Gut Microbes｜四川農業大學曹隨忠教授團隊揭示腸道菌群調控高酮血癥的新路徑
英文標題：Gut microbiota regulates hepatic ketogenesis and lipid accumulation in ketogenic diet-induced hyperketonemia by disrupting bile acid metabolism
中文標題：腸道菌群通過干擾膽汁酸代謝調控生酮飲食誘導的高酮血癥中的肝臟生酮和脂質積累
發表期刊：Gut Microbes
影響因子：11
客戶單位：四川農業大學
百趣提供服務：新一代代謝組學NGM 2 Pro
研究背景
生理性的酮癥或高酮血癥表現為血液中β-羥基丁酸(β-hydroxybutyrate, BHB)水平顯著升高。在能量負平衡或葡萄糖供應不足的情況下，脂肪酸在肝臟中通過生酮作用分解代謝，產生BHB，作為肝外組織的替代能源。BHB作為一種代謝信號分子，能夠正向調節線粒體代謝穩態、神經保護以及免疫系統功能。然而，肝臟生酮作用的紊亂與多種代謝疾病的進展存在密切關聯。
生酮飲食(Ketogenic Diet, KD)是一種極低碳水化合物、高脂肪的飲食模式，能夠誘導機體長期處于高血酮狀態。盡管KD在治療某些神經性疾病方面顯示出積極效果，但其對代謝健康可能產生不利影響，包括胰島素抵抗和肝臟脂質積累。此外，KD可能通過促進致病菌的定植，加劇腸道屏障功能障礙，且KD引起的腸道菌群組成變化與胰島素抵抗及肝臟脂質積累等代謝表型變化緊密相關。盡管飲食與腸道菌群相互作用的研究已得到證實，但共生菌在KD誘導的高酮血癥中對肝臟脂質代謝調控機制的研究尚不明確。
因此，本研究通過KD構建持續性高血酮小鼠模型，采用抗生素雞尾酒(Antibiotics, Abx)耗竭腸道菌群，以探究腸道菌群對肝臟生酮能力和脂質蓄積的影響。接著，利用糞菌移植(FMT)技術明確不同腸道菌群組成對持續性高酮血癥的調控作用，并整合生酮差異的腸道微生物組數據，篩選關鍵共生菌。最后，通過開展腸道共生菌體外培養和活菌干預試驗，深入探究腸菌對肝臟代謝穩態的調控機制。
研究結果
1、KD增加血液BHB水平和肝臟TAG積累
KD顯著提高小鼠血液中的BHB水平，而Abx預處理耗竭腸道菌群后，顯著降低了持續性高血酮小鼠的BHB水平（圖1a-b）。此外，KD顯著促進了肝臟TAG水平的累積（圖1c-e），其中腸道菌群與脂質蓄積程度存在顯著關聯。
圖1. 生酮飲食增強雌性C57BL/6J小鼠的生酮作用并促進肝臟TAG積累
2、KD影響腸道菌群多樣性和互作關系
KD可顯著改變腸道菌群結構的異質性和共現互作關系，其中厚壁菌門和擬桿菌門的相對豐度在KD處理下發生顯著變化（圖2）。KD飲食與Abx聯合處理后，腸道菌群多樣性顯著降低，互作關系也變得更加單一，這提示KD可能阻礙了腸道菌群的重塑。在不同處理組間，Akkermansia muciniphila和Clostridium perfringnes的相對豐度也發生了顯著變化。腸道菌群區系的改變顯著影響了肝臟膽汁酸代謝的穩態以及脂質代謝相關調控基因FXR、BDH1、DGAT2的mRNA表達。
圖2. 生酮飲食破壞腸道菌群重塑
3、腸道菌群促進持續性高血酮狀態下的肝臟生酮作用和TAG積累
為探討不同腸道菌群組成對高酮血癥的調控機制，FMT試驗結果顯示，以高酮血癥奶牛為供體的移植小鼠，其血液BHB和肝臟TAG水平顯著上升，且表現出明顯的胰島素抵抗現象（圖3）。盡管兩組FMT小鼠的總膽汁酸池大小無顯著差異，但高酮血癥FMT小鼠肝臟中FXR、BDH1和DGAT2的mRNA表達水平顯著高于健康FMT小鼠。
圖3. 移植不同奶牛供體的糞菌后，腸道菌群組成差異對小鼠表型及脂質代謝的影響
4、腸道菌群區系的改變與生酮作用差異有關
不同FMT小鼠腸道菌群組成和互作關系存在明顯差異，以Clostridium perfringens, Clostridium cocleatum, Escherichia coli和Muribaculum intestinale為主要差異的腸菌，其中Clostridium perfringens相對豐度的增加與臨床表型差異呈顯著正相關（圖4）。
圖4. 長期高酮血癥狀態下，與肝臟生酮作用及脂質積累相關的糞便菌群組成變化
5、Clostridium perfringens增強肝臟生酮能力和脂質蓄積
通過整合不同處理組間的差異腸菌及其相關性分析，發現Clostridium perfringens可能是調控高酮血癥的關鍵腸道共生菌。為明確其調控機制，我們對健康小鼠的糞便進行了體外培養，并鑒定該菌為A型Clostridium perfringens。活菌體內干預試驗結果顯示，Clostridium perfringens能顯著提高血液中的BHB和肝臟中的TAG水平，同時肝內FXR、HMGCS2、BDH1和DGAT2的mRNA表達也顯著上調（圖5）。
圖5. 產氣莢膜梭菌加劇肝臟生酮作用與脂質積累
6、Clostridium perfringens擾亂膽汁酸代謝以調控肝臟脂質代謝
基于肝臟和結腸內容物代謝組研究，發現Clostridium perfringens可顯著增加肝內BHB水平，但初級膽汁酸水平無顯著影響（圖6）。結腸中次級膽汁酸水平在干預后顯著增加，特別是12-ketoLCA水平的增加與肝臟和血液中BHB水平呈強正相關。
圖6. 產氣莢膜梭菌對次級膽汁酸代謝的作用
研究結論
生酮日糧可導致小鼠出現“糖源能量缺乏”并長期處于高血酮狀態，高血酮狀態下腸道菌群組成發生顯著改變且肝臟脂質沉積增強；此外，腸道菌群也影響持續性高血酮狀態下生酮作用和肝臟TAG蓄積，其中腸道共生菌Clostridium perfringens是關鍵調控菌，次級膽汁酸-FXR軸是腸菌影響宿主生酮作用的潛在靶向路徑，然而腸道菌群改變后加劇高血酮狀態下肝臟脂質蓄積的具體機制還需要未來更為深入的研究。
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END
Zen/Zhang 撰文
Peng 校稿
