周青青,蔣豐嶺,王家妮,羅雅亭,程如越,沈曦,李鳴,何方
(四川大學(xué)華西公共衛(wèi)生學(xué)院,四川 成都 610041)
近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和生活水平的提高,人們的生活方式、飲食結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的改變。同時(shí),肥胖癥、心血管疾病、非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver diseases,NAFLD)等代謝相關(guān)疾病逐漸成為威脅人類健康的主要因素[1]。目前的研究發(fā)現(xiàn),除先天的基因影響,不健康的飲食習(xí)慣在代謝性疾病的發(fā)病中發(fā)揮著重要作用[2],比如已有研究表明高脂飲食和高脂高膽固醇飲食是誘導(dǎo)肥胖和非酒精性脂肪肝的重要風(fēng)險(xiǎn)因子[3]。
越來(lái)越多的證據(jù)表明,腸道菌群能夠調(diào)節(jié)膳食脂肪、脂溶性維生素的吸收,碳水化合物的分解及氨基酸合成等[4],肥胖、NAFLD等代謝性疾病與腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變和多樣性失調(diào)關(guān)系密切[5]。研究顯示高脂、高膽固醇飲食會(huì)導(dǎo)致腸道菌群的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,體現(xiàn)在擬桿菌門(mén)和雙歧桿菌水平下降,厚壁菌門(mén)和變形菌門(mén)水平上升。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人體研究都有證據(jù)表明肥胖個(gè)體腸道中厚壁菌門(mén)與擬桿菌門(mén)比例(F/B)會(huì)增加[6-7],而F/B的上升被認(rèn)為是許多代謝相關(guān)疾病腸內(nèi)細(xì)菌異常的重要特征[8-9]。
短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)和膽汁酸是腸道菌群的主要代謝產(chǎn)物。短鏈脂肪酸是含碳原子數(shù)6個(gè)及以下的揮發(fā)性有機(jī)脂肪酸,在腸道中乙酸、丙酸和丁酸的含量較高,具有保護(hù)腸黏膜屏障、提供能量、調(diào)節(jié)免疫、抗腫瘤等多種生理功能[10]。膽汁酸的主要作用是乳化脂肪,有利于脂溶性食物的消化吸收。研究表明,腸道菌群能夠通過(guò)激活核膽汁酸的法尼醇X受體(farnesol X receptors,F(xiàn)XR)信號(hào)通路調(diào)節(jié)膽汁酸代謝,促進(jìn)NAFLD的發(fā)展[11]。因此,深入了解飲食對(duì)腸道菌群代謝產(chǎn)物的影響可進(jìn)一步明確腸道菌群和宿主代謝性疾病的關(guān)系。
由于目前國(guó)內(nèi)外的研究更多是關(guān)于高脂飲食與腸道菌群及機(jī)體代謝的關(guān)系,對(duì)含膽固醇的高脂高膽固醇飲食的比較研究還較少,因此,本研究擬采用高脂飲食和高脂高膽固醇飲食喂養(yǎng)小鼠,觀察不同飲食攝入對(duì)小鼠糖脂代謝、腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的影響,為進(jìn)一步闡明膳食與肥胖、NAFLD等代謝性疾病的關(guān)系提供理論依據(jù)。
乙醚(色譜純)、無(wú)水乙醇(分析純):成都金山化學(xué)試劑有限公司;血糖試紙:上海羅氏制藥有限公司;高密度脂蛋白膽固醇(high density lipoprotein cholesterol,HDL-C)、低密度脂蛋白膽固醇(low density lipoprotein cholesterol,LDL-C)、甘油三酯(triglycerides,TG)、總膽固醇(total cholesterol,TC)、肝臟 TC、肝臟 TG 測(cè)定試劑盒:長(zhǎng)春匯力生物技術(shù)有限公司;糞便細(xì)菌DNA提取試劑盒:北京天根生化科技北京有限公司;AMPure XT磁珠:美國(guó)Beckman Coulter公司;Qubit試劑盒:美國(guó)Invitrogen公司;Accu-Chek Active活力型血糖儀:上海羅氏制藥有限公司。
