膳食干預(yù)腸道菌群預(yù)防代謝性疾病

膳食干預(yù)腸道菌群預(yù)防代謝性疾病

DietaryModulationofGutMicrobiotaforPreventivemanagementofMetabolicDiseases趙立平LipingZhao上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院上海系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究中心ShanghaiJiaoTongUniversityHumanSuperorganisms

正確認(rèn)識(shí)自己的身體－“超級(jí)生物體〞諾貝爾獎(jiǎng)得主-里德伯格,Science2000JoshuaLederbergNobelLaureate1958人體內(nèi)生活著1-2公斤細(xì)菌90%在腸道里人體的細(xì)胞組成10%人細(xì)胞+90%細(xì)菌細(xì)胞人體的基因組成2.5萬(wàn)個(gè)人的基因3百多萬(wàn)個(gè)微生物基因豐富而活潑的代謝活動(dòng)腸道菌群——人體后天獲得的“第二個(gè)基因組〞GutMicrobiota-Secondgenomeacquiredafterbirth食品藥品人基因組腸道微生物組健康疾病體質(zhì)亞健康先天遺傳后天養(yǎng)成“慢性病的腸道起源〞

“人體系統(tǒng)生物學(xué)方法〞慢性病的腸道起源

GutOriginofChronicDiseasesIIyaMechnikovNobelLaureate1908“Laterhetookupthestudyofthefloraofthehumanintestineanddevelopedatheorythatsenilityisduetopoisoningofthebodybytheproductsofcertainofthesebacteria.Topreventthemultiplicationoftheseorganismsheproposedadietcontainingmilkfermentedbybacilliwhichproducelargeamountsoflacticacidandforatimethisdietbecamewidelypopular.〞-:///Symbiosisvs.Dysbiosis“糞毒入血，百病蜂起〞——中醫(yī)觀念“Fecaltoxinsintobloodstreamwillleadtoallkindsofdiseases〞——ConceptfromTraditionalChineseMedicine(TCM)細(xì)胞毒素、遺傳毒素、免疫毒素-肝腸循環(huán)-腸屏障受損腸道菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)與代謝綜合征Cani,2021腸道菌群控制能量代謝基因表達(dá)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、系統(tǒng)性的慢性炎癥

慢性炎癥與衰老和老年病的關(guān)系

InflammationandAge-relatedDiseases代謝性疾病Endotoxin-themostcommonimmunotoxin

內(nèi)毒素-最常見(jiàn)的免疫毒素內(nèi)毒素MolecularInflammationinducedbyendotoxin

內(nèi)毒素誘導(dǎo)的分子炎癥

Inflammationinducedbydiet-disruptedgutmicrobiota

菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)誘發(fā)慢性炎癥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動(dòng)脈粥樣硬化先天性胰島素抵抗動(dòng)物實(shí)驗(yàn)高脂飼料植物飼料敲除鼠壞基因植物飼料

對(duì)照鼠好基因高脂飼料

兩種基因X兩種飼料飼喂6個(gè)月壞食物好食物壞食物好食物FoodintakeGlucoseToleranceTest

GrowthCurvePhenotypeData好基因+壞食物病得最重！

Dietisshapinggutmicrobiota

飲食決定腸道菌群結(jié)構(gòu)，基因作用很小Wt/NC野生型/植物飼料Apoa-Ⅰ-/-/NC敲除鼠/植物飼料Wt/HFD野生型/高脂飼料Apoa-Ⅰ-/-/HFD敲除鼠/高脂飼料新一代革命性測(cè)序技術(shù)15100臺(tái)老一代測(cè)序儀<1個(gè)技術(shù)員，1臺(tái)新設(shè)備NATUREMETHODS，16|VOL.5NO.1|JANUARY2021%ofTotalSequences

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

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

*雙歧桿菌-有益菌正硫酸鹽還原菌-有害菌邪C57BL/6mice動(dòng)物實(shí)驗(yàn)Wild-typeC57BL/6mice雄性高脂飼料(HFD)60%fat低脂飼料(LFD)10%fatHFD吃飽30

HFD,Ex吃飽+鍛煉30

HFD,CR

七成飽30LFD吃飽30LFD,Ex吃飽+鍛煉30LFD,CR七成飽308889131073712800958LFD,CR3.54年vs.HFD2.36年最高壽命可延長(zhǎng)50%Dietmodulationoflifespan

膳食改變壽命Midlifegutmicrobiotaandhealthstates

中年菌群結(jié)構(gòu)與健康指標(biāo)的關(guān)系HFD/HFD,ExLFD/LFD,Ex/HFD,CRLFD,CR與壽命相關(guān)的細(xì)菌種類脂多糖結(jié)合蛋白-

連接抗原載荷量和宿主炎性反響的生物標(biāo)識(shí)物保持健康的關(guān)鍵:

減少腸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營(yíng)養(yǎng)干預(yù)下的菌群變化-20246810121416182022weeks體重與糖耐量的變化NormalChowDietHigh-fatDietNormalChowDietNormalChowDietUniFracAnalysis菌群的變化軌跡脂多糖結(jié)合蛋白LBP在營(yíng)養(yǎng)干預(yù)下的變化脂多糖結(jié)合蛋白-

連接抗原載荷量和宿主炎性反響的生物標(biāo)識(shí)物保持健康的關(guān)鍵:

