科研 | Gut Microbes:肠道微生物参与肥胖期间食物偏好的改变

2021
09/26

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微生态
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编译:微科盟逍遥君,编辑:微科盟汤貝、江舜尧。

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导读
下丘脑对摄食的调节在肥胖期间发生改变。负责对食物摄入产生愉悦反应的多巴胺能中脑边缘系统也受到了影响。肠道微生物是导致肥胖的其他关键因素。因此,本研究探索了肠道菌群是否在导致肥胖的享乐食物摄入量改变中起因果作用。研究人员将瘦型或饮食诱导肥胖小鼠的粪便材料转移到受体小鼠中,并通过比较供体和受体小鼠对照组和可口饮食(HFHS、高脂高蔗糖)的摄入量来进行食物偏好测试,评估享乐性食物摄入量。  在食物偏好测试中,肥胖小鼠摄入的HFHS比瘦弱供体少58%(p<0.0001),表明肥胖期间享乐食物摄入失调。值得注意的是,肥胖期间进食引起的快感减少是可通过肠道菌群移植转移的,因为肥胖的肠道菌群受体小鼠在食物偏好测试中也表现出类似的HFHS摄入减少(与瘦的肠道菌群受体小鼠相比减少40%,p<0.01)。该效应与纹状体多巴胺能标志物表达变化的趋势一致相关。研究人员还发现了HFHS摄入量和Parabacteroides的丰度正相关(p<0.0001),这表明Parabacteroides可能是通过肠-脑轴参与享乐饮食摄入的潜在参与者。  本研究进一步证明了在这种模式中肠道微生物的关键作用,因为使用广谱抗生素消耗肠道菌群也改变了瘦弱小鼠的HFHS摄入量。总之,本研究发现肠道微生物调节食物偏好。本研究的数据表明,与肥胖相关的肠道菌群改变参与了食物摄入的奖励和享乐反应的失调。这些数据证明了肠道微生物可能是一个有趣的治疗靶点,以解决与肥胖相关的享乐障碍。

论文ID


 

名:Gut microbes participate in food preference alterations during obesity

肠道微生物参与肥胖期间食物偏好的改变

期刊:Gut Microbes

IF:10.245

发表时间:2021.8.23

通讯作者:Amandine Everard

通讯作者单位:比利时鲁汶大学鲁汶药物研究所


实验设计



结果


1 DIO供体小鼠享乐饮食发生改变
首先,研究人员分别给予10只供体小鼠低脂(CT)或高脂饮食(HFD)5周,分别诱导获得瘦或肥胖表型(饮食诱导肥胖,DIO)小鼠模型。和预期相似,研究人员发现与CT饮食小鼠相比,HFD饲喂小鼠体重增加了12%(图1a-b),脂肪增加了230%(图1c-d)。为了研究食物摄入的享乐成分,研究人员分析了这些老鼠中与美味食物摄入相关的快乐因素。
为了评估自发的享乐食物摄入,研究人员对供体小鼠进行了食物偏好测试。在测试中,小鼠首次暴露于享乐饮食(高脂高糖,HFHS)。在食物偏好测试中,供体小鼠在有光条件下给予HFHS和低脂对照饮食(CT),在三个小时内研究人员记录了每种饮食的摄取量(图1e)。研究人员发现,瘦小鼠和肥胖小鼠都更喜欢HFHS饮食,对HFHS的摄取量高于CT。然而,瘦小鼠对HFHS的倾向表现得更快。试验开始时,瘦小鼠就比CT小鼠摄入更多得HFHS,而DIO小鼠只在90分钟后才表现出对HFHS得喜爱。总体而言,DIO小鼠对美味饮食的吸引力显著下降,因为在食物偏好测试中,DIO小鼠食用HFHS的数量比瘦小鼠少58%(p<0.0001)(图1e)。
 

图1. 与瘦小鼠相比,肥胖小鼠对HFHS的食物偏好较低。瘦(Lean_do)和DIO(DIO_do)供体小鼠5周后的体重变化(a)和最终体重(b)。瘦(Lean_do)和DIO(DIO_do)供体小鼠的脂肪变化(c)和最终脂肪增加(d)。(e)食物偏好试验,显示瘦(Lean_do)和DIO(DIO_do)供体小鼠试验180分钟后HFHS和CT的总摄入量。数据以平均值±SEM展示,n=5/组。
 
