文獻解讀 | 吃點抗性淀粉就能緩解非酒精性脂肪肝?
非酒精性脂肪性肝?。∟AFLD)是代謝功能障礙的一種肝臟表現,缺乏有效的干預措施。
2023年11月發表在Cell metabolism上的題為“Resistant starch decreases intrahepatic triglycerides in patients with NAFLD via gut microbiome alterations”的文章,通過為期4個月的隨機安慰劑對照臨床試驗,及宏基因組學和代謝組學的技術手段,研究了抗性淀粉(RS)作為微生物群導向膳食補充劑治療 NAFLD 的效果,結果數據證明RS膳食補充劑可能被作為通過改變腸道微生物群組成和功能來控制 NAFLD 的策略。
人源糞便樣本
小鼠模型
宏基因組
靶向代謝組
1.RS干預4個月可緩解中國成人NAFLD
作者共招募了200名非酒精性脂肪肝患者,并按1:1的比例隨機分配給他們服用為期4個月的高淀粉玉米2型RS或等能量供應的對照淀粉(CS)(圖1A)。經過四個月的干預后,與CS組相比,RS組中肝內甘油三酯含量(IHTC)顯著降低,體重和BMI也有所下降(圖1B-C),腹部MRI評估的內臟脂肪面積(VFAs)和皮下脂肪面積(SFAs)的減少程度在RS中明顯更高(圖1D-E)。
此外,RS干預后,丙氨酸氨基轉移酶(ALT)、天冬氨酸氨基轉移酶(AST)和γ-谷氨酰轉肽酶(GGT)明顯降低,這表明肝損傷得到了改善(圖1F-H)。血脂異常也在 RS 干預后得到緩解,表現為總膽固醇(TC)、甘油三酯(TG)、低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)和高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)的改善,而 CS 干預后則沒有這種變化。非酒精性脂肪肝生物標志物成纖維細胞生長因子 21(FGF21)在RS 組中有所降低(圖1I),脂多糖(LPSs)和其他炎癥標志物MCP-1,IL1β 和TNF-a也顯著降低(圖1J-M)。
總之,上述數據表明RS處理降低了NAFLD患者的 IHTC,改善了肝損傷和相關代謝紊亂,即使在調整體重減輕后也是如此。
圖1 RS干預4個月可緩解NAFLD
2.RS干預改變了NAFLD患者的糞便和血清代謝物
為了確認RS如何影響人類健康,作者在干預前后對RS組和CS組參與者的血清和糞便樣本進行了靶向代謝組學研究,分別測定了血清中的30 種氨基酸(AA)和26種膽汁酸(BA)以及糞便中的10 種短鏈脂肪酸(SCFA)和 18 種BA。結果表明,在整體代謝層面上,RS和CS對物質變化有不同的影響(圖2A)。在單個代謝物水平上,糞便中BA、血清中的BA和AA共有13種代謝物發生了顯著變化,糞便中的SCFA無顯著變化。其中,RS組中三種支鏈氨基酸(BCAA)(纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸)的血清水平都有所下降,有10種代謝物(包括纈氨酸、苯丙氨酸和α-氨基丁酸)在基線時沒有差異,但在干預結束時,RS 組和 CS 組之間有明顯差異。
與臨床參數之間的相關性分析表明,幾種代謝物與人類 IHTC 水平呈顯著正相關(丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸和酪氨酸)或負相關(氨基丁酸),BCAAs和一些BAs,包括血清牛磺膽酸(TCA)和血清甘氨膽酸(GCA)與三種非酒精性脂肪肝相關肝酶 ALT、AST 和 GGT 顯著相關,丙氨酸、a-氨基丁酸和纈氨酸的血清水平也與血清總膽固醇相關(圖 2C)
上述結果表明,RS干預可能會通過改變微生物代謝產物的水平,特別是人類宿主可用的AA庫和BCAA水平,對NAFLD患者產生有益的影響。
圖2 RS和CS干預4個月后糞便和血清代謝組學的變化
3.RS干預后腸道菌群的變化與NAFLD的緩解有關
為了研究微生物群的變化,作者對干預前后的參與者進行了糞便宏基因組檢測,結果表明,干預前后的RS組和CS組之間出現了多樣性上的顯著差異,RS組的α多樣性低于CS 組(圖3A-B)。數據分析結果確定了包括Bacteroides stercoris在內的物種,與CS干預相比,RS干預后Bacteroides stercoris的豐度明顯降低(圖3C)。隨后作者將所有重要細菌物種的豐度與一組臨床參數相關聯,并調整了與肥胖相關的測量值,以確定與非酒精性脂肪肝相關的關鍵物種(圖3C),發現 B. stercoris 與 IHTC、ALT 和 AST 呈正相關。菌群與代謝物的關聯結果中,Parabacteroides merdae在RS組中的豐度明顯低于CS組,它與多種代謝物的顯著相關性(大多為正)最高(圖3D)。被RS清除的腸道微生物B. stercoris與血清纈氨酸水平呈正相關,與IHTC、ALT、AST、GGT和TG也呈顯著正相關(圖 2C)
圖3 RS干預后腸道微生物群的組成變化與臨床表型的改善有關
4.RS影響的腸道菌群在移植后可減輕小鼠NAFLD
為了進一步確認RS誘導的腸道微生物變化與肝臟脂肪變性減輕之間的潛在因果關系,作者收集了受試者糞便樣本在小鼠模型上進行了糞菌移植實驗(圖4A)。與CS組相比,RS組降低了小鼠的體重和肝臟重量,血清中的FGF21水平明顯降低,脂肪組織中FGF21受體、共受體和脂肪連蛋白的表達增加,糖代謝也得到了改善,尤其是胰島素敏感性顯著提高。組織學評估表明,RS組的糞菌移植后,FMT后肝脂肪變性、水腫、炎癥和NAFLD活性評分顯著降低(圖4B-C),此外,RS組肝臟中的肝酶ALT和AST、肝TG和TC水平較低(圖4D-G)。在分子水平上,肝臟中與炎癥、巨噬細胞和中性粒細胞募集相關的標記基因的表達,以及脂肪生成基因的表達有所降低,同時促進了脂肪分解相關基因表達(圖4H-K)。編碼緊密連接蛋白的基因表達增加,表明腸道屏障完整性得到改善,血清LPS的顯著降低,表明全身性炎癥可能有所緩解(圖4K-L)。與CS組相比,RS組的小鼠結腸內容物中的BCAAs 水平也顯著降低(圖4M)。
上述結果表明,RS能夠通過影響腸道菌群構成來緩解NAFLD相關癥狀。
圖4 RS相關腸道菌群移植后可減輕飲食誘導的小鼠NAFLD
5.多組學整合分析確定了與NAFLD緩解相關的關鍵物種
通過功能分析,作者發現14個碳水化合物活性酶(CAZy)家族在RS和CS干預后都發生了顯著變化(圖 5A),而只有在 RS 干預后,KEGG功能模塊 M00060和M00320(LPS 生物合成,KDO2-脂質,LPS輸出系統)的豐度才顯著下降(圖5B)。
為了揭示腸道微生物群變化與非酒精性脂肪肝緩解之間的潛在機理聯系,作者采用了最近開發的計算框架來整合各種類型的數據,在RS組與IHTC明顯相關的功能模塊中,有四個與BCAA生物合成相關的KEGG模塊(圖5C和5D),這強調了BCAA在非酒精性脂肪肝發病機制中的重要作用??傮w而言,在RS組中觀察到的潛在KEGG模塊(與FGF21或IHTC相關)和驅動物種比在CS組中觀察到的要多得多,這進一步證明了RS以一種定向的方式改變了腸道微生物組的組成和活性。特別是有三個高度相關的驅動物種參與了四個BCAAs模塊和IHTC之間的相關性(圖5D)。B. stercoris 的豐度與IHTC、ALT、AST和血清纈氨酸相關,它對四個模塊(包括纈氨酸/異亮氨酸生物合成的M00019)的平均驅動效應最強。
為了驗證B. stercoris與NAFLD之間的正相關,作者重新分析了來自兩個已發表的涉及NAFLD的隊列的宏基因組數據,在一項中國隊列研究中,NAFLD患者中B. stercoris的豐度明顯高于非NAFLD參與者(圖5E)。在一項歐洲隊列研究中,肝臟活檢診斷為中度或重度脂肪變性的患者與輕度脂肪變性或對照組相比,B. stercoris水平也較高(圖5F)。
圖5 RS干預后腸道微生物群功能的變化與表型之間存在相關性
6.B. stercoris部分通過LPS和BCAA的產生促進NAFLD的進展
為了研究B. stercoris對NAFLD進展的潛在因果效應,作者給小鼠喂食高密度脂蛋白膽固醇(HFHC)8周以誘發非酒精性脂肪肝,同時每天口服5×10^9 CFU/天的活菌或熱處理的B. stercoris(圖6A)。RT-PCR結果顯示,活菌組的B. stercoris顯著高于HFHC組(圖6B)。活菌組小鼠血清中ALT水平升高了1.8倍,而AST則沒有顯著變化(圖6-D),通過組織學評估,與HFHC小鼠相比,活菌組的小鼠肝臟脂質積累、炎癥細胞浸潤和纖維化都明顯增加(圖6E-J),肝臟TG水平高出2倍多(圖6K),LPS 水平也顯著升高(圖6L),
為了確定B. stercoris在分子水平上的具體影響,作者研究了肝組織中炎癥和纖維化標志物的轉錄情況。與組織學評分相一致的是,參與促炎癥反應、炎癥細胞浸潤和膠原蛋白形成的基因在活菌組小鼠中明顯增加(圖6M-N)。此外,除了活菌外,熱處理后的菌也一定的效果,能對炎癥產生類似的影響(圖6C-M),但熱處理菌組的小鼠肝臟TG含量有低于活菌組的趨勢(圖6K)??傊?,這些研究結果表明,B. stercoris豐度的增加導致了非酒精性脂肪肝的惡化。
由于B. stercoris對腸道微生物BCAA生物合成和IHTC之間的相關性有很強的驅動作用(圖5C-D),作者隨后測量了小鼠糞便中 BCAA 的水平。結果表明,活菌組的纈氨酸和異亮氨酸含量顯著增加(圖6O),熱處理組無顯著變化。隨后作者通過多種細胞的實驗,探究B. stercoris是否能直接產生BCAA,靶向代謝結果表明,B. stercoris活菌培養上清顯示出顯著的支鏈氨基酸積累,并呈時間依賴性,尤其是纈氨酸的積累(圖6P)。
圖6 B. stercoris可通過產生BCAA加重小鼠NAFLD癥狀
在這篇研究中,作者提供證據表明RS是一種新型、相對簡單且廉價的NAFLD微生物群靶向治療方法,它能將IHTC降低5.89%,并降低代表肝損傷的肝酶和全身炎癥指標。腸道微生物群組成和功能的變化是RS對NAFLD改善的重要媒介,其中包括一種腸道微生物B. stercoris,能通過產生LPS和BCAA 來加重疾病進展。該研究有助于進一步了解NAFLD的發病機制,并開發基于微生物組的創新療法或中藥。