间歇性禁食对普通饮食和高脂饮食小鼠代谢健康和肠道菌群的影响

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肠道菌群与宿主的健康息息相关,而膳食结构和进食方式对肠道菌群的结构有重要影响。间歇性禁食(intermittent fasting,IF)作为一种饮食干预模式在人群中流行较广,研究发现IF会引发与节食(calorie restriction,CR)相似的生理变化,带来相似的改善代谢健康的效果。CR和IF都可以影响肠道菌群且二者塑造的肠道菌群至少部分介导着它们促进健康的作用。为了使IF成为一种成功、可靠的临床饮食策略,IF和CR塑造的菌群是否有相似之处、不同的膳食结构对IF作用是否有影响等问题值得进一步研究。首先,为了探究肠道菌群对IF处理的响应情况,我们用普通饲料(Normal chow,NC)喂养雄性SPF级C57BL/6J小鼠为模型,分别设立自由取食组(NC+AL),CR组(减少30%进食量,NC+CR),5:2IF组(每周Day1、2禁食Day3-7自由取食,NC+IF)和5:2IF控制饮食组(每周Day1、2禁食Day3-7控制进食量为正常量,NC+IFCtrl),进行11周的饮食干预实验。在干预末期,分析各饮食干预模式对小鼠代谢表型和菌群结构的影响。结果显示NC+CR和NC+IFCtrl都能够显著改善小鼠代谢,包括降低体重、降低血清胆固醇含量、改善糖代谢指标等,而NC+IF几乎无效果。在肠道菌群方面,NC+CR组的肠道菌群结构较为稳定,属于鼠乳杆菌(Lactobacillus murinus,L.murinus)的操作分类单元(operational taxonomic unit,OTU)2占优势。NC+IFCtrl和NC+IF组的菌群结构则会随着禁食-复食周期发生周期性变化,NC+IFCtrl和NC+IF组的菌群结构在Day7(0)分别与NC+CR组和NC+AL组一致;但受禁食的影响,NC+IFCtrl和NC+IF两组的菌群在Day2、3会发生显著变化并趋于类似。值得注意的是,在Day7(0)这一时间点,NC+IFCtrl与NC+CR组的菌群结构一致,恰好与NC+CR和NC+IFCtrl具有的改善代谢的效果相对应;而NC+IF组与NC+AL组的菌群结构一致,也恰好与NC+IF几乎无效果的表型相对应。本研究中被NC+CR和NC+IFCtrl富集的OTU2与实验室前期从节食小鼠肠道中分离的L.murinus CR147菌株的16S rRNA基因V3-V4区的序列完全一致。CR147菌株已被证明有增加肠屏障功能、抗炎等促进健康的作用,说明NC+CR和NC+IFCtrl塑造的肠道菌群中的OTU2对它们的代谢改善作用可能有重要贡献。然后,我们又进一步探究了高脂饮食(high fat diet,HF)的小鼠对IF等干预的响应,分别设立自由取食组(HF+AL),CR组(HF+CR),5:2IF组(HF+IF)和5:2IF控制饮食组(HF+IFCtrl),饮食干预同样进行11周。结果显示,HF+CR、HF+IF和HF+IFCtrl均可以显著缓解HF诱导的体重过度增长、脂肪堆积、葡萄糖-胰岛素稳态失调等。HF+CR、HF+IF和HF+IFCtrl组在Day7(0)具有类似的菌群结构,且都显著富集了属于L.murinus的OTU2。HF+IFCtrl和HF+IF组的肠道菌群也会随着禁食-复食周期发生周期性变化。三种饮食干预模式对肠道菌群的调节可能部分地解释了它们能缓解HF诱导的肥胖和相关代谢紊乱的能力。最后,我们使用小鼠葡聚糖硫酸钠(Dextran sulfate sodium,DSS)致慢性结肠炎模型,探索补充CR147菌株对疾病表型及对肠道菌群的影响,以深入探究CR147菌株的抗炎能力。结果发现,补充CR147菌株可以加速粪便中肠道炎症标志物Lipocalin-2水平及疾病活动指数的恢复、提高肠道菌群α多样性并显著改变了肠道菌群的整体结构。以上研究结果表明,L.murinus CR147能加快DSS诱导的慢性结肠炎的恢复并改变其肠道菌群,这些发现预示CR147菌株可能是通过调节肠道菌群来发挥抗炎效果的。综上所述,本研究发现不管NC还是HF喂养的小鼠,CR和IFCtrl都可以改善代谢健康,而IF仅在HF中有作用。IF和IFCtrl都会使菌群随着禁食-复食周期发生周期性变化。IFCtrl干预在Day7(0)的菌群结构,和CR干预一样可富集属于L.murinus的OTU2,而IF干预仅在HF的小鼠中能富集OTU2。鉴于OTU2与具有促进健康作用的CR147菌株的16S rRNA基因V3-V4区的序列一致,OTU2可能作为NC+CR、NC+IFCtrl、HF+CR、HF+IF和HF+IFCtrl塑造的肠道菌群中的关键功能菌来发挥健康作用。本研究对于人类通过饮食干预来促进健康有参考意义,提示我们在不同的膳食结构下进行饮食干预效果可能不同,有效的饮食模式所塑造的菌群可能对改善代谢有重要作用。
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