代謝組學以冬蟲夏草多糖的益生機制為例研究和發(fā)現(xiàn)關鍵腸道菌群

研究背景
百趣代謝組學文獻分享，肥胖癥與二型糖尿病、心血管疾病以及癌癥的發(fā)生發(fā)展具有密切聯(lián)系。肥胖癥主要有以下表現(xiàn)：體重增加、脂肪堆積、腸道菌群失衡、腸道通透性異常、代謝性內毒素血癥、慢性炎癥、胰島素耐受以及脂肪細胞過度肥大等現(xiàn)象。過多的體重患者可能會患有非酒精性脂肪性肝�。∟AFLD）或非酒精性脂肪性肝炎（NASH）。

飲食是一種有效調控和重塑健康腸道菌群的方法，能夠幫助降低或治療肥胖癥[1]。許多傳統(tǒng)中醫(yī)藥中的草藥具有抗肥胖和抗糖尿的功能[2]。百趣代謝組學文獻分享，草藥中有一類藥用真菌，如冬蟲夏草和靈芝，包含了大量免疫調控的活性代謝物小分子[3-6]。其中臺灣長庚大學賴信志團隊于2015年在國際知名雜志Nature Communications雜志上，公開發(fā)表了靈芝通過調控腸道菌群降低高脂飲食小鼠肥胖的研究成果[7]。

繼靈芝與腸道菌群、肥胖癥的高水平研究， Gut上線了賴信志團隊主導的冬蟲夏草與腸道菌群、肥胖癥的高水平研究成果[8]，百趣代謝組學文獻分享，研究表明，中國被毛孢（冬蟲夏草菌的無性階段）菌絲（HSM：Hirsutella sinensis mycelium）及其中的高分子量多糖組分（H1：mannose, galactose, N-galactosamine, N-glucosamine, rhamnose, fucose等），可促進古氏副擬桿菌（PG：Parabacteroides goldsteinii）等特定腸道菌生長，從而改善小鼠肥胖和相關代謝紊亂（如圖1）。
 

圖1 HSM與H1在高脂飲食小鼠中發(fā)揮的抗肥胖功能

研究思路
該研究主要由3個部分組成：

（1）研究HSM及H1、H2、H3、H4對高脂飲食小鼠體重、代謝綜合征指標、腸道屏障功能的調節(jié)作用； 
 

圖2 HSM與H1在高脂飲食小鼠中發(fā)揮的抗肥胖功能

百趣代謝組學文獻分享，如圖2所示，口服HSM及H1顯著改善高脂飲食（HFD）喂養(yǎng)小鼠的肥胖和代謝紊亂； H1改善腸道菌群和腸道完整性，減少代謝內毒素、炎癥、胰島素抵抗和血脂異常；H2-H4只能改善部分小鼠生理指標。

（2）通過抗生素和糞菌移植實驗探索發(fā)現(xiàn)HSM和H1發(fā)揮抗肥胖作用是否需要腸道菌群作用，并確定哪些腸道菌群對抗肥胖是具有重要作用的；  
 

圖3 H1介導的抗肥胖作用通過新霉素敏感型菌群

(C, clindamycin; M, metronidazole; P, penicillin; V, vancomycin; N, neomycin)

百趣代謝組學文獻分享，如圖3所示，通過聯(lián)用或者單用抗生素實驗喂養(yǎng)小鼠發(fā)現(xiàn)，與肥胖負相關的新霉素（Neo）敏感菌介導H1的抗肥胖作用；通過糞菌移植驗證了糞菌供應者與接受者間的腸道菌群，分析發(fā)現(xiàn)H1選擇性促進的PG菌具有良好的定植能力，并始終與代謝肥胖相關指標呈現(xiàn)顯著性負相關作用（如圖4）。 
 

 

圖4 PG菌在供受者中含量變化以及與肥胖表型的關系

（3）小鼠實驗驗證PG菌群對高脂飲食小鼠的抗肥胖調控作用。  

圖5 PG菌在誘導性肥胖小鼠體內的作用

百趣代謝組學文獻分享，給HFD小鼠口服活性PG菌減少了小鼠的體重增長和代謝紊亂，表明活性PG菌在高脂飲食小鼠中具有抗肥胖、抗炎癥、抗糖尿的作用（如圖5）。

討論和感想
百趣代謝組學文獻分享，該研究不僅從菌群角度揭示了冬蟲夏草菌絲的抗肥胖和代謝調節(jié)機制，還鑒定出具有應用轉化潛力的益生菌/元，是當代中藥研究的優(yōu)秀案例之一。

不過該研究也有需要繼續(xù)深入研究的內容，如：

（1）需要鑒定和確認H1中是否除了多糖類，還有其他活性物質具有抗肥胖、抗炎癥、抗糖尿作用；

（2）對盲腸和結腸中的短鏈脂肪酸（SCFA，如乙酸、丙酸、丁酸）代謝物進行檢測發(fā)現(xiàn)，HSM和H1并沒有引起其顯著性變化，那PG菌如何調控代謝變化影響宿主肥胖仍然需要使用多組學技術（如代謝組、蛋白組、轉錄組、宏基因組學等）進行深入分析；

（3）PG菌群以及其他菌群間的相互作用與機制也需要深入研究等。小鼠機體代謝與人還是具有一定的差異的，因此該結果不能直接以鼠度人，距離臨床還有一段相當?shù)木嚯x，臨床雙盲試驗多組學研究可以參考菊粉在人體內的研究路線進行更深入的研究[9]。

此外，筆者比較了近3年發(fā)表的的3項重大腸道菌群研究成果（1篇Nature、2篇Nature Medicine），發(fā)現(xiàn)該冬蟲夏草多糖益生機制的研究中，抗肥胖作用的單個菌群的探索發(fā)現(xiàn)方法顯然不同于人體胰島素敏感性（2016年Nature報道的人體腸道菌群與血清代謝組聯(lián)合應用研究人體胰島素敏感性的研究成果 [10]）、中國青少年肥胖（2017年Nature Medicine報道的人體腸道菌群與血清代謝組聯(lián)合應用研究中國青少年肥胖與減重手術對人體影響的研究成果 [11]）、脂肪肝（2018年Nature Medicine報道的非糖尿肥胖女性脂肪肝的分子表型組（轉錄組與代謝組）與腸道菌群的關聯(lián)研究成果 [12]）的研究方法。

百趣代謝組學文獻分享，該研究主要是通過使用抗生素和糞菌移植實驗驗證HSM和H1的抵抗肥胖的作用是需要腸道菌群作用的，并且通過混合和單用抗生素篩選出發(fā)揮抗肥胖作用的腸道菌群主要是新霉素敏感型菌群，并將與代謝綜合征表型顯著負相關作用的PG菌進行HFD造模小鼠實驗進行相關功能驗證；而后三項研究主要是通過高通量多組學大數(shù)據(jù)檢測與統(tǒng)計分析的方法挖掘與疾病密切相關菌群，進行單個菌種定植或者糞菌移植實驗驗證菌群或者代謝物在機體中的相關功能。

百趣代謝組學文獻分享，通過抗生素單用或者聯(lián)用技術并結合大數(shù)據(jù)分析技術的研究方法，對加速人類復雜性疾病、中草藥、益生元、癌癥等相關的關鍵菌群和代謝物的研究具有一定的意義，從而不斷擴展人類的認知邊界， 加速人類對世間萬物的理解，進一步為人類的精準醫(yī)療事業(yè)發(fā)揮重要作用。

參考文獻：

[1] Sonnenburg JL, Bäckhed F. Diet-microbiota interactions as moderators of human metabolism. Nature. 2016 Jul 7;535(7610):56-64.

[2] Martel J, et al. Anti-obesogenic and antidiabetic effects of plants and mushrooms. Nat Rev Endocrinol. 2017 Mar;13(3):149-160.

[3] El Enshasy HA, Hatti-Kaul R. Mushroom immunomodulators: unique molecules with unlimited applications. Trends Biotechnol. 2013 Dec;31(12):668-77.

[4] Wasser SP. Medicinal mushroom science: Current perspectives, advances, evidences, and challenges. Biomed J. 2014 Nov-Dec;37(6):345-56. 

[5] Martel J, et al. Immunomodulatory Properties of Plants and Mushrooms. Trends Pharmacol Sci. 2017 Nov;38(11):967-981.

[6] Martel J, et al. Myths and Realities Surrounding the Mysterious Caterpillar Fungus. Trends Biotechnol. 2017 Nov;35(11):1017-1021.

[7] Chang C.-J, et al. Ganoderma lucidum reduces obesityin mice by modulating the composition of the gut microbiota. Nat Commun. 2015 Jun 23;6:7489.

[8] Wu TR, et al. Gut commensal Parabacteroides goldsteinii plays a predominant role in the anti-obesity effects of polysaccharides isolated from Hirsutella sinensis. Gut. 2018 Jul 14. pii: gutjnl-2017-315458.

[9] Vandeputte D, et al. Prebiotic inulin-type fructans induce specific changes in the human gut microbiota. Gut. 2017 Nov;66(11):1968-1974.

[10] Pedersen HK, et al. Human gut microbes impact host serum metabolome and insulin sensitivity. Nature. 2016 Jul 21;535(7612):376-81.

[11] Liu R, et al. Gut microbiome and serum metabolome alterations in obesity and after weight-loss intervention. Nat Med. 2017 Jul;23(7):859-868.

[12] Hoyles L, et al. Molecular phenomics and metagenomics of hepatic steatosis in non-diabetic obese women. Nat Med. 2018 Jul;24(7):1070-1080.