2023-12-15
《ACS Nano》
影響因子：17.1
哈(ha)爾濱工(gong)業大學顧寧(ning)教授團隊在《ACS Nano》發表題為“Foodborne Carbon Dot Exposure Induces Insulin Resistance through Gut Microbiota Dysbiosis and Damaged Intestinal Mucus Layer”的文章。闡釋了慢性碳點（CD）暴露可通過破壞小鼠的腸-肝軸導致葡萄糖代謝紊亂。該研究通過高通量測序分析揭示了，CD暴露降低了有益細菌（Bacteroides、Coprococcus和S24-7）的豐度，增加了有害細菌（Proteobacteria、Oscillospira、Desulfovibrionaceae和Ruminococcaceae）的豐度以及F/B（Firmicutes/Bacteroidetes）比率。通過對比無腸道菌群小鼠和有腸道菌群小鼠可發現，暴露于CD小鼠出現胰島素抗性的原因在于腸道菌群紊亂和腸道粘液層的破壞。
以上研究的16S rRNA基因測序和(he)部分數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
研究背景
碳(tan)(tan)點（CD）是一種新興(xing)的(de)碳(tan)(tan)基納米材料，其(qi)直徑通(tong)常<10 nm，在許多應(ying)用(yong)中(zhong)(zhong)都(dou)展現(xian)(xian)出了優(you)異(yi)的(de)性質。自從(cong)發現(xian)(xian)CD以來，研究(jiu)主要集中(zhong)(zhong)在CD的(de)制備和應(ying)用(yong)上，而忽略了其(qi)潛在的(de)醫療風險(xian)。由于食物成分在高(gao)溫(wen)下容易碳(tan)(tan)化(hua)，烹(peng)飪(ren)過(guo)程中(zhong)(zhong)會產生食源(yuan)(yuan)性CD；在飲料、烘焙食品和烤肉(rou)中(zhong)(zhong)這一現(xian)(xian)象(xiang)尤為(wei)普遍。體(ti)內和體(ti)外研究(jiu)表明，CD會導致(zhi)某(mou)些不(bu)良影(ying)響(xiang)，如(ru)細(xi)胞(bao)活力降低(di)、細(xi)胞(bao)凋(diao)亡、細(xi)胞(bao)周期中(zhong)(zhong)斷和代(dai)謝應(ying)激。盡(jin)管如(ru)此，暴(bao)露于慢性食源(yuan)(yuan)性CD與葡萄糖代(dai)謝之(zhi)間的(de)關系(xi)仍不(bu)清楚。
測序區域
16S rRNA基因 V3V4區
測序平臺&分析
Illumina NovaSeq+派森諾基因云
CD暴(bao)露(lu)通(tong)過影響(xiang)腸道?肝(gan)軸破壞糖代謝示意圖
研究結果
1.補充益(yi)生菌可緩(huan)解CDs引起的葡萄糖穩態失衡、肝損(sun)傷及腸道(dao)菌群失調
在CDs處理(li)14周后(hou)，小鼠出現(xian)高(gao)空腹血糖(tang)(tang)水平、糖(tang)(tang)耐量受(shou)損以(yi)及(ji)肝臟受(shou)損（肝脂(zhi)肪(fang)變性、肝細(xi)胞空泡和肝纖維化鎖破裂增加），而補充益生菌(jun)的(de)處理(li)（CP組）提示可以(yi)恢復(fu)CDs引起的(de)葡萄糖(tang)(tang)穩(wen)態失衡(heng)及(ji)肝損傷。
圖1 CD暴露對葡萄糖穩態和肝功能的影響
大量的(de)(de)(de)研(yan)究已(yi)經表明，腸道(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)物群(qun)在(zai)飲食(shi)誘(you)(you)導(dao)的(de)(de)(de)Ⅱ型糖尿病（T2DM）中(zhong)起著重要作用。因此，為了(le)進一步探(tan)討CD對腸道(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)物群(qun)的(de)(de)(de)影(ying)響，作者采用不同(tong)處理小(xiao)鼠結(jie)腸內容物進行16S rRNA基因測(ce)序。結(jie)果顯(xian)(xian)示在(zai)門水平上，CD組(zu)小(xiao)鼠中(zhong)菌群(qun)組(zu)成發生(sheng)(sheng)了(le)明顯(xian)(xian)改變(bian)，如Bacteroidetes豐(feng)度(du)降低、F/B（Firmicutes/Bacteroidetes）比率增(zeng)加(jia)、Proteobacteria豐(feng)度(du)增(zeng)加(jia)和Coprococcus豐(feng)度(du)降低等，這些菌群(qun)變(bian)化(hua)提示與全身炎癥(zheng)或代謝綜合征相關。值得注意的(de)(de)(de)是，所有CDs誘(you)(you)導(dao)的(de)(de)(de)微(wei)生(sheng)(sheng)物群(qun)組(zu)成的(de)(de)(de)改變(bian)都被膳(shan)食(shi)益生(sheng)(sheng)菌恢復(fu)。
圖2 CD處理對腸道微生物群的影響和復雜益生菌的有益作用
2.CDs誘導的腸道菌群失調增加了腸道通(tong)透性且引起脂(zhi)多糖相關的全(quan)身炎癥
LEfSe分(fen)析結(jie)果表(biao)明，CDs暴露(lu)增加了(le)脫硫弧菌(jun)科(ke)（Desulfovibrionaceae）的(de)豐度(du)(du)，可(ke)能引起(qi)脂多(duo)糖(tang)（LPS）水平升高，導致(zhi)腸(chang)(chang)(chang)道(dao)黏(nian)(nian)液層被破(po)壞(huai)。另一(yi)方面，結(jie)腸(chang)(chang)(chang)長(chang)度(du)(du)和隱窩深度(du)(du)是評估腸(chang)(chang)(chang)道(dao)炎(yan)癥(zheng)(zheng)的(de)重(zhong)要指標。研究結(jie)果顯示(shi)，益生菌(jun)可(ke)以防止CDs誘(you)導的(de)結(jie)腸(chang)(chang)(chang)長(chang)度(du)(du)縮短，并產(chan)生隱窩深度(du)(du)的(de)強烈恢復趨勢，促進腸(chang)(chang)(chang)道(dao)炎(yan)癥(zheng)(zheng)的(de)衰減。免疫熒光(guang)和Western blot結(jie)果證(zheng)實了(le)CD處(chu)理(li)小鼠(shu)腸(chang)(chang)(chang)道(dao)黏(nian)(nian)液層被破(po)壞(huai)。此外，糞便中LPS和硫化氫(qing)水平的(de)增加驗證(zheng)了(le)Desulfovibrionaceae的(de)負面影響。進一(yi)步在CD組中檢測到較高的(de)血清LPS和TNFα，其(qi)與LPS易位及全身炎(yan)癥(zheng)(zheng)相關(guan)，而膳食益生菌(jun)可(ke)恢復這些癥(zheng)(zheng)狀。
3.補充益生菌可恢復CD介導的肝臟炎癥和胰島素(su)抵抗
免(mian)疫學上，LPS與TLR4結合，激活(huo)適配器MyD88，觸發(fa)NF-κB和MAPK信號通路，從而增加(jia)促(cu)(cu)炎細(xi)胞因子(zi)的(de)(de)(de)釋放。Western blot結果顯示，在CD組中，TLR4和MyD88表達(da)水平(ping)升高，表明(ming)LPS被(bei)轉(zhuan)移到肝臟并激活(huo)了相關的(de)(de)(de)免(mian)疫反應(ying)。此(ci)外，CD處(chu)理增加(jia)了IκB和p65-NFκB的(de)(de)(de)磷酸化(hua)(hua)(hua)，促(cu)(cu)進(jin)肝臟炎癥，并通過磷酸化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)JNK和p38進(jin)一步激活(huo)絲(si)裂(lie)原活(huo)化(hua)(hua)(hua)蛋白激酶（MAPK）級聯(lian)反應(ying)。此(ci)外，CD處(chu)理降低了AKT的(de)(de)(de)磷酸化(hua)(hua)(hua)，導(dao)致胰島(dao)素抵抗（IR），進(jin)而促(cu)(cu)進(jin)FOXO1和PCKI，促(cu)(cu)進(jin)糖異生(sheng)(sheng)。然而，補充益生(sheng)(sheng)菌(jun)幾乎使這(zhe)些生(sheng)(sheng)物(wu)標志物(wu)恢復到正常水平(ping)。
圖4 CD暴露對小鼠肝臟中TLR4/NF-κB/MAPK和IR信號轉導的影響
4.CD暴露通過影響腸?肝軸破壞(huai)糖代謝
采(cai)用糞(fen)菌移植（FMT）驗證(zheng)CDs通過(guo)改變(bian)腸道(dao)微生物群來(lai)誘(you)導小(xiao)(xiao)(xiao)鼠IR。結果表明(ming)，FMT-CD組的(de)空(kong)(kong)腹血漿和葡萄(tao)糖(tang)耐(nai)受不良(liang)明(ming)顯增加，而與FMT-C小(xiao)(xiao)(xiao)鼠相比，空(kong)(kong)腹體重沒(mei)有變(bian)化。同時，接受CD小(xiao)(xiao)(xiao)鼠腸道(dao)微生物群處(chu)理的(de)受體小(xiao)(xiao)(xiao)鼠血清、肝指(zhi)數、肝功能(neng)指(zhi)標均有明(ming)顯的(de)升(sheng)高趨勢。這(zhe)些(xie)結果表明(ming)，葡萄(tao)糖(tang)代謝紊亂(luan)和肝功能(neng)損傷(shang)與腸道(dao)微生物群一(yi)起轉移到受體小(xiao)(xiao)(xiao)鼠體內。
圖5 CD暴露小鼠的FMT誘導了受體小鼠的葡萄糖穩態紊亂
接下來，運用16s rRNA基因測序(xu)揭示(shi)FMT對(dui)小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)腸(chang)道(dao)(dao)菌群(qun)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)。測序(xu)結果顯(xian)(xian)(xian)示(shi)，FMT-C組(zu)和FMT-CD組(zu)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腸(chang)道(dao)(dao)菌群(qun)組(zu)成(cheng)存在明(ming)顯(xian)(xian)(xian)差異。來自CD小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)FMT有改變腸(chang)道(dao)(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)群(qun)α多樣性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢，這與供體小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)相似(si)。β多樣性(xing)結果顯(xian)(xian)(xian)示(shi)，FMT-CD小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腸(chang)道(dao)(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)群(qun)從FMT-C中分離出來。腸(chang)道(dao)(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)組(zu)成(cheng)分析也顯(xian)(xian)(xian)示(shi)了(le)兩組(zu)受體小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)顯(xian)(xian)(xian)著差異。與FMT-C小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)相比，來自CD小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)FMT增加了(le)受體小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腸(chang)道(dao)(dao)屏障通透性(xing)，以及與炎癥(zheng)相關的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)學指標(biao)水(shui)平(ping)。然而，暴(bao)露于CD的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)群(qun)耗竭小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)這些生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)標(biao)志(zhi)物(wu)(wu)(wu)水(shui)平(ping)與微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)群(qun)耗竭對(dui)照小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)一致(zhi)，這表明(ming)腸(chang)道(dao)(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)群(qun)失調是導(dao)致(zhi)CD誘導(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)炎癥(zheng)介導(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)胰島素抵(di)抗(kang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原因。
圖6 CD暴露小鼠的FMT誘導腸道微生物群失調并使受體小鼠的LPS轉移
研究結論
T2DM是(shi)一種嚴重(zhong)的(de)疾(ji)病，尤(you)其是(shi)在發(fa)展(zhan)中國(guo)家。最近的(de)研究(jiu)已(yi)經表明(ming)，飲食(shi)(shi)誘(you)導(dao)的(de)T2DM與腸粘液層、腸道(dao)微生物(wu)及其相互(hu)作用密(mi)切相關。上(shang)述工作表明(ming)，長期口服食(shi)(shi)源性CD會導(dao)致腸道(dao)微生物(wu)群失調，并(bing)破壞腸道(dao)屏障(zhang)，進而(er)導(dao)致全身炎癥和糖代謝紊亂，益生菌(jun)的(de)保護作用則可使其恢復。此外，這些發(fa)現支持了改善(shan)腸道(dao)微生物(wu)群作為治療飲食(shi)(shi)誘(you)導(dao)的(de)T2DM的(de)潛在策(ce)略的(de)可能性。
文章索引(yin)：Zhang B, Fan X, Du H, et al. Foodborne Carbon Dot Exposure Induces Insulin Resistance through Gut Microbiota Dysbiosis and Damaged Intestinal Mucus Layer. ACS nano, 2023, 17(6): 6081-6094.
