科研 | 国人作品:食用油炸肉与肠道菌群和粪便代谢物的关系及其对葡萄糖稳态、肠道内毒素水平和系统性炎症的影响

2021
09/22

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微生态
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编译:微科盟繁星,编辑:微科盟汤貝、江舜尧。

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导读    
本试验旨在探究食用油炸肉对肠道菌群和粪便代谢物的作用,以及这些作用对宿主的葡萄糖稳态、肠道内毒素水平和系统性炎症的影响。将117名超重成年人随机分为两组。第一组(59人)每周提供四次油炸肉,第二组(58人)禁止食用油炸肉,同时在4周的实验中保持两组摄入的食物种类和营养成分一致。通过16S rRNA测序分析肠道菌群,通过口服葡萄糖耐量试验测定0、30、60和120分钟时的葡萄糖和胰岛素浓度,并测定粪便菌群-宿主共代谢物水平以及肠道内毒素和血清炎症生物标志物的水平。计算胰岛素的曲线下面积(AUC)、胰岛素生成指数(IGI)和肌肉胰岛素抵抗指数(MIRI)。结果发现:与对照组相比,食用油炸肉组的IGI值更低,但胰岛素AUC、MIRI、脂多糖(LPS)、TNF-α、IL-10和IL-1β水平较高(P<0.05)。食用油炸肉降低了肠道菌群的丰富度,以及毛螺菌科(Lachnospiraceae)和黄曲霉属(Flavonifractor)的丰度,同时增加了小杆菌属(Dialister多尔氏菌属(Dorea)和韦荣球菌属(Veillonella)的丰度(P FDR<0.05)。同时,食用油炸肉显著改变粪便代谢物谱,降低了3-吲哚丙酸、戊酸和丁酸的浓度,增加了肉碱和甲基戊二酸的浓度(P FDR<0.05)。这些共代谢物水平的变化与IGI和MIRI值以及LPS、FGF21、TNF-α、IL-1β和IL-10水平的变化显著相关(P<0.05)。这些结果表明,油炸肉通过影响肠道菌群和微生物宿主共代谢物来破坏葡萄糖稳态并增加肠道内毒素水平和系统性炎症。  

 

论文ID


 

名:The Association of Fried Meat Consumption With the Gut Microbiota and Fecal Metabolites and Its Impact on Glucose Homoeostasis, Intestinal Endotoxin Levels, and Systemic Inflammation: A Randomized Controlled-Feeding Trial

食用油炸肉与肠道菌群和粪便代谢物的关系及其对葡萄糖稳态、肠道内毒素水平和系统性炎症的影响

期刊:Diabetes Care

IF:19.112

发表时间:2021.7.12

通讯作者:孙长颢&韩天舒

通讯作者单位:哈尔滨医科大学公共卫生学院营养与食品卫生系


实验设计



结果


1 喂养试验过程及基线特征
在评估合格的150名参与者中,随机选择并分配130名参与者。在实验过程中,有7人退出对照组,6人退出油炸肉组,共117名参与者完成了研究。对照组与油炸肉组在人口统计学、膳食摄入量、人体测量学和生化指标的基线特征相似(均P>0.05)(表1)。
 
表1 参与者的基线特征(n=117)。


2 合规性评估
在干预期间,减少能量摄入,增加AHEI分值,并且保持两组之间相似的日常体力活动。两组的BMI、饱和脂肪酸、n-3脂肪酸、n-6脂肪酸、MeIQxPhIPAGEs的水平以及蛋白质的消化率在基线时相似。干预后,对照组的BMIAGEs水平降低,而n-3脂肪酸和蛋白质消化率的水平高于实验组(P<0.05)。
 
3 主要结局和次要结局的变化
在实验过程中,两组的HbA1cC肽变化率以及葡萄糖AUC没有显著差异(图1ABE),两组的IGI值均显著升高。然而,干预后对照组的IGI值显著高于实验组(29.7524.75 mU/mmol * 103P=0.006)(图1C)。同时,两组MIRI和胰岛素水平AUC值均显著降低,且对照组显著低于实验组(MIRI分别为0.821.67 mmol/min • μU * 10-5P=0.008;胰岛素水平分别为3310.52796.0 μU/mL • minP<0.001)(图1DF)。
基线时,实验组和对照组的肠道内毒素和系统性炎症生物标志物水平相似(图S4)。干预后,对照组的LPSLBP/sCD14TNF-αIL-1βIL-10水平显著(P<0.05)低于实验组,而FGF21水平显著(P<0.05)高于实验组(P<0.05)。两组的IL-2IL-4IL-8水平均显著降低,且无显著差异。
 

图1 主要结局在HbA1c (A)、C-肽 (B)、IGI (C)、MIRI (D)和葡萄糖AUC (E)和胰岛素AUC(F)方面的差异。P值是指生物标志物变化率不为0的差异。
 
4 亚组分析
45名参与者在参加试验前不常食用油炸食品。两组的基线特征相似(表S3)。子样本的结果与总样本的结果一致(图S5),这进一步说明主要结果和次要结果的差异是由于食用油炸肉造成的,而不是由于禁止食用油炸食品造成的。
 