四周齡無(wú)特定病原體(specific pathogen free,SPF)級(jí)雌性BALB/c小鼠30只[許可證號(hào):SCXK(川)2020-030],購(gòu)自成都達(dá)碩生物科技有限公司,小鼠飼養(yǎng)于四川大學(xué)華西公共衛(wèi)生學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心(實(shí)驗(yàn)許可證號(hào):SYXK2018-011),將小鼠隨機(jī)分為普通飲食組(normal diet,ND)、高脂飲食組(high fat diet,HFD)和高脂高膽固醇飲食組(high fat high cholesterol diet,HFHCD),每組10只,ND組采用普通飼料(三大營(yíng)養(yǎng)素供能比分別為脂肪10%,碳水化合物70%,蛋白質(zhì)20%);HFD組采用高脂飼料(D12492,美國(guó) Research Diets,三大營(yíng)養(yǎng)素供能比分別為脂肪60%,碳水化合物20%,蛋白質(zhì)20%);HFHCD組采用高脂高膽固醇飼料(D12109C,美國(guó)Research Diets,三大營(yíng)養(yǎng)素供能比分別為脂肪40%,碳水化合物40%,蛋白質(zhì)20%),喂養(yǎng)12周至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。高脂飼料每4 057 kcal添加1 mg膽固醇,高脂高膽固醇飼料每4 057 kcal添加11.25 g膽固醇。
每周測(cè)定小鼠體重。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,準(zhǔn)確稱量小鼠肝臟、脾臟、腎臟、胰腺、腹腔脂肪。計(jì)算小鼠的臟器系數(shù)和脂體比。臟器系數(shù)=臟器重量(mg)/體重(g),腹腔脂肪脂體比=脂肪重量(mg)/體重(g)。
小鼠禁食不禁水8 h,尾尖采血并用血糖儀測(cè)定小鼠的空腹血糖(fasting blood glucose,F(xiàn)BG)(0 min),后每只小鼠按體重經(jīng)口灌胃2.0 g/kg葡萄糖,使用血糖儀測(cè)定灌胃后30、60、90、120 min的血糖值。
用全自動(dòng)生化分析儀檢測(cè)血清高密度脂蛋白(HDL-C)、低密度脂蛋白(LDL-C)、總膽固醇(TC)、總甘油三酯(TG)。肝臟組織經(jīng)磷酸緩沖鹽溶液勻漿后離心處理,按試劑盒說(shuō)明書(shū)測(cè)定肝臟TC、TG。
收集小鼠糞便凍存于-80℃,按照糞便細(xì)菌總DNA提取試劑盒說(shuō)明書(shū)的步驟提取糞便樣品中的DNA。
將引物的5′端連上barcode和測(cè)序通用引物。在含有50 ng模板DNA的25 μL反應(yīng)混合物(用ddH2O調(diào)整體系容積到25 μL)中進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)擴(kuò)增,上游引物:338F 5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′,下游引物:806R 5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′[12],各 2.5 μL。反應(yīng)體系還包括12.5 μL PCR染液。反應(yīng)程序:98℃ 30 s;98 ℃ 10 s,54℃30 s,72℃ 45 s,35個(gè)循環(huán)。PCR 產(chǎn)物經(jīng)AMPure XT磁珠純化后,經(jīng)Qubit試劑盒定量和文庫(kù)檢測(cè),使用 bcl2fastq(v1.8.4)和 FLASH 軟件(v1.2.11)對(duì)原始測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,采用Qiime(v1.9.1)進(jìn)一步分析序列,相似性在97%以上的序列將通過(guò)序列聚類得到操作分類單元(operational taxonomic units,OTU),并生成OTU表,同時(shí),對(duì)OTU進(jìn)行豐度、Alpha多樣性計(jì)算,以分析樣品內(nèi)物種豐富度和均勻度信息。根據(jù)二代測(cè)序結(jié)果,分別在門(mén)、屬水平上選擇相對(duì)豐度大于0.1%的群落進(jìn)行優(yōu)勢(shì)菌群分析。
每只小鼠取100 mg糞便,離心收集上清液,用液相色譜質(zhì)譜儀檢測(cè)膽汁酸。收集小鼠盲腸內(nèi)容物,取100 mg糞便于離心管中,加入內(nèi)標(biāo)(異己酸)溶液和乙醚固定,用氣相色譜法測(cè)定糞便中的乙酸、丙酸和丁酸含量。
采用Graphpad prism 7.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,服從正態(tài)分布的計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,并采用單因素方差分析對(duì)服從正態(tài)分布的多組獨(dú)立樣本進(jìn)行組間比較。p<0.05被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,檢驗(yàn)均為雙尾。
不同飲食攝入組小鼠的體重變化見(jiàn)圖1。
圖1 實(shí)驗(yàn)期間不同飲食攝入各組小鼠的體重變化Fig.1 Changes in body weight of mice in different diets during the experiment
由圖1可知,實(shí)驗(yàn)期間3組小鼠體重穩(wěn)步增長(zhǎng),但差異不顯著。
對(duì)3組小鼠尾尖采血進(jìn)行空腹血糖和口服葡萄糖耐量測(cè)定見(jiàn)圖2。
由圖2可知,HFD、HFHCD組小鼠0 min空腹血糖高于ND組(p<0.05),30 min血糖ND組和HFD組均顯著高于 HFHCD 組(p<0.05),且在 60、90、120 min血糖均呈現(xiàn)出HFD組顯著高于ND組和HFHCD組,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)。
圖2 各組小鼠口服葡萄糖耐量試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果Fig.2 Oral glucose tolerance test results of mice in each group
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后準(zhǔn)確稱量各組小鼠肝臟和脂肪重量,計(jì)算所得的肝臟系數(shù)見(jiàn)圖3,脂體比結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖3 各組小鼠肝臟系數(shù)結(jié)果Fig.3 Liver coefficient results of mice in each group
圖4 各組小鼠脂體比結(jié)果Fig.4 Liposome ratio of mice in each group
由圖3、圖4可知,HFHCD組小鼠的肝臟系數(shù)和脂體比均顯著高于ND組和HFD組(p<0.000 1),而ND組和HFD組小鼠之間沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(p>0.05)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)束,用全自動(dòng)生化分析儀檢測(cè)小鼠血脂水平見(jiàn)圖5,肝臟脂質(zhì)結(jié)果見(jiàn)圖6。
圖5 各組小鼠血清HDL-C、LDL-C、TC、TG測(cè)定結(jié)果Fig.5 The determination results of serum HDL-C,LDL-C,TC and TG in each group of mice
圖6 各組小鼠肝臟TC、TG測(cè)定結(jié)果Fig.6 Results of determination of TC and TG in liver of mice in each group
由圖5可知,HFHCD組小鼠血清的 HDL-C、LDL-C、TC和TG水平均高于ND組和HFD組小鼠,HFD組和ND組小鼠的血脂水平差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p>0.05)。
由圖6可知,本次實(shí)驗(yàn)中HFHCD組小鼠的肝臟TC含量顯著高于ND組和HFD組(p<0.000 1)。HFD組小鼠的肝臟TG顯著高于ND組和HFHCD組(p<0.01),HFHCD組與ND組的肝臟TG差異不顯著(p>0.05)。
2.4.1 小鼠糞便腸道菌群多樣性分析
主坐標(biāo)分析(principal co-ordinates analysis,PCoA)用于研究樣本群落組成的相似性或差異性,各組小鼠腸道菌群主坐標(biāo)分析結(jié)果見(jiàn)圖7。
圖7 各組小鼠腸道菌群主坐標(biāo)分析(PCoA)Fig.7 Principal coordinate analysis(PCoA)of intestinal flora of mice in each group
圖7中每個(gè)點(diǎn)表示一個(gè)樣本,相同形狀代表同一組,當(dāng)同種形狀的點(diǎn)距離越近,不同形狀的點(diǎn)距離越遠(yuǎn)時(shí),表示不同組菌群結(jié)構(gòu)差異越明顯[13],由圖7可知,3組間群落遠(yuǎn)遠(yuǎn)分開(kāi),HFD、HFHCD和ND組均具有明顯差異。
Alpha多樣性分析能反映特定生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)微生物群落的豐富度和均勻度,采用Alpha多樣性分析指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表1。Observed_species指數(shù)和Chao1指數(shù)越大,說(shuō)明菌群豐富度越高,Shannon指數(shù)越大,說(shuō)明群落多樣性越高,PD_whole_tree指數(shù)越大說(shuō)明菌群對(duì)進(jìn)化歷史保存的差異越大。