減少腸道里的毒素和抗原的量腸道菌群成為預(yù)防和治療代謝性疾病的新靶標(biāo)滿足人體營(yíng)養(yǎng)需要維持菌群結(jié)構(gòu)平衡

通過(guò)膳食或者藥物干預(yù)

↑保護(hù)腸屏障的細(xì)菌;丁酸鹽產(chǎn)生菌

↓毒素產(chǎn)生菌TCMstatesthatFOODSandDRUGSareofthesamesource中醫(yī)養(yǎng)生藥食同源培根固本-加固腸壁扶正祛邪-增加益菌抑制病菌清熱解毒-消除炎癥脾胃乃后天之本-第二基因組的所在地丹田與命門GateofLIFE以腸道菌群為靶標(biāo)的代謝綜合征膳食干預(yù)23周實(shí)驗(yàn)周期前9周——營(yíng)養(yǎng)干預(yù)后14周——維持

微生物代謝教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2005年12月體檢數(shù)據(jù)的變化〔2005.12vs.2021.06〕893.3136/88841.444.63.320.95腰圍〔尺〕70.52.6108/67660.793.51.871.27血壓〔mmHg〕心率〔次/分〕體重〔kg〕甘油三酯〔mmol/L〕總膽固醇〔mmol/L〕高密度脂蛋白〔mmol/L〕低密度脂蛋白〔mmol/L〕體重〔kg〕89體重〔kg〕體重控制過(guò)程中菌群的結(jié)構(gòu)變化040708

010.910.3011.27

90kg80kg73kg抗炎、抗氧化、產(chǎn)丁酸鹽細(xì)菌含量升高BMI30BMI26.5BMI24膳食纖維Faecalibacterium

丁酸鹽

氫氣極重度肥胖癥患者的病例研究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以腸道菌群為靶標(biāo)的慢性病早期營(yíng)養(yǎng)干預(yù)-30天0天4周9周13周18周23周干預(yù)期

維持期

基線〔n=163〕〔n=123〕〔n=101〕〔n=93〕123位合格志愿者BMI>30，中心型II度肥胖癥患者〔F:M=69:54〕WHO中國(guó)臨床試驗(yàn)注冊(cè)中心通過(guò)倫理審查并注冊(cè)，注冊(cè)號(hào)為ChiCTR-TRC-00000353菌群參與代謝性疾病開展的分子過(guò)程保護(hù)腸屏障的細(xì)菌種群水平下降，條件致病菌的種群水平上升；腸道的通透性上升；血液中的細(xì)菌抗原載荷量升高；炎性水平升高；胰島素抵抗出現(xiàn)；血糖、血脂、血壓調(diào)控機(jī)制受損。相關(guān)分子標(biāo)示物的使用菌群結(jié)構(gòu)的454高通量測(cè)序分析腸屏障功能檢查乳果糖〔lactulose〕尿中排泄率／甘露醇〔mannitol〕尿中排泄率比值法血液中的細(xì)菌抗原載荷量脂多糖結(jié)合蛋白LBP的濃度測(cè)定炎性水平測(cè)定C反響蛋白CRPIL-1β、IL-6、TNF-α和脂聯(lián)素胰島素抵抗測(cè)定空腹胰島素穩(wěn)態(tài)模型的胰島素抵抗指數(shù)〔HOMA-IR〕=空腹胰島素〔IU/L〕×空腹血糖〔mmol/L〕/22.5?？崭寡翘腔t蛋白甘油三酯總膽固醇高密度脂蛋白低密度脂蛋白血壓谷草轉(zhuǎn)氨酶丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶相關(guān)臨床標(biāo)示物的使用保護(hù)腸屏障的細(xì)菌增加

條件致病菌下降*****

*腸屏障功能P-values<0.05*P-values<0.01**脂多糖結(jié)合蛋白〔LBP〕P-values<0.05*P-values<0.01**C反響蛋白〔CRP〕P-values<0.05*P-values<0.01**炎性因子P-values<0.05*P-values<0.01**糖穩(wěn)態(tài)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**血壓P-values<0.05*P-values<0.01**志愿者體重變化情況

Weight

BMI-30d9w23w

TimePoint-30d9w23w

TimePoint**

*

**

*

P-values<0.05Allvs.-30d

9wvs.23w*

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

23周:減重中位值6.9kg,最高20.3kg以菌群為靶點(diǎn)的健康監(jiān)測(cè)新技術(shù)腸道菌群結(jié)構(gòu)檢測(cè)腸屏障保護(hù)菌毒素、抗原產(chǎn)生菌腸道菌毒素檢測(cè)免疫毒性細(xì)胞毒性遺傳毒性腸屏障功能檢測(cè)血液抗原載荷量測(cè)定炎性反響檢測(cè)內(nèi)毒素結(jié)合蛋白C反響蛋白空腹胰島素樣品采集情況

StoolUrineBloodUrineforGutpermeabilitytestDunhuafangfirsttrial1611616968Dunhuafangsecondtrial70703030Coalcentralhospital287287123123Hepinghospital1961968484Total714714305305基于功能元基因組學(xué)的人體系統(tǒng)生物學(xué)分析ConcentrationPrimaryMoleculesSecondaryMoleculesResorptionDilutionFiltration1234567ppmhippurateureaallantoincreatininehippurate2-oxoglutaratecitrateTMAOsuccinatefumaratewatercreatininetaurineMetabo