5 肠道菌群和粪便代谢组学特征的变化

代表微生物群落丰富度的ACEChao1指数在两组中均显著增加,且对照组的ACE值高于实验组(图2AB)。此外,代表群落多样性的Shannon指数在两组中均显著增加,且两组之间没有显著差异(图2C)。此外,在干预最后,两组的肠道菌群整体组成在OTU水平上存在显著差异(R2=0.016P=0.041)(图2E)。菌群预测通路表明,两组的LPS生物合成蛋白(ko01005)、胰岛素抵抗(ko04931)、脂肪细胞因子信号通路(ko04920)和AMPK信号通路(ko04152)存在显著差异(图S6A)。在门水平上,两组的厚壁菌门(Firmicutes):拟杆菌门(Bacteroidetes)均有所降低,且对照组显著低于实验组(2.87±2.314.29±3.89P=0.02)(图S6B)。在属水平上,鉴定出五个有差异的细菌属(图2F)。与对照组相比,实验组的小杆菌属(Dialister多尔氏菌属(Dorea)和韦荣球菌属(Veillonella丰度更高,但毛螺菌科(Lachnospiraceae)和黄曲霉属(Flavonifractor丰度更低(所有P FDR<0.05)(图S7)。

在实验终点,两组粪便代谢物的总体组成之间存在差异(P=0.039)(图2K)。通过代谢物类别进一步分层分析发现,两组之间氨基酸和短链脂肪酸(SCFAs)的代谢物显著不同(P<0.001)(图S8AF)。个体代谢分析检测出肉碱、3-吲哚丙酸(IPA)、戊酸、丁酸和甲基戊二酸(MGA)。与对照组相比,实验组中肉碱和MGA显著增加,戊酸、丁酸和IPA显著减少(所有P FDR<0.05)(图2I-M)。

 

图2 肠道菌群和粪便代谢组学特征的变化。微生物群落丰富度由ACE(A)和Chao1指数(B)表示。通过Shannon指数(C)评估肠道菌群的群落多样性。D和E:在OTU水平上,干预前(D)和干预后(E)肠道菌群的总体组成。F:通过LEFSe确定的差异肠道属。G和H:干预前(G)和干预后(H)宿主和肠道菌群之间共代谢物的总体组成。I-M:两组之间粪便戊酸(I)、丁酸(J)、IPA(K)、肉碱(L)和MGA(M)的差异。使用Benjamini-Hochberg FDR调整鉴定的共代谢物差异的P值。

 
6 相关性分析
肠道菌群、粪便共代谢物水平和差异结果变量之间的相关性如图3所示。黄曲霉属丰度的变化与粪便中戊酸水平的变化呈正相关(r=0.226),而多尔氏菌属丰度的变化与粪便中戊酸水平呈负相关(r=0.336)。此外,小杆菌属(多尔氏菌属韦荣球菌属丰度的变化与粪便中肉碱水平的变化呈正相关(小杆菌属r=0.218多尔氏菌属r =0.395韦荣球菌属 r=0.314)(所有P<0.05)。
粪便中的戊酸、丁酸和IPA水平与胰岛素AUC(戊酸 r=-0.266,丁酸 r=-0.282)、MIRI值(丁酸 r=-0.243IPA r=-0.286)、LPS(丁酸 r=-0.198IPA r=-0.243)、TNF-α(戊酸 r=-0.204,丁酸 r=-0.352)均呈负相关。粪便MGA水平与IGI值呈负相关(r=-0.285),而与TNF-α水平呈正相关(r=0.310)。粪便肉碱水平与MIRI值(r=0.241)、LPSr=0.214)和LBP/sCD14r=0.238)水平均呈正相关(所有P<0.05)。
 

图3 肠道菌群、共代谢物以及葡萄糖稳态、肠道健康和表征炎症的生物标志物之间的相关性分析。红线和蓝线分别表示显著正负相关,灰线表示不显著相关;从亮到暗的线条颜色反映了相关系数的大小。FGF21,成纤维细胞生长因子21;LBP,脂多糖结合蛋白; sCD14 ,可溶性脂多糖受体CD14。

