSecondaryMoleculesResorptionDilutionFiltration1234567ppmhippurateureaallantoincreatininehippurate2-oxoglutaratecitrateTMAOsuccinatefumaratewatercreatininetaurineMetabo