汇报人：LuYinLab博士研究生二年级韦忠红
文章概览
密歇根大学医学院的生物学家EricC.Martens及其团队为大家讲述了一个不起眼的“小生灵”蜕变为“异形”的故事：膳食纤维的缺乏会造成黏液降解菌群的优势生长，“蚕食”宿主肠道黏液层，破坏肠道抵御病原体入侵的第一道防线，增加人体对病原体易感性。
本研究使用定植了14种人肠道微生物的无菌小鼠模型，发现长期或间歇性膳食纤维缺乏的情况下，肠道微生物群以宿主的肠道黏液为食，致使结肠黏液屏障破坏。此外研究还证实，长期或间隙性食用益生元（可溶性纤维的纯化形式）也同样会导致黏液层受损，这说明益生元并不能成为膳食纤维的替代物。同时，作者用柠檬酸杆菌感染小鼠，膳食纤维缺乏组因黏液层屏障受损，促使更多病原菌（柠檬酸杆菌）进入肠上皮导致致死性结肠炎的形成。
本研究揭示了膳食纤维、肠道菌群和结肠黏液屏障在功能上的相互作用关系，直观地模拟了肠道菌群在缺乏必需食物供给的情况下以宿主为食维持自身供给，为我们饮食结构的合理设置提供一定的依据和警示。
StudyDesign
研究假说的提出
在膳食纤维缺乏的情况下，以宿主肠道黏液为营养来源的肠道微生物群优势生长，结肠黏液屏障侵蚀，增加病原体的易感性。
实验模型的构建
使用无菌小鼠模型，植入14种已测序的复合微生物组合(SM)，分属于5个菌门——拟杆菌门（5）、厚壁菌门（5）、放线菌门（1）、普雷沃氏菌门（1）、疣微菌门（1），分别是卵形拟杆菌、单行拟杆菌、多形拟杆菌、粪拟杆菌、Barnesiellaintestinihominis（肠结巴斯德氏菌）、Roseburiaintestinalis（肠道罗斯拜瑞氏菌）、直肠真杆菌、普拉梭菌、Marvinbryantiaformatexigens、共生梭菌、产气柯林斯菌、大肠杆菌Hs、Akkermansiamuciniphila（阿克曼菌）、Desulfovibriopiger。
所选取的14种菌在膳食纤维的代谢过程中扮演重要角色，为此，作者体外采用42种动植物来源的单糖和多糖，以及粘蛋白聚糖（肠道黏液层的主要组成），以确定14种菌的主要降解物质（如图1B所示）。研究结果与此前报道一致，有四种菌可以利用粘蛋白聚糖，其中有两种菌（A.muciniphila,B.intestinihominis）是只依赖于粘蛋白聚糖生长，另外两种菌（B.thetaiotaomicron,B.caccae）可以利用粘蛋白聚糖，但是不仅仅依赖于此。
图1：14种已测序的复合微生物组合(SM)及对多糖、单糖等利用能力
分组喂食策略
定植了SM小鼠，连续三天灌胃14种人源菌种（SM），将定植的动物维持在FR饮食中14天以监测群落植入稳定性。通过q-PCR来鉴定菌群植入是否成功。研究分为7组，分别采用不同的饮食策略：
分组
Fiber-rich(FR)diet：高膳食纤维饮食
Fiber-free(FF)diet：缺乏膳食纤维饮食
Prebiotic(Pre)diet：益生元饮食(益生元为等比例的14种宿主不可消化的多糖，如图2B)
FR/FFdietsdailychange：高膳食纤维饮食/缺乏膳食纤维饮食隔日更换饮食
FR/FFdiets4-daychange：高膳食纤维饮食/缺乏膳食纤维饮食隔4日更换饮食
Pre/FFdietsdailychange：益生元饮食/缺乏膳食纤维饮食隔日更换饮食
Pre/FFdiets4-daychange：益生元饮食/缺乏膳食纤维饮食隔4日更换饮食