讨论


本研究发现食用油炸肉会影响肠道菌群组成和功能以及微生物宿主共代谢物,这与葡萄糖稳态受损有关,并且增加了超重年轻人的肠道内毒素和系统性炎症水平。此外,通过给小鼠灌胃进一步证明了与摄入油炸肉相关的代谢产物会对葡萄糖稳态产生影响。
尽管有前人研究摄入油炸食品与2型糖尿病风险之间的关系,但由于营养混杂因素不受控制,使这些研究结果并不一致。在本研究中,我们为参与者提供了等热量饮食,其AHEI得分>85,并且两组食物种类和营养成分保持一致。然而,我们仍然发现食用油炸肉参与者的葡萄糖稳态受损。据报道,高温烹饪是一种有效的糖基化促进剂,因此在许多油炸食品中发现了高含量的AGEs。之前的研究表明,高水平AGEs的饮食与胰岛素抵抗有关。尽管本实验的油炸温度受到严格控制,几乎没有产生芳香烃,但与这些研究一致,我们仍然发现油炸组参与者体内AGEs水平较高。
此外,实验组参与者的蛋白质消化吸收率较低。据报道,蛋白质的消化吸收率会影响肠道菌群。相应地,我们还发现实验组参与者肠道菌群的丰富度较低,且整体结构的肠道菌群在OTU水平也与对照组参与者不同,表明油炸肉的摄入对人体肠道菌群的选择性影响。菌群预测通路表明,与葡萄糖稳态相关的通路也发生了显著的变化。此外,2系统性炎症型糖尿病的经典生物标志物厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的比值在实验组显著高于对照组,这进一步说明了油炸肉摄入对葡萄糖稳态的影响。在属水平上,食用油炸肉降低了毛螺菌科(Lachnospiraceae)和黄曲霉属(Flavonifractor)的丰度。毛螺菌科在肠道稳态中起重要作用,可预防肥胖和胰岛素抵抗。黄曲霉属)是影响肠道健康的重要物种,其丰度与肥胖呈负相关。此外,实验组的小杆菌属多尔氏菌属韦荣球菌属丰度有所增加。小杆菌属(Dialister是一种病原菌,其丰度增加与体重增加有关。多尔氏菌属(Dorea丰度与肥胖呈正相关,在糖尿病前期患者中发现其丰度增加。
与肠道菌群结果一致,食用油炸肉也引起了粪便共代谢物的显著变化,尤其是短链脂肪酸和氨基酸代谢物。食用油炸肉显著降低了一些有益粪便代谢物的水平,如丁酸、戊酸和IPA,同时增加了一些有害的共代谢物的水平,如肉碱和MGA。这些有益或有害的共代谢物与葡萄糖稳态生物标志物水平呈负相关或正相关。丁酸是一种短链脂肪酸,对葡萄糖稳态的有益作用已在之前的研究中得到证实。因此,我们开展动物实验来检查其他已鉴定的共代谢物对葡萄糖稳态的影响,并进一步证明戊酸和IPA的有益作用,以及肉碱对葡萄糖稳态的有害影响。戊酸作为一种短链脂肪酸,可抑制氧化应激和神经炎症,并调节自噬途径。IPA可以降低血浆内毒素水平,食用富含IPA的饮食可以显著降低空腹血糖水平并改善胰岛素抵抗。肉碱可被氧化成 三甲胺 N-氧化物(TMAO),血浆中高浓度的TMAO与心血管疾病和糖尿病有关。
根据肠道菌群和共代谢物丰度变化之间的相关性,可确定对油炸肉敏感的重要细菌属。结果表明,油炸肉会降低黄曲霉属(Flavonifractor的丰度,增加小杆菌属(Dialister多尔氏菌属(Dorea韦荣球菌属(Veillonella的丰度,从而导致粪便中戊酸浓度降低和肉碱浓度增加。这些结果得到了先前研究的支持。有研究发现黄曲霉属(Flavonifractor可产生短链脂肪酸,且参与戊酸的代谢。高丰度的多尔氏菌属(Dorea会降低产短链脂肪酸细菌的丰度,从而降低粪便中包括戊酸在内的短链脂肪酸的浓度。此外,小杆菌属(Dialister)和韦荣球菌属(Veillonella参与宿主氨基酸代谢,也可通过介导肉碱的产生和代谢影响宿主TMAO水平。
本研究也有一定的局限性。首先,这项研究仅包括健康超重的年轻人,因为油炸食品在这一人群中很受欢迎,并且成年人在早期超重与成年人在后期患2型糖尿病概率较高有关。因此,阐明该类人群食用油炸食品与葡萄糖代谢之间的关系非常重要,这有助于制定早期预防2型糖尿病的饮食干预策略。但正因如此,本研究的发现可能不适用于其他人群。其次,粪便取样仅在基线和试验终点时进行。但多点采样有助于更全面地了解肠道菌群和代谢物的变化。第三,为了使AHEI评分>85,本研究只为参与者提供鱼和鸡,并严格控制油炸过程中的温度和持续时间,以限制有害物质的产生。通过这些方法,不能排除肉的类型和烹饪方法对结果产生影响的可能性,肠道菌群也可能受到一些当地环境的影响。第四,虽然之前的研究发现IGI和MIRI与M值具有很好的相关性,但作为金标准的高胰岛素-正常血糖钳夹并未用于测量胰岛素敏感性。因此,未来仍然需要对不同油炸条件、肉的种类以及实验地区的影响进行研究,并使用高胰岛素-正常血糖钳夹测量胰岛素敏感性,以提供更多关于油炸食品对健康影响的证据。
总之,油炸肉会通过影响肠道菌群和微生物-宿主共代谢物来破坏葡萄糖稳态并增加肠道内毒素水平和系统性炎症。


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关键词:
肠道菌群,代谢物,系统性,葡萄糖,炎症,肉碱,丁酸

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