Microbiome：肠道微生物代谢的长链饱和脂肪酸可增强大鼠的结肠运动

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文章速递

为了研究肠道微生物在肠运动障碍中的作用，作者比较了新生儿母体分离模型NMS (neonatal maternal separation)大鼠和正常大鼠的粪便和管腔内容物的代谢组、肠动力和粪便微生物的差异，并通过粪便移植和抗生素处理验证肠道微生物对大鼠肠动力的影响。

研究结果表明肠道菌群失调可导致肠功能紊乱，Prevotella, Lactobacillus和Alistipes丰度上升与结肠内长链饱和脂肪酸（SLCFAs）含量增加正相关；SLCFAs增加可直接引起结肠运动增强，导致肠功能紊乱症状的发生。

关键字: Gastrointestinal motility disorder, Gut microbiota, Neonatal maternal separation, Saturated long-chain fatty acids

Title: Saturated long-chain fatty acid-producing bacteria contribute to enhanced colonic motility in rats

DOI: 10.1186/s40168-018-0492-6

Journal: Microbiome  [IF: 9.133]

First Authors: Ling Zhao, Yufen Huang , Lin Lu

Correspondence: Lixin Zhu, Zhaoxiang Bian

Affiliation: Chinese Medicine Clinical Study Center, Jockey Club School of Chinese Medicine, Hong Kong Baptist University

Published: 2018-06-14

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摘要

  

① SLCFA可促进大鼠结肠肌肉收缩和增加排便频率；

② SLCFA的增加与Prevotella, Lactobacillus和Alistipes丰度增加呈正相关；

③ 通过对肠道微生物的基因功能注释发现细菌SLCFAs生物合成的基因在NMS组中高度富集；

④ 接受来自NMS供体粪便微生物的伪无菌(Pseudo GF)大鼠表现出增加的排便频率和结肠内SLCFAs上调； 

⑤ 通过新霉素调节有效地减弱了肠动力并减少了NMS大鼠结肠腔中SLCFAs的产生；

⑥ 结肠内过量的SLCFA与NMS大鼠的肠运动增强有关。

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研究背景

肠功能紊乱是功能性肠胃病和其他肠道疾病的患者中一种常见症状，反复发作的肠运动障碍严重影响患者的生活质量。已有研究表明肠道微生物在肠运动紊乱中起重要作用，但肠道微生物与宿主肠运动互作机制尚不明确。

新生儿母体分离模型（NMS）是一种长期结肠功能障碍的模型，新生儿与母体分离产生焦虑或压力从而导致结肠动力增强。有研究表明大鼠在受NMS处理后会出现肠道微生物紊乱，文章使用NMS模型研究肠道微生物的变化与肠动力增强的关系。

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研究思路

 

① 设置两组大鼠（每组8只），大鼠出生后2-14每天与母亲分离3个小时诱导NMS模型，另一组为对照组，不与母亲进行分离。56天对两组大鼠进行肠动力测评，取粪便和管腔（回肠，盲肠，结肠）样品进行代谢组分析，找出差异的代谢物并进行体内体外的验证 (图1a)。

② 另取两组大鼠（每组6只），通过灌胃ABX-water建立伪无菌大鼠模型。抗生素处理10天后分别灌胃NMS组和对照组的粪便的悬浮液，持续5天，之后正常喂养。期间采集了开始实验时，抗生素处理10天后，喂养第21和35天的大鼠的粪便样本进行16S分析。喂养第21、28、35天进行大鼠的肠动力测评 (图1b)。

③ 喂养56-70天对NMS组大鼠进行新霉素处理，在70天收集粪便和管腔样品进行q-PCR测定。

图1 详细的实验流程

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研究结果

 

1. 代谢组分析： 结肠中过量的SLCFAs与NMS组肠动力增强有关

肠动力评测表明NMS组大鼠肠胃动力增强。气相色谱质谱联用（GC-MS）进行非靶向代谢组学分析，鉴定到21种代谢物在正常组和NMS组存在差异。在这些代谢物中，11种是与肠道微生物发酵和能量代谢密切相关的酸性物质，其中六种饱和脂肪酸（SFA）显著不同。针对性的对SFA分析，发现NMS大鼠结肠中SLCFAs水平（长链饱和脂肪酸，C14:0-C18:0）显著增加。这些结果表明结肠中过量的SLCFAs与NMS组肠动力增强有关。

