02

Apr

2020

干酪乳桿菌Zhang對不同地區人群腸道菌群的影響

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不同地區人群,擁有不同的生活方式和飲食習慣,這導致了不同地區人群的腸道菌群具有較大的差異性。干酪乳桿菌Zhang (L. casei Zhang) 作為我國第一株完成全基因組測序的乳酸菌,具有諸多益生功效,目前在臨床上得到證實,可以改善脂質代謝、預防II型糖尿病、緩解呼吸道感染等。本試驗研究L. casei Zhang對不同地區人群差異化腸道菌群的影響,將為L. casei Zhang對不同類型人群的效果提供數據支持。


試驗設計


試驗過程

1.試驗對象

從國內外6個不同地區共招募106名青年志愿者(18-28歲)。其中,中國新疆(22名)、中國內蒙古(16名)、中國甘肅(12名)以及蒙古國(12名)、印度尼西亞(23名)和新加坡(21名)。


2.試驗過程

進行為期14天的益生菌干預試驗,試驗期間每日午飯后攝入100億CFU的益生菌L. casei?Zhang(5×109CFU/g)菌粉。采集試驗前(0天)、試驗7天、14天和停止試驗14天后的糞便樣品(圖1)。


?3.試驗方法

基于PacBio SMRT細菌16S全長測序,在種水平評價L. casei Zhang對不同地區人群腸道菌群的影響。通過乳酸菌特異性引物,準確獲取糞便樣品中乳酸菌的豐度和多樣性,揭示L. casei Zhang對腸道中益生菌群的影響。


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圖1:試驗設計詳情


試驗結果


01

試驗前不同地區人群腸道菌群結構



新加坡地區人群厚壁菌門菌群含量較高,而蒙古國和中國內蒙古地區人群則是擬桿菌門菌群含量較高(圖2a)。在屬和種的水平上共鑒定出241個屬(其中17個屬平均相對豐度大于1%;圖2b)和503個種(其中13個種平均相對豐度大于1%;圖2c)。發現蒙古國、中國內蒙古、印尼和中國新疆地區人群腸道菌群物種數目(圖3a)和多樣性(圖3b)顯著高于新加坡和中國甘肅地區。其中地域是影響腸道菌群最主要的因素(P<0.001),高于BMI和性別的影響。


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圖2:采集地分布以及不同地區人群腸道菌群結構

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圖3:不同地區人群腸道菌群物種數目和多樣性詳情


02

腸型以及代謝途徑分析


根據腸道菌群聚類分析,可以觀察到兩個群級即PC1陽性和PC1陰性區域(圖4a)。由此所有志愿者可以分為兩個不同的腸型,分別為腸型FB(PC1陰性)和腸型PF(PC1陽性)。腸型FB主要含有普氏棲糞桿菌(F. prausnitzi)、多氏擬桿菌(B. dorei)(共54人,占50.9%);腸型PF主要含有腸道普氏菌(P. copri)、普氏棲糞桿菌(F. prausnitzi)(共52人,占49.1%)。其中新加坡76%和中國內蒙古69%的人群屬于腸型FB,印尼65%和中國甘肅66%人群屬于腸型PF,蒙古國和中國新疆地區兩個腸型人數相當(圖4b)。


L. casei Zhang干預后,腸型FB人群數量持續升高,在攝入L. casei Zhang第14天時,該腸型人群的比例達到75.5%。腸型FB人群B. vulgatus(普通擬桿菌,丙酸鹽產生菌)的相對含量持續升高(P < 0.05);多氏擬桿菌(與I型糖尿病風險增加有關)顯著下降(P <0.05);腸型PF人群直腸真桿菌(短鏈脂肪酸生產菌)相對含量持續升高。


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圖4:腸道菌群聚類分析以及不同地區人群腸型分布詳情


所有樣品共預測得到5668個KEGG同源物,發現了81種代謝模塊。其中三種模塊(M00320,M00060和M00080)在PF腸型中較為豐富,與脂多糖的合成有關。而FB腸型中某些必需氨基酸的合成模塊較為豐富,包括亮氨酸合成(M00432)、異亮氨酸(M00535)和組氨酸合成(M00026)。


L. casei Zhang的攝入可以顯著降低腸道菌群有害代謝途徑如脂多糖生物合成的豐度,同時顯著促進多種氨基酸轉運和合成通路的豐度,有利于腸道菌群將食物中的營養物質轉變為各類氨基酸,促進宿主健康。


03

干預后不同地區人群腸道菌群結構



試驗0天、7天、14天以及停止治療后14天后的腸道菌群進行樣品間差異檢測,圖5a和b顯示了未加權和加權UniFrac距離統計的散點圖。結果發現同一地區的樣品在消耗L. casei Zhang的前后有明顯的聚集趨勢。根據加權UniFrac計算出變化不同時間的距離,發現中國甘肅以及中國新疆的試驗者的腸道菌群結構趨于融合,中國內蒙古參與者之間個體差異有所增加,而印尼和新加坡的腸道菌群結構變化不大;對比六個地區的變化趨勢,發現中國新疆和蒙古國的腸道菌群變化明顯大于印尼,新加坡的腸道菌群變化差異是6個地區里最小的(圖5c、d)。綜合以上內容,對不同地區“腸道菌群易變指數(GMVI)”進行分析發現該指數由高到低分別為:中國新疆>蒙古國>中國內蒙古>印尼>中國甘肅>新加坡。


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圖5:試驗前后樣品間差異性分析


L. casei Zhang攝入顯著增加了部分地區人群直腸真桿菌(Eubacterium rectale,丁酸鹽生產菌)、糞便羅伊氏桿菌(Roseburia faecis,為結腸細胞提供能量)、挑剔真桿菌(Eubacterium eligens,糖尿病患者中該菌會下降)的相對含量。而卵形擬桿菌(Bacteroides ovatus,感染中常見菌之一)和皮氏羅爾斯頓菌(Ralstonia pickettii,有助于代謝紊亂)在部分地區持續顯著下降。


04

乳酸菌含量的檢測



基于乳酸菌特異性引物從所有樣品中共檢測到5個屬和122個種,遠高于基于16S通用引物檢測得到的65個(圖6a、b)。瘤胃乳桿菌(L. ruminis)、唾液鏈球菌(S. salivarius)、嗜熱鏈球菌(S. thermophilus)、德氏乳桿菌(L. delbrueckii)、耐久腸球菌(E. durans)是青年人群乳酸菌的主要優勢菌種(圖6d、f)。

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隨著L. casei Zhang的攝入,不同地區人群腸道中乳酸菌的豐度和干酪乳桿菌的絕對含量有增加的趨勢。其中中國內蒙古的試驗者腸道菌群中乳酸菌豐度和多樣性最高,顯著高于印尼和新加坡(圖6c、e)。L. casei Zhang攝入期間,其他乳酸菌種相對含量亦發生了一定的改變,如鼠李糖乳桿菌(L. rhamnosus)含量下降、惰性乳桿菌(L. iners)含量上升、戊糖乳桿菌(L. pentosus)含量下降僅在個別地區人群中發生了顯著變化。


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圖6:乳酸菌試驗前后在不同地區含量詳情


試驗結論


干酪乳桿菌Zhang可以有效改善不同地區人群的腸道菌群;對人體有益的FB腸型人數持續增加;顯著降低腸道菌群有害代謝功能的豐度。干酪乳桿菌Zhang還可以有效改善不同地區人群的腸道菌群,增加乳酸菌的含量。但地域以及不同個體在試驗前的原始腸道菌群狀態也是影響干酪乳桿菌Zhang改善腸道菌群效果的重要影響因素。



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