2024-03-04
隨著我國自然科學基金對“微生物-器官軸”這一前沿領域的持續關注與深入探索，揭示了微生物組在糖尿病發生發展中的關鍵作用。多組學聚焦糖尿病作用機制的研究不僅豐富了我們對糖尿病復雜病理機制的理解，更為疾病預防與個性化治療提供了嶄新的視角和策略。借助微生物-器官軸的調控原理，科學家們正在繪制一幅細致入微的生命藍圖，以期在未來打開糖尿病精準醫療的新篇章，呼應國(guo)家(jia)自然科(ke)學基金(jin)對(dui)該(gai)領域熱(re)點問(wen)題的(de)支持與期待。
南京中醫藥大(da)學戰麗彬(bin)教(jiao)授科(ke)研重(zhong)點團(tuan)隊連續(xu)兩年發表糖(tang)尿病相關(guan)作用機(ji)制(zhi)文(wen)章(zhang)，均涉及到多組學聯合分(fen)析。接(jie)下來小派盤點一(yi)波(bo)，希望能為更多科研(yan)工作(zuo)者帶來研(yan)究靈感和(he)寫(xie)作(zuo)思路，文(wen)章(zhang)的原(yuan)文(wen)索引和(he)文(wen)章(zhang)鏈接(jie)見末尾，快來圍觀吧(ba)！
一、滋補脾陰方藥可通過微生物-腸-腦軸改善認知功能 《Frontiers in Cell and Developmental Biology》 影(ying)響因子：5.5 1.文章(zhang)題目：ZiBuPiYin Recipe Prevented and Treated Cognitive Decline in ZDF Rats With Diabetes-Associated Cognitive Decline via Microbiota-Gut-Brain Axis Dialogue 2.組學技術手段：微生物組、靶向代謝組 本研究的16S rRNA 測序和數據(ju)分(fen)析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。 研究背景 糖(tang)(tang)尿(niao)病相關(guan)認知功能下降（DACD）是(shi)2型糖(tang)(tang)尿(niao)病糖(tang)(tang)尿(niao)病（T2DM）的中樞神(shen)經系統并發癥之一。滋補脾陰方(fang)藥（ZBPYR）是(shi)一種傳統的中藥配方(fang)，長期以來(lai)(lai)用于(yu)治療T2DM和(he)預(yu)防DACD。本研究通過整合微生物(wu)組(zu)學和(he)靶向代(dai)謝組(zu)學技術，表明ZBPYR對DACD的預(yu)防和(he)治療部分依(yi)賴于(yu)腸(chang)道(dao)微生物(wu)的作(zuo)用，細菌來(lai)(lai)源(yuan)的代(dai)謝物(wu)和(he)微生物(wu)群-腸(chang)道(dao)-腦軸的調(diao)節作(zuo)用是(shi)ZBPYR的重要保護機(ji)制(zhi)，為DACD的臨床評估和(he)診斷提供理(li)論(lun)依(yi)據(ju)。 技術路線 研究結果 1.ZBPYR的化(hua)學組(zu)成 ZBPYR的UHPLC-ESI-Q-TOF-MS總離(li)子色譜圖顯(xian)示：檢測到123種正(zheng)離(li)子模式(shi)(shi)(shi)的化合物和(he)120種負離(li)子模式(shi)(shi)(shi)的化合物，并發現75種正(zheng)離(li)子和(he)負離(li)子模式(shi)(shi)(shi)的化合物。 圖(tu)1 ZBPYR 的 UHPLC-ESI-Q-TOF-MS 總離子色譜圖(tu) 2.ZBPYR改善ZDF大鼠糖代謝紊亂 實驗4周和10周后，與對(dui)照組相比，ZDF 大鼠(shu)逐漸出現(xian)(xian)糖(tang)代謝紊亂(luan)癥狀(zhuang)。表現(xian)(xian)為：測量(liang)(liang)隨機(ji)血糖(tang)（RBG）、糖(tang)化(hua)血紅(hong)蛋白（HbA1c%）、空腹血清胰(yi)島(dao)素(su)（FSI）和胰(yi)島(dao)素(su)抵抗(kang)指(zhi)(zhi)數的(de)(de)穩態模(mo)型（HOMA-IR）水平(ping)分別升高(gao)，出現(xian)(xian)糖(tang)耐(nai)量(liang)(liang)受損和胰(yi)島(dao)素(su)敏感(gan)性降低的(de)(de)癥狀(zhuang)等。