图2 与对照相比，NMS大鼠的特征在于增强的肠道运动性和上调的结肠内饱和长链脂肪酸（SLCFAs）

2. 体内体外验证：SLCFAs刺激大鼠结肠收缩并增强排便频率

C17:0和C18:0是NMS大鼠结肠腔中最丰富的奇数和偶数碳SLCFAs。不同剂量的C17:0，C18:0对结肠组织具有刺激肌肉收缩作用，并且剂量越大，结肠肌肉收缩强度越大。通过口服C17:0和C18:0能显著整加排便频率。说明SLCFAs对结肠的运动具有刺激作用。

图3 不同剂量的C17:0和C18:0通过体内体外实验刺激结肠运动

3. 宏基因组分析：NMS组中差异的粪便微生物与SLCFAs生成相关

通过宏基因组分析，发现对照组和NMS组的肠道微生物具有显著的差异，在NMS组中富集Prevotella, Lactobacillus，Alistipes和Ruminiclostridum。通过宏基因组与代谢组的关联分析，发现在NMS富集的Prevotella, Lactobacillus和Alistipes与SLCFAs呈正相关。说明这些菌可能与SCLFAs的产生有关。另外通过对肠道微生物的功能分析，发现SLCFAs合成与延伸的功能以及相关的合成基因在NMS中富集，部分参与SLCFAs降解的基因则在对照组丰度较高。

图4 粪便微生物组的改变与NMS大鼠中的SLCFAs生成密切相关

4. 粪便移植验证：NMS供体的粪便微生物使无菌小鼠排便频率及结肠内SLCFAs含量增高

将NMS和NH供体的粪便微生物群移植到伪无菌大鼠（GF组）中, GF+NMS FMT组排便频率显著增高。对两组大鼠的粪便样品进行16S分析，GF+NMS FMT组细菌组成与对照FMT组有明显差异，且Prevotella，Lactobacillus，Alistipes 相对丰度显著增加，与宏基因组的结果相吻合。定量聚合酶链反应（qPCR）分析发现合成长链脂肪酸的两个不可缺少的基因FabF和FabG的相对丰度和结肠中SLCFA水平在GF+NMS FMT组中显著增高。结果表明NMS大鼠的肠道微生物导致大鼠排便频率和结肠内SLCFAs水平增高。

图5 NMS供体的粪便微生物使GF大鼠的排便频率和结肠内SLCFAs增加

5. 新霉素治疗：新霉素调节NMS组肠道微生物有效降低肠动力及SLCFAs产生

新霉素是一种抗生素药物，可有效改善肠道生态失调，新霉素处理的NMS大鼠排便频率和通便时间逐渐恢复正常，qPCR分析发现Prevotella， Lactobacillus，Alistipes 相对丰度降低，合成SLCFA的必需基因FabF，FabG相对丰度降低，新霉素处理后的NMS组结肠内SLCFAs水平降低。

图6 连续14天新霉素处理，肠道微生物群的调节可以有效地减弱NMS大鼠的肠运动和结肠内SLCFAs产生

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讨论与总结

肠道内的Prevotella， Lactobacillus，Alistipes 与SLCFAs过度合成相关，SLCFAs对结肠运动具有刺激作用，从而提高了排便的频率。该文提供了肠道微生物群驱动的肠运动障碍的新见解，这为针对特定肠道微生物群治疗胃肠动力障碍的治疗提出新的思考方向。

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M 菌说

 

该文是一篇探索肠道微生物对疾病发生机制研究的经典文献，先采用代谢组和宏基因组关联分析的方法进行了探索研究，然后进行了体外体内生化验证、粪便移植的正向验证和抗生素处理的反向验证。

参考文献

Zhao L, Huang Y, Lu L, et al. Saturated long-chain fatty acid-producing bacteria contribute to enhanced colonic motility in rats[J]. Microbiome, 2018, 6(1): 107.

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