2 肥胖肠道菌群移植改变了与肥胖相关的享乐饮食
为了研究肠道菌群在肥胖相关的享乐饮食失调中的因果作用,研究人员将2只瘦弱和2只肥胖供体小鼠的肠道菌群分别移植到7只和8只受体小鼠体内。在整个实验期间,所有受体小鼠都喂食相同的低脂对照饮食(图2a)。研究人员发现瘦弱和肥胖肠道菌群受体小鼠(分别为Lean_rec和DIO_rec)在体重(图2b-c)和脂肪增重(图2d-e)方面没有任何差异。然而,DIO肠道菌群受体小鼠随着时间的推移有脂肪量增加的趋势,在第64天出现统计学差异(图2d)。为了研究瘦弱和肥胖肠道菌群受体小鼠的能量代谢,研究人员还使用代谢室精确测量了O2的消耗和CO2的产生,但未观察到肥胖和瘦弱肠道菌群小鼠之间存在任何差异。这些结果表明,在粪便移植后,供体小鼠的肥胖表型并没有转移到受体小鼠的脂肪量和体重上。值得注意的是,粪便移植后肥胖表型的转移在文献中一直存在争议。
在整个试验过程中,瘦弱小鼠和肥胖小鼠的肠道菌群受体小鼠的对照饮食摄入量无显著差异,然而,在初次接触美味食物时,研究人员观察到了HFHS摄入量的明显差异(图2f)。瘦弱肠道菌群受体小鼠比DIO肠道菌群受体小鼠对HFHS表现出偏好所需时间更短。事实上,瘦弱肠道菌群受体小鼠在试验90分钟后摄入的HFHS显著高于CT饮食,而DIO肠道菌群受体小鼠HFHS和CT摄入量的差异仅在试验150和180分钟后才有显著差异。和供体小鼠一样,两个受体组也表现出对美味饮食的偏好,而不是CT饮食。值得注意的是,在DIO肠道菌群受体小鼠中,HFHS总摄入量比瘦弱肠道菌群受体小鼠低40%(p<0.01,图2f)。这些结果表明,瘦弱和DIO肠道菌群受体小鼠与其各自的菌群供体,在享乐性饮食行为方面表现出相似的模式,这种影响与肥胖发展或非享乐性喂养行为无关。值得注意的是,测试期间受体小鼠之间活动具有可比性,表明小鼠对这种高糖高脂肪的新型食物有类似的探索行为。综上所述,研究人员发现了肠道微生物群在与肥胖相关的享乐性食物行为改变中的因果作用。
 

图2. 受体小鼠在粪便移植后表现出与供体小鼠相似的享乐食物行为。(a)FMT的实验设计流程。瘦弱(Lean_rec)和DIO受体小鼠(DIO_rec)的体重增长(b)和最终体重(c)。瘦弱(Lean_rec)和DIO受体小鼠(DIO_rec)的脂肪量增加变化曲线(d)和最终脂肪量(e)。(f)食物偏好测试显示瘦弱(Lean_rec)和DIO受体小鼠(DIO_rec)测试180分钟后的总HFHS和CT摄入量。数据以平均值±SEM展示,n=7-8/组。
 
3 纹状体中的多巴胺能标记物表明DIO受体小鼠的食物奖励系统功能低下
与可口食物摄入相关的愉悦感主要由中皮质边缘系统中的多巴胺能通路驱动。事实上,摄入富含脂肪和糖的饮食已被证明与纹状体中多巴胺的释放有关,与自述的饮食带来的快感水平成正比。多巴胺受体1和2(D1R和D2R)是奖励系统中表达最多的多巴胺受体,科学文献描述了在人类和啮齿动物肥胖的情况下这些受体会发生下调,这反过来又和与可口食物摄入相关的愉悦感降低有关。由于肥胖肠道微生物群的移植复制了与肥胖相关的食物偏好(图2f),那么这是否与多巴胺能标记物的改变有关。因此,研究人员通过qPCR研究了受体小鼠纹状体中多巴胺能标志物的表达。
研究结果表明,在微生物群移植后,与瘦弱受体小鼠相比,尽管由于Lean_rec组的高变异性,致使未能通过统计阈值(p>0.05),但DIO受体小鼠纹状体中表达的D1R和D2R至少减少了60%(图3a-b)。与接受瘦弱菌群的小鼠相比,接受肥胖菌群的小鼠中酪氨酸羟化酶(TH,合成多巴胺的限速酶)的表达也降低了50%(p>0.05,图3c)。与这些结果一致,与Lean_rec相比,多巴胺转运蛋白(DAT,负责重新捕获释放的多巴胺)在DIO_rec中的表达上调了两倍(p>0.05,图3d),表明肥胖肠道微生物群移植小鼠的多巴胺能系统功能低下。值得注意的是,多巴胺能标记物表达的改变与动态活动的变化无关,这表明在纹状体中观察到的qPCR结果是特定于奖励系统而不是运动功能的。
除了纹状体中的多巴胺能系统,其他大脑区域也参与食物奖励,例如尾壳核、伏隔核和前额叶皮层。因此,研究人员进一步研究和分析了这些区域中多巴胺能标志物的mRNA水平。研究人员没有在这些大脑区域观察到瘦弱和肥胖肠道微生物群受体小鼠之间的任何差异,这表明瘦弱和肥胖肠道微生物群受体小鼠之间多巴胺能标志物表达的调节似乎是纹状体特有的。
 

图3. 肥胖肠道微生物群受体小鼠多巴胺能信号的改变。通过实时qPCR检测在瘦弱(Lean_rec)和DIO受体小鼠(DIO_rec)中多巴胺受体1(D1R)(a)、多巴胺受体2(D2R)(b)、酪氨酸羟化酶(TH)(c)和多巴胺转运蛋白(DAT)(d)的纹状体mRNA表达。数据以平均值±SEM展示,n=7-8/组。
 
4 将肥胖供体的粪便材料移植到瘦弱受体小鼠中是有效的
为了验证肠道微生物群移植的效率,研究人员使用16S rRNA测序分析了来自供体和受体小鼠盲肠内容物的细菌组成。研究人员在每次实验结束时,也就是食物偏好测试之后,比较了捐赠者和接受者之间的常见OTUs(图4a)。每个供体组的两只小鼠(CT喂养或HFD喂养)分别是7只Lean_rec和8只DIO_rec受体小鼠的供体,任意一只供体小鼠的粪菌材料用于3或4只受体小鼠。维恩图显示供体和受体之间OTU的高度相似性(超过50%),这证实供体肠道微生物群在受体肠道定植了(图4a)。
此外,如PCoA所示,根据主要成分PC2,肥胖供体和肥胖肠道受体小鼠的肠道微生物群与瘦弱供体和瘦弱肠道微生物群受体小鼠的肠道微生物群谱不同,根据主要成分PC2(图4b)。

图4. 受体小鼠的肠道菌群与供体小鼠的肠道菌群相似。(a)Venn图展示了供体(Lean_do和DIO_do)和受体(Lean_rec和DIO_rec)小鼠之间OTUs的相似性。(b)基于对操作分类单元(OTUs)的未加权UniFrac的主坐标分析(PCoA)。

 
5 Parabacteroides代表控制享乐食物摄入的肠-脑轴中的潜在联系
作为在肥胖背景下突出肠道微生物群与食物奖励系统之间潜在联系的初步分析,研究人员使用Spearman相关性来建立食物奖励系统的几个参数与肠道微生物群之间的关联。来自供体和受体小鼠的数据被合并以创建相关矩阵。热图显示18个OTUs与食物偏好测试期间测量的总HFHS摄入量相关(图5a)。此外,Peptococcaceae科未鉴定的属与D1R、D2R和TH的mRNA表达之间显著正相关(图5a)。然而,在使用FDR(错误发现率)方法校正多重比较后,只有 Parabacteroides 与HFHS摄入量保持高度正相关(图5b)。这表明小鼠肠内的Parabacteroides越多,它们在食物偏好测试期间吃的HFHS就越多。基于此,Parabacteroides可能代表肠道微生物群与享乐食物行为之间的潜在联系。
 

图5. 肠道微生物与多巴胺能标记物之间的相关性。(a)细菌组成和食物奖励模式的Spearman相关性热图。(b)FDR校正后的Spearman相关性。*p≤ 0.05。
 
6 肠道菌群的消耗会刺激瘦弱小鼠的进食快感
为了进一步研究肠道微生物群在食物奖励系统中的因果作用,研究人员通过使用抗生素混合物耗尽了小鼠的肠道微生物群。为此,使用了另一组小鼠,包括CT(Lean)和HFD(DIO)小鼠,并在5周内进行了跟踪。在每组中,一半的小鼠每天通过口服管饲法(Lean_AB和DIO_AB)接受抗生素混合物。每天通过口服管饲法向另一半(Lean_NaCl和DIO_NaCl)施用生理盐水。研究人员首先通过qPCR量化总细菌负荷来验证肠道微生物群是否耗尽。抗生素灌胃5天后,每组中99%的总细菌负荷被抑制。正如预测的那样,HFD喂养小鼠体重显着增加(图6a-b),并且脂肪量增加高于CT喂养的小鼠(图6c-d)。重要的是,抗生素治疗不会影响体重(图6a-b)或脂肪量增加(图6c-d)。
为了研究肠道菌群的消耗对奖励(愉悦)的“喜欢”成分的影响,研究人员进行了食物偏好测试(图6e)。在食物偏好测试期间,肥胖小鼠(DIO_NaCl)摄入的HFHS比瘦弱小鼠(Lean_NaCl)少76%(p<0.0001),这与在第一批小鼠中观察到的结果相似。这些结果证明了研究数据的可重复性及其有效性。研究人员还观察到,即使在用抗生素治疗后,DIO小鼠(DIO_AB)也表现出相同的行为,与补充了抗生素的瘦弱小鼠(Lean_AB)相比,DIO小鼠摄入的HFHS减少了84%(p<0.0001)。值得注意的是,该测试表明,从第一小时到测试结束,用抗生素(Lean_AB)处理的瘦弱小鼠比具有完整肠道微生物群(Lean_NaCl)的瘦弱小鼠摄入的HFHS更多(图6e)。这些结果首次表明,健康的肠道微生物群参与了对美味食物的快感反应,并且肠道微生物群组成的任何类型的改变都可能影响对食物的奖励反应。
 

图6. 抗生素治疗影响食物偏好和HFHS摄入量,且与体重和脂肪量积累无关。用抗生素(Lean_AB和DIO_AB)或生理盐水(Lean_NaCl和DIO_NaCl)处理的瘦弱小鼠和DIO小鼠的体重变化(a)和最终体重(b)。用抗生素(Lean_AB和DIO_AB)或盐水(Lean_NaCl和DIO_NaCl)处理的瘦弱小鼠和DIO小鼠的脂肪量增加曲线(c)和最终脂肪量增加(d)。(e)食物偏好测试显示用抗生素(Lean_AB和DIO_AB)或盐水(Lean_NaCl和DIO_NaCl)处理的瘦弱小鼠和DIO小鼠在测试180分钟后总HFHS和CT摄入量。数据以平均值±SEM展示,n=10/组。

图7. 这项研究首次证明了肠道微生物群在调节小鼠 食物摄入的奖励途径和享乐方面的作用。获得的数据还揭示了与肥胖相关的肠道微生物群改变对多巴胺能奖励系统失调和肥胖期间享乐食物摄入的因果作用。
 

讨论


本项研究研究人员从食物行为的角度提供了支持奖赏系统失调与肥胖相关的数据。在食物偏好测试中,肥胖小鼠对HFHS的偏好表现出了延迟,与瘦弱小鼠相比,它们吃的美味食物明显较少。这些结果表明,长时间食用高脂肪食物会导致食物奖励系统功能低下:对肥胖老鼠来说,美味食物是由于其享乐价值较低。在中皮层边缘系统中,这意味着多巴胺能系统的下调与体重和脂肪质量增加有关。在这项研究中,研究人员关注的是食物奖励中的“喜欢”成分,它与美味食物带来的愉悦感有关。然而,食物奖励还包括其他两个成分,在本研究中并没有研究,如“想要”(获得奖励的动机)和“学习”(将环境与美味食物摄入带来的愉悦联系起来的能力)。这两个其他成分可以通过行为测试进行评估,例如操作墙和条件位置偏好。
通过使用两种不同的方法,研究人员发现肠道菌群是食物摄入中享乐成分的一个活跃的调节器。事实上,本研究证明了将肥胖供体的肠道菌群移植到瘦弱的受体小鼠体内,复制了肥胖改变的享乐行为。此外,在食物偏好测试中,研究人员发现使用抗生素治疗的肠道微生物群消耗增加了美味食物的消费量。总之,研究人员发现,与肥胖期间的愉悦感相关的食物摄入量的变化,至少部分可由与肥胖相关的肠道微生物群的变化解释,而不是肥胖本身。事实上,肥胖小鼠的享乐行为改变可以通过肠道菌群移植转移到受体小鼠体内,但这与肥胖发展和高脂饮食无关,因为肥胖的肠道菌群受体小鼠与瘦弱的肠道菌群受体小鼠表现出相同的体重和相似的能量代谢。与瘦弱肠道菌群受体小鼠相比,肥胖肠道菌群受体小鼠的脂肪增重略有增加,但这对体重增长的影响可以忽略不计。尽管文献中的一些数据表明,肥胖表型可以通过肠道微生物群转移,但这一假设一直存在争议,因为饮食类型在脂肪质量增加和肥胖的发展中起着关键作用。微生物群分析显示供体小鼠和受体小鼠的肠道细菌组成高度相似,表明有效地移植了供体接种的肠道微生物群。
重要的是,Berthoud等人讨论的一个关键问题在科学文献中仍然存在争议;目前还不清楚是否奖赏功能的诱发差异导致暴饮暴食和体重增加,或者是否重复暴露或肥胖状态的二次效应改变奖赏功能通过对肥胖啮齿动物进行热量限制实验。他们证明,体重减轻导致蔗糖浓度-反应曲线的恢复,与瘦弱大鼠的曲线相似。他们得出的结论是,瘦弱鼠和肥胖鼠之间的大部分差异是由于肥胖状态的次级效应,而不是先前存在的奖赏处理差异。通过肥胖肠道菌群移植,本研究的数据表明,导致肥胖的肠道菌群改变有助于享乐性食物摄入的改变。因此,本研究对肥胖状态在Berthoud提出的享乐改变中的作用提供了新的见解。
除了肥胖肠道菌群受体小鼠的食物奖励系统失调的行为证据外,qPCR分析也提示了典型的肥胖期间纹状体水平的多巴胺能通路功能减退。与Lean_rec小鼠相比,DIO_rec小鼠所有多巴胺能标记物的合成和受体都减少了,而负责多巴胺再捕获的多巴胺转运体增加。虽然纹状体被认为是参与肠道诱导奖励的主要结构,但还有23个其他结构也参与了食物奖励系统。这些区域包括伏隔核、前额皮质和尾壳核。然而,本研究未观察到这些脑区多巴胺能标记物的表达有任何差异。因此,本研究的数据表明,瘦弱和肥胖肠道菌群受体小鼠多巴胺能标记物表达的调节是特定于纹状体的。除了多巴胺能系统,其他系统也参与了食物奖励。其中包括被鉴定为与美味食物引起的愉悦感有关的关键介质的吗啡类药物,这可能代表了在此背景下另一个有趣的研究方向。
食物偏好测试是研究肠道微生物与大脑奖赏系统联系机制的早期方法,本研究发现Parabacteroides属的丰度与摄入HFHS的数量之间显著正相关。这表明,Parabacteroides可能在驱动人们对高脂饮食而非CT饮食的偏好方面发挥潜在作用,并刺激人们摄入富含脂肪和糖的食物,反映出一种功能性食物奖励系统。在遗传肥胖小鼠和饮食诱导肥胖小鼠中,Parabacteroides distasonis已经被描述为一种防止体重增加的保护菌,并参与恢复肥胖相关的代谢紊乱,如肝脏脂肪变性和胰岛素抵抗。
本研究在食物偏好测试中使用HFHS,因为糖和脂肪遵循不同的肠道到大脑的路径,对纹状体多巴胺的释放有超添加效应。一方面,Han等人证明了脂肪通过PPARα依赖途径和迷走神经通知纹状体并诱导多巴胺释放;另一方面,糖诱导的纹状体多巴胺释放主要是由于肠道中糖的代谢,完成了门静脉传感器的信息。为了深入研究这种机制,Kaelberer等人已经证明肠道内分泌细胞能够与迷走神经沟通,以便将传入信息传递给大脑并刺激奖赏系统。因为我们的团队已经显示关键的相互影响肠道微生物群和肠内分泌细胞释放肽(GLP-1,PYY)调节食物摄入量,研究这些激素在肠道菌群和奖励系统间的交互作用中 扮演的关键媒介角色,将是一个有趣的观点。




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关键词:
微生物群,DIO,多巴胺,纹状体,肠道,食物,科研,饮食

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