图2：实验模型微生物定植，进食，取样策略示意图
Result1
“长期慢性和间歇性纤维缺乏促进粘液降解细菌的富集
结肠上皮细胞能量主要来源于肠道微生物的代谢供能，膳食纤维被肠道微生物经糖异生过程为结肠黏膜细胞提供近70%的能量，也为肠道微生物提供营养供给。饮食缺乏膳食纤维组（FF），四种微生物——A.muciniphila,B.caccae,B.ovatus,E.rectale丰度迅速发生变化，A.muciniphila和B.caccae可以降解粘液多糖，膳食纤维缺乏的情境下迅速增加，B.ovatus和E.rectale不能代谢黏液多糖，但共同点是都可以降解多种膳食纤维。缺乏膳食纤维的情境下，膳食纤维降解菌丰度下降。黏液降解菌在盲肠、结肠腔以及粘液层的丰度变化均表现出了一致性（图2-E）。无论是膳食纤维缺乏组（FF）还是间歇性膳食纤维缺乏组均表现为一致的结果——即A.muciniphila和B.caccae均显著增加。其他种类的细菌也有丰度的改变，程度较小。
益生元组（Pre），饮食中仅添加了一种或多种纯化的多糖，表现出类似FF组菌群变化结果，因此，益生元补充的饮食习惯对于菌群结构影响不大。
图3复杂膳食纤维的缺乏导致了黏液降解细菌的增殖
Result2
“膳食纤维缺乏，粘蛋白聚糖降解相关酶的RNA水平和酶活水平升高
人体只能产生~17种胃肠酶来消化大部分碳水化物，而肠道微生物群可以产生数千种具有不同特异性的互补功能酶，使其能够将膳食多糖解聚并发酵为宿主及肠道微生物本身可利用的短链脂肪酸（SCFAs）等营养物质。在膳食纤维缺乏的情境下，具有降解黏蛋白聚糖的细菌丰度增加，产生大量黏蛋白聚糖降解酶。为了确证此假说，作者检测了定植菌群相关的碳水化合物活性酶的转录水平（MicrobialRNA-Seq）及酶活水平（CAZymeAnnotation）。
RNAsqe数据显示，高膳食纤维组分解外源性膳食纤维多糖的酶更丰富，缺乏膳食纤维组的粘蛋白聚糖分解酶增加。与体外生长实验和16S测序结果一致。结肠粘蛋白聚糖有着明显区别于膳食纤维多糖的糖苷键。作者进一步，通过检测相关酶的活性发现，FF组粘蛋白聚糖糖苷水解酶（硫酸酯酶和α-岩藻糖苷酶）酶活水平上升，纤维多糖相糖苷键水解酶（β-葡萄糖苷酶）下调。而其他非特异性酶没有显著的区别变化（图4C）。
图四饮食中碳水化合物活性酶表达的变化揭示了从纤维到黏液降解的群落变化
总的来说，转录组和酶活分析结果支持了作者的假说：即在缺乏膳食纤维的情况下，肠道菌群协同作用并逐步表达CAZymes、硫酸酯酶和蛋白酶来攻击粘蛋白聚糖，从而破坏肠壁黏液层。
Result3
“膳食纤维缺乏导致肠道菌群降解宿主肠黏膜屏障
黏液层是一种动态屏障，由杯状细胞的分泌。作者认为，如果细菌降解消耗的肠道黏液量超过了新生，屏障的完整性势必会受损。黏液厚度测量的结果发现，喂食富含膳食纤维组黏液厚度最大，其他组厚度明显低于FR组。值得注意的是，FR组比FF组的黏液厚度多5-6倍。（图5A-C）
为了排除黏液层受损是消耗增多而非产生减少，作者检测了参与构建和调节黏液屏障的几个关键蛋白质的转录水平，包括Muc2，Muc5ac，Tff1，Tff3和Klf3。只有，Muc2表现出与膳食纤维缺乏显著的相关性，可能与宿主的补偿反应，而其他几个基因无显著差异。FF组的粪便脂质运载蛋白（LCN-2）比FR组增加（图5E）；而结肠长度则变短（图5F），表明了FF组动物处于低水平炎症状态。但是，病理学分析结肠组织并未观察到明显的炎性浸润（图5G）。并且，结肠组织的全转录组分析也表明膳食纤维缺乏并未引发大幅度的免疫反应（图5I）。