由表1可知,HFHCD組小鼠的Shannon、Chao1、PD_whole_tree和Observed_species指數(shù)均顯著低于ND組和HFD組(p<0.05),糞便菌群多樣性和豐富度均降低;與ND組相比,HFD組腸道菌群α多樣性相關(guān)指數(shù)有下降趨勢(shì),但差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p>0.05)。
表1 α-多樣性指數(shù)(n=4/組)Table 1 α-Diversity index(n=4/group)
2.4.2 小鼠糞便腸道菌群群落結(jié)構(gòu)分析
表2、表3分別表示3組小鼠腸道菌群在門(mén)水平、屬水平上的注釋結(jié)果。
表2 各組小鼠腸道菌群門(mén)水平相對(duì)豐度前六特征菌(n=4/組)Table 2 The top six characteristic bacteria in the relative abundance of the intestinal flora of each group of mice(n=4/group) %
表3 各組小鼠腸道菌群屬水平相對(duì)豐度前十特征菌(n=4/組)Table 3 The top ten characteristic bacteria in the relative abundance of the intestinal flora of each group of mice(n=4/group) %
由表2可知,在門(mén)分類水平上,ND組和HFD組小鼠優(yōu)勢(shì)菌由擬桿菌門(mén)、厚壁菌門(mén)、變形菌門(mén)組成;HFHCD組小鼠的擬桿菌門(mén)相對(duì)豐度顯著低于ND組和HFD組(p<0.05),而變形菌門(mén)、疣微菌門(mén)、放線菌門(mén)相對(duì)豐度、厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)比例顯著高于ND組和HFD組(p<0.05),3組間厚壁菌門(mén)相對(duì)豐度無(wú)顯著差異。
由表3可知,在屬水平,與ND組相比,HFD和HFHCD組小鼠的普氏菌屬均顯著減少。HFD組的臭桿菌屬顯著高于ND組和HFHCD組。與ND組和HFD組相比,HFHCD組小鼠的擬桿菌屬、薩特氏菌屬、脫硫弧菌屬和艾克曼菌屬顯著升高;與HFHCD組比較,乳酸菌屬含量顯著高于HFD組,而與ND組無(wú)顯著差異。
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測(cè)定各組小鼠的膽汁酸水平,包括脫氧膽酸和膽酸兩項(xiàng)指標(biāo),結(jié)果見(jiàn)圖8。
圖8 各組小鼠膽汁酸測(cè)定結(jié)果Fig.8 Deoxycholic acid and cholic acid determination results of mice in each group
圖8顯示HFHCD組小鼠的脫氧膽酸、膽酸含量均顯著高于ND組和HFD組。
采集3組小鼠糞便,測(cè)定糞便中乙酸、丙酸和丁酸3種短鏈脂肪酸含量,結(jié)果見(jiàn)表4。
由表4可知,HFD組小鼠的丙酸、丁酸含量顯著低于ND組(p<0.05),其它各組差異不顯著。
表4 各組小鼠糞便短鏈脂肪酸含量(n=3/組)Table 4 The content of short-chain fatty acids in the feces of mice in each group(n=3/group)
本研究分別使用高脂飼料和高脂高膽固醇飼料喂養(yǎng)兩組實(shí)驗(yàn)小鼠,模擬了當(dāng)前較為普遍的西方飲食習(xí)慣。兩種飲食均導(dǎo)致小鼠空腹血糖顯著上升,且高脂飲食組小鼠的OGTT結(jié)果顯示,其60、90 min和120 min血糖均顯著高于普通飲食組和高脂高膽固醇組。Utzschneider等用高脂飲食誘導(dǎo)大鼠發(fā)生早期糖尿病癥狀時(shí),其空腹血糖水平升高[14-15]。這些結(jié)果說(shuō)明高脂飲食和高脂高膽固醇飲食均可導(dǎo)致小鼠血糖調(diào)節(jié)受損,且高脂飲食對(duì)糖代謝異常的影響強(qiáng)于高脂高膽固醇飲食。
肝臟是膽固醇代謝轉(zhuǎn)變的重要場(chǎng)所,本研究發(fā)現(xiàn)小鼠攝入的含量較高的脂肪和膽固醇不能被完全代謝,大量蓄積在腹腔脂肪和肝臟中,導(dǎo)致了機(jī)體肝臟膽固醇水平以及血脂水平異常。而單純攝入高脂飲食僅造成了肝臟甘油三酯蓄積,對(duì)整體的脂代謝影響并不顯著。付曉昉等研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期高脂飲食不僅使小鼠脂代謝紊亂,還導(dǎo)致血清游離脂肪酸水平升高,多個(gè)組織器官發(fā)生胰島素抵抗[16]。這些結(jié)果表明高脂飲食導(dǎo)致的脂代謝異常可能需要較長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作用,而高脂高膽固醇飲食對(duì)于機(jī)體脂代謝和膽固醇代謝的影響是顯著的,且明顯強(qiáng)于高脂飲食,這可能與大量的膽固醇導(dǎo)致的肝臟代謝功能障礙有關(guān)。
高脂高膽固醇飲食顯著降低了腸道菌群α多樣性,在門(mén)水平上,HFHCD組小鼠腸道F/B較ND組和HFD組顯著升高。高F/B的個(gè)體從相同食物中獲得的能量較普通個(gè)體更高,高F/B已被證實(shí)與嚙齒類和人類肥胖相關(guān)[17]。高脂高膽固醇飲食顯著增加了小鼠腸道變形菌門(mén)含量,遠(yuǎn)大于高脂飲食的影響,說(shuō)明高膽固醇攝入可能更能誘導(dǎo)腸道變形菌門(mén)增加。在屬水平,HFHCD組乳桿菌屬較單純的HFD組顯著增加,與高脂高膽固醇飲食與NAFLD關(guān)聯(lián)性相一致。有研究發(fā)現(xiàn)在NAFLD患者與健康人群的比較中,患非酒精性脂肪肝病人群腸道中乳酸桿菌屬的種類有所增加,而瘤胃菌屬減少,乳桿菌可能與揮發(fā)性有機(jī)化合物如乙酸鹽和乙醇的產(chǎn)生有關(guān)[18],這也許與肥胖和NAFLD的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。高脂高膽固醇飲食還顯著降低了擬桿菌屬含量,使艾克曼菌屬(Akkermansia)顯著增加;與ND組相比,HFD和HFHCD組小鼠的普氏菌屬均顯著減少。研究表明,擬桿菌屬和普氏菌屬這兩種腸道細(xì)菌都與碳水化合物的分解能力有關(guān)[19]。Akkermansia能改善糖尿病小鼠的肝臟功能,降低葡萄糖和脂質(zhì)代謝異常,減輕氧化應(yīng)激,抑制炎癥反應(yīng)[20]。這些結(jié)果表明高脂高膽固醇飲食可導(dǎo)致腸道菌群多樣性降低且群落結(jié)構(gòu)異常,而高脂飲食對(duì)腸道菌群的影響較為有限。
SCFAs被證實(shí)可以直接影響宿主代謝,與腸上皮屏障功能及免疫系統(tǒng)密切關(guān)聯(lián)[21],可能對(duì)肥胖及相關(guān)代謝紊亂有改善作用[22-23],SCFAs減少可能導(dǎo)致葡萄糖和脂質(zhì)代謝減弱、免疫力下降和腸道菌群多樣性減少。本研究中,只有高脂飲食引起小鼠丙酸、丁酸含量較普通飲食組顯著減少,而高脂高膽固醇飲食對(duì)SCFAs產(chǎn)量無(wú)顯著影響,表明小鼠腸道SCFAs代謝可能對(duì)膳食脂肪更為敏感,而與膽固醇的含量無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。
膽汁酸能夠調(diào)節(jié)機(jī)體膽固醇的水平,Yoshimoto等[24]研究表明,肥胖動(dòng)物腸道中增加的脫氧膽酸可以與腸道細(xì)菌結(jié)合,通過(guò)腸肝循環(huán)到達(dá)肝臟,可誘導(dǎo)肝組織的炎癥和腫瘤的發(fā)生。本研究中,HFHCD組小鼠的脫氧膽酸、膽酸含量均顯著高于ND組和HFD組,說(shuō)明膽固醇的添加促進(jìn)了腸道內(nèi)次級(jí)膽汁酸的生成,這可能與改變的腸道菌群結(jié)構(gòu)有關(guān),即高膽固醇飲食可能富集了腸道內(nèi)代謝膽汁酸的細(xì)菌。NAFLD的發(fā)病機(jī)制目前尚未完全明確,但多項(xiàng)研究表明其與飲食、腸道菌群和膽汁酸水平相關(guān)。Devkota等[25]的研究表明,飲食中的脂肪酸能夠通過(guò)改變膽汁酸池中的膽汁酸成分,進(jìn)而使腸道菌群發(fā)生改變。
綜上所述,本研究結(jié)果進(jìn)一步顯示了飲食對(duì)機(jī)體糖脂代謝、腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的影響。高脂高膽固醇飲食導(dǎo)致小鼠腹腔脂肪蓄積、血脂、肝臟脂質(zhì)和膽固醇代謝異常,腸道菌群多樣性降低且群落結(jié)構(gòu)紊亂以及腸道內(nèi)次級(jí)膽汁酸的增加;而高脂飲食造成了糖代謝異常、肝臟甘油三酯的顯著升高和腸道菌群結(jié)構(gòu)的輕度異常以及丙酸、丁酸含量的降低。表明高脂飲食和高脂高膽固醇飲食都是代謝性疾病的危險(xiǎn)因素,且高脂高膽固醇飲食的影響可能更大,再次證明了飲食、腸道菌群與代謝性疾病的密切關(guān)系。同時(shí)表明不同飲食成分可通過(guò)不同的作用機(jī)理影響肥胖、非酒精性脂肪肝等代謝性疾病的發(fā)生。因此飲食相關(guān)的代謝性疾病防治上需要根據(jù)不同的飲食內(nèi)容制定不同的對(duì)策,但各種飲食相關(guān)的代謝性疾病在腸道菌群方面的發(fā)病機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。