粪便能量密度与肠道转运时间呈正相关，与肠道微生物类型相关

背景

有人假设，肠道微生物群通过其从饮食中提取能量的能力对肥胖产生因果影响。然而，目前尚缺乏证据来阐明特定的人类微生物群落结构的作用和微生物群依赖的能量获取的决定因素。因此，本研究在85名超重成人中研究了肠道微生物能量提取 (以干粪便能量密度反映)是否与肠道转运时间和微生物组群落结构相关。

简介

2022年12月12日，来自哥本哈根大学的Henrik M. Roager及其团队在Microbiome (IF: 16.837)杂志上发表名为Stool energy density is positively correlated to intestinal transit time and related to microbial enterotypes的研究[1]。

主要结果

十多年前对啮齿类动物的研究表明，肠道微生物群可能影响宿主的能量平衡，并且有人提出，与肥胖相关的肠道微生物群通过增加从饮食中获取能量的能力来影响宿主生理。在这些显著的观察结果之后，几项研究证实，当将肥胖相关的肠道微生物群移植到盲生小鼠体内时，与移植了瘦相关肠道微生物群的小鼠相比，小鼠确实增加了更多的体重或脂肪量。这一观点得到了以下研究结果的证实：人类微生物群移植小鼠的体重增加与粪便总能量呈负相关，这意味着肠道微生物组从饮食中提取能量的能力差异可能与体重管理相关。最初，肠道菌群的两个优势菌门 (厚壁菌门和拟杆菌门)之间的比例被认为是肥胖的标志。然而，厚壁菌门/拟杆菌门的比例与能量获取标志物不相关，今天也不再被认为是肥胖的相关标志物。相反，根据分别有普雷沃菌属 (P型)、拟杆菌属 (B型)或瘤胃球菌科 (R型)显著丰度的微生物群落结构分层为微生物肠型可能有意义，因为这些似乎在全球范围内都是稳健的，并且据报告，随着时间的推移，在个体中总体稳定。此外，据提示，这些肠型在降解碳水化合物、蛋白质和脂类的代谢能力方面存在差异。然而，目前尚不清楚不同肠型从饮食中获取能量的能力是否不同。此外，目前尚不清楚与肠道微生物组成、多样性和代谢相关的肠道转运时间是否是肠道中微生物依赖性能量获取的决定因素。

虽然从理论上讲，较慢的肠道转运可以获得更多的能量，但与预期相反，粪便能量密度与肠道转运时间呈正相关。此外，根据三个已确定的肠型特征类群的丰度对个体进行的分层 (图1b)显示，与乳球菌科 (R型)肠型个体相比，类杆菌 (B型)肠型个体的粪便能量密度显著较低，而且也有低于P型个体的趋势 (图1c)。与粪便能量密度和肠道转运时间呈正相关的是，B型个体的肠道转运时间显著短于R型个体，而P型个体介于两者之间 (图1d)。不同肠型间粪便能量密度的差异不能用习惯饮食模式或粪便样本中细菌细胞计数的差异来解释。相反，粪便能量密度的差异与不同的微生物组生态系统结构相关，因为通过Shannon指数评估的微生物群α多样性和观察到的丰富度在肠道型之间存在显著差异，B型的多样性最低，R型的多样性最高 (图1e, f)。

图1. 肠道型在粪便能量密度、肠道转运时间、微生物α多样性和体重方面存在差异

为了评估不同肠型之间的潜在功能差异，我们对不同肠型之间的粪便SCFAs和尿蛋白水解宿主-微生物共代谢物水平进行了比较。一般而言，粪便SCFAs与粪便能量密度无显著相关性 (图2a)，不同肠型之间的粪便乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐水平也无差异 (图2b)。然而，与B型个体相比，R型个体的粪便中观察到更高水平的支链SCFAs (异丁酸、2-甲基丁酸和异戊酸) (图2c)，而与B型个体相比，P型个体的戊酸和己酸水平更高 (图2d)。此外，与B型和P型个体相比，在R型个体的尿液中观察到非常一致的微生物源性蛋白水解代谢物  (对甲酚葡萄糖醛酸酯、对甲酚硫酸酯和苯乙酰谷氨酰胺)水平较高 (图2e)，这表明不同肠型个体之间的结肠蛋白水解存在差异。由于肠型的确定并非微不足道，因此我们排除了分配肠型结果不明确的个体 (n = 28)，最终评估了观察到的肠型之间差异的稳健性 (图1b)。在分析受试者分组时，观察到的肠型之间的差异保持稳健，尽管样本量较低，但统计学显著性和效应大小甚至增加。

图2. 粪便和尿液中蛋白水解代谢产物的肠型不同

虽然目前的观察性研究并不是为了揭示因果关系，但我们认为，肠道转运时间改变了肠道微生物组的群落结构，从而影响了肠道微生物组从食物中提取能量的总体效率 (图3)。这提出了关于这些关系背后的生态基础的重要问题。之前对肠型进行的功能分析提出，与K选择较多且功能冗余的R型 (生长缓慢且底物能量效率高)相比，B型反映了R选择丰富的生态系统 (快速生长和浪费底物利用率)，这与B型的估计平均微生物生长率高于R型一致。

未来的研究应在控制总卡路里摄入和排泄的良好环境中检验所提出的假设。这将允许评估粪便能量排泄，而不仅仅是粪便能量密度。此外，除粪便中的细菌计数外，本研究中不可能调查剩余固体残留粪便的组成。最后，由于样本量有限，我们的研究无法校正性别等潜在的混杂因素。

图3. 提出了人类肠道微生物依赖的能量提取

结论及展望

综上所述，我们的研究表明，粪便能量密度作为肠道微生物能量获取的替代指标，与肠道转运时间和微生物群落结构相关。这项研究首次提供了一些证据，表明由肠道类型反映的人类肠道微生物群落结构的差异会影响肠道微生物群从食物中提取能量的能力。虽然因果关系仍有待确定，但这些观察结果很有趣，可能对预测体重管理中的个性化饮食反应至关重要。

原文链接

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-022-01418-5

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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