图5膳食纤维缺乏促使结肠黏液层受损
以上实验结果显示膳食纤维缺乏表现出明显的黏液屏障损坏，但是不能直接致使结肠发生明显的病变。
Result4
“膳食纤维缺乏使得肠道菌群降解宿主肠黏膜屏障受损增加机体对病原体的易感性
病原微生物（柠檬酸杆菌，Cr）侵染模型构建
肠道黏液层是肠道微生物及病原体的一个重要防御屏障。低纤维摄入降解黏液层，势必会增加病原体的易感性。为了检测这一假设，作者选择了一种病原微生物-柠檬酸杆菌，它有很明确的致结肠炎的作用，但是必须穿过肠道粘液层，与结肠上皮细胞接触才会导致结肠炎。作者在高膳食纤维喂养和第膳食纤维喂养的第56天灌胃柠檬酸杆菌（如图6A）。为了在不存在SM的情况下控制柠檬酸杆菌致病的饮食特异性，作者另外设置了两组由无菌（GF）小鼠直接用柠檬酸杆菌侵染，并喂食相同的FR或FF饮食。柠檬酸杆菌侵染后第10天，观察肠道黏液层破坏情况（如图6B）。
图6柠檬酸杆菌侵染模型构建
定植了14种微生物的两组在Cr感染后，Cr定植逐渐增加，FF组（SMCr）显著增加到10倍之多；两组GF组小鼠均有高水平的Cr（图7-A）。FF组（SMCr）体重发生显著下降，表现出身体蜷缩、活动度减小的现象，其他三组无此现象（图7-C）。
组织病理分析显示，与FR组（SMCr）相比，FF组（SMCr）结肠和盲肠具有更强的炎症反应（图7E,F,G）,而直肠处的炎症差距小一些。相比定植鼠，无菌小鼠的两组炎症反应更小。为了检测是否是病原菌感染后增加黏液厚度导致炎症反应减小的假设，测量了其黏液厚度，结果表明，病原菌定植增加黏液厚度，同时，高膳食纤维导致的黏液厚度增加的优势仍然显著。
图7膳食纤维缺乏增强柠檬酸杆菌所致的致死性结肠炎的发展进程
为了更加直观的观察病原微生物侵入结肠组织，将柠檬酸杆菌进行荧光素酶标记，荧光成像结果表明，FF组比FR组（SMCr）的Cr菌更接近结肠组织（图8C,D），透射电镜的结果也进一步支持这一结果（图8E）。无菌小鼠组和FF（SMCr）具有相似的大量细菌附着（图8D）
图8膳食纤维缺乏促进柠檬酸杆菌对结肠组织的侵入
总结与思考
本研究构建了一个相对纯粹的肠道微生物研究模型，揭示了维系结肠黏液层健康膳食纤维所扮演的重要角色。同时，阐明了纯化可溶性纤维的益生元（例如菊粉，阿拉伯木聚糖，β-葡聚糖）饮食不能减轻黏液屏障所受微生物的侵蚀。但是，由于FR膳食组食用天然植物纤维，其形式复杂和浓度较高（?15％），故而研究依然无法明确指出哪个变量（形式或量）是最重要的。
相比在本研究所构建小鼠模型体内那区区14种肠道菌，人类具有更为复杂的肠道菌群和更为强大的免疫系统。对于饮食变化，我们的耐受度也许会更强些。但这些发生在小鼠模型身上的变化无疑能被视为一个提醒：如果对日常饮食不加注意，膳食纤维长期缺乏，我们肠道菌群的平衡运作也同样可能日渐崩塌，进而危害整个机体的健康。还在坚信自己拥有钢肠铁胃的人们或许应当敲响警钟了，“吃的不对”，无视肠道里微生物们的需求，终会为自己的选择而付出代价。
文献参考：
DesaiM,SeekatzA,KoropatkinN,etal.ADietaryFiber-DeprivedGutMicrobiotaDegradestheColonicMucusBarrierandEnhancesPathogenSusceptibility[J].Cell,,(5):-.e21.