高(gao)劑量(liang)(liang)和中劑量(liang)(liang) ZBPYR 以(yi)劑量(liang)(liang)依賴的(de)(de)方(fang)式(shi)顯著降低了各項指(zhi)(zhi)標(biao)的(de)(de)水平(ping)，改善了糖(tang)耐(nai)量(liang)(liang)受損的(de)(de)狀(zhuang)況，及(ji)糖(tang)代謝紊亂(luan)。 圖2 ZBPYR對大鼠糖代謝表型的影響 3.ZBPYR改善ZDF大鼠認知功能障礙 Morris水迷宮（MWM）測試(shi)用于評估ZDF大(da)鼠的學習(xi)和記憶能力(li)。經 ZBPYR 治療后，高劑量(liang)治療組ZDF大(da)鼠的認知功能有了(le)顯著改善，ZBPYR以劑量(liang)依賴的方式顯著改善了(le)ZDF大(da)鼠的認知功能。 圖3 Morris水迷宮實驗評價ZBPYR對大鼠學習記憶能力的影響 4.ZBPYR調節ZDF大鼠腸道微生物群和關鍵細菌物種的整體組成 經16S rRNA 測(ce)序分(fen)析，發(fa)現ZBPYR的(de)(de)干預(yu)改(gai)變了(le)細(xi)菌(jun)群落(luo)豐度及細(xi)菌(jun)群落(luo)結構(gou)。隨著 DACD 從 T2DM 發(fa)展而來，腸道(dao)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)群發(fa)生(sheng)(sheng)了(le)隨時間(jian)變化的(de)(de)動態改(gai)變，而固著菌(jun)和類桿菌(jun)的(de)(de)衍生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)是(shi)區分(fen)組別的(de)(de)關鍵(jian)改(gai)變。ZBPYR調控的(de)(de)腸道(dao)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)群結構(gou)的(de)(de)變化可能(neng)(neng)與認知功(gong)能(neng)(neng)的(de)(de)改(gai)善有關。 圖4 ZBPYR治療對大鼠腸道微生物的影響 5.ZBPYR 影響 ZDF 大鼠腦內的胰島素抵抗和淀粉樣斑塊負荷 PICRUSt分析表(biao)(biao)明，阿爾茨海默病（AD）和(he)胰島素信號通路主要富集于15周齡的(de)(de)ZDF大鼠。通過對(dui)海馬和(he)皮層區域進(jin)行(xing)剛果紅染(ran)色，檢測致密的(de)(de)淀粉(fen)樣(yang)斑塊(kuai)，發現ZBPYR治療可(ke)(ke)以減少淀粉(fen)樣(yang)斑塊(kuai)的(de)(de)負擔；結(jie)合(he)蛋白表(biao)(biao)達(da)，發現ZBPYR可(ke)(ke)改(gai)善ZDF大鼠的(de)(de)腦胰島素抵抗。 圖5 ZBPYR對腦內Aβ沉積和胰島素信號通路蛋白表達的影響 6.ZBPYR 動態恢復了 ZDF 大鼠的整體代謝結構異常和代謝變化 基于代(dai)謝(xie)組學分析(xi)，共鑒定(ding)和定(ding)量(liang)了 103 種代(dai)謝(xie)物(wu)，氨基酸(suan)(suan)、脂肪酸(suan)(suan)和有機酸(suan)(suan)是主要的注釋代(dai)謝(xie)物(wu)類型。研究發現，ZDF 大鼠腸(chang)道內容(rong)物(wu)的代(dai)謝(xie)譜(pu)與 LZ 大鼠的代(dai)謝(xie)譜(pu)存在顯著(zhu)(zhu)差異，隨著(zhu)(zhu)時間的推移，ZBPYR 治療(liao)顯著(zhu)(zhu)逆轉了 ZDF 大鼠腸(chang)道內容(rong)物(wu)的代(dai)謝(xie)特征。 圖6 ZBPYR 對大鼠腸道內容物中代謝物組成的影響 7.基于微生物群-腸-腦軸的 ZBPYR 抗 DACD 機制的生物信息學分析和相關網絡構建 作為(wei)(wei) "微生物(wu)(wu)(wu)群(qun)-腸(chang)-腦(nao)(nao)軸(zhou)(zhou) "的關鍵軸(zhou)(zhou)元素，代謝(xie)物(wu)(wu)(wu)可進入血液循環并影響腸(chang)道與大腦(nao)(nao)之(zhi)間的交流。因(yin)此，在本研究中，這(zhe)些(xie)生物(wu)(wu)(wu)標志物(wu)(wu)(wu)被預測為(wei)(wei)潛在的 "微生物(wu)(wu)(wu)群(qun)-腸(chang)-腦(nao)(nao)軸(zhou)(zhou)"，可能有助(zhu)于 DACD 的發展和 ZBPYR 的治療靶點(dian)。 圖7 整合細菌屬、腸道代謝物、海馬代謝物和 DACD 表型的相關性分析 研究結論 1.患有 DACD 的(de)(de) T2DM ZDF 大鼠(shu)發病過程(cheng)中的(de)(de)記憶缺(que)陷，與腸道微(wei)生物(wu)(wu)群的(de)(de)功能(neng)障礙和(he)海馬體中微(wei)生物(wu)(wu)群代謝(xie)物(wu)(wu)的(de)(de)改變(bian)(bian)相關。ZBPYR調節DACD相關的(de)(de)腸道菌群失調，并逆(ni)轉大腦中Aβ沉積(ji)和(he)胰島素抵(di)抗。這些特征可能(neng)與一系列受腸道菌群影響的(de)(de)代謝(xie)變(bian)(bian)化有關。 2.本研究首次表明腸道菌(jun)群及(ji)其代謝活(huo)性，以及(ji)中(zhong)藥(yao)(yao)（如ZBPYR）的療效可能(neng)與DACD的進展有關。微生物-腸-腦軸(zhou)為探索DACD相關的病理變化(hua)提供新的視角，并(bing)有助(zhu)于(yu)更好地理解基于(yu)中(zhong)藥(yao)(yao)治療方案對預(yu)防DACD發展的作用機(ji)制。
二、糞便微生物組移植改變肥胖大鼠對2型糖尿病易感性的影響 《Aging-us》 影響(xiang)因子：5.2 1.文(wen)章題目：Fecal microbiota transplantation alters the susceptibility of obese rats to type 2 diabetes mellitus 2.組學(xue)技術手段：微生物(wu)組(zu)、靶向(xiang)代謝組(zu) 本研究的16S rRNA 測序(xu)和(he)數據分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。 研究(jiu)背景 肥胖(pang)(pang)(pang)是(shi)2型糖(tang)尿病（T2DM）的(de)(de)易(yi)感(gan)因(yin)素之一，兩(liang)者都會加速人體(ti)衰老并(bing)帶來諸多危害。本(ben)研究使(shi)用 16S rRNA 和靶向代(dai)謝組(zu)學評估了微生物群(qun)對肥胖(pang)(pang)(pang)大(da)鼠(shu) T2DM 易(yi)感(gan)性的(de)(de)定向影響，揭示腸(chang)(chang)道(dao)穩(wen)態可能是(shi)控制(zhi)肥胖(pang)(pang)(pang)和預防 T2DM 的(de)(de)關鍵，多角度(du)分析了腸(chang)(chang)道(dao)微生物群(qun)在(zai)肥胖(pang)(pang)(pang)向 T2DM 演變過程(cheng)中的(de)(de)指向性。 技術路線(xian) 研究結果 1.FMT改變了ZDF大鼠的糖脂代謝表型 在供體組(zu)(zu)中，所(suo)有(you)代(dai)謝評(ping)估指標(biao)都表明(ming)(ming)，ZDF 組(zu)(zu)成功誘導了(le)肥胖 T2DM 模型，且與 LZ 組(zu)(zu)有(you)顯(xian)著差異。ZDF受體大鼠(shu)(shu)中，移(yi)植正常微生(sheng)物(wu)群的(de)(de)(de)大鼠(shu)(shu)體重(zhong)增(zeng)加顯(xian)著下(xia)降，而(er)移(yi)植肥胖-T2DM微生(sheng)物(wu)群的(de)(de)(de)大鼠(shu)(shu)體重(zhong)增(zeng)加呈(cheng)上升趨勢，Z-Zg組(zu)(zu)的(de)(de)(de)腹圍(wei)顯(xian)著增(zeng)加，Z-P組(zu)(zu)和Z-Zg組(zu)(zu)的(de)(de)(de)隨機血糖明(ming)(ming)顯(xian)高于(yu)Z-Lg組(zu)(zu)。血脂的(de)(de)(de)變化表明(ming)(ming)，Z-Lg 組(zu)(zu)優于(yu) Z-P 組(zu)(zu)。口服葡(pu)萄(tao)糖耐(nai)量(liang)(liang)試驗（OGTT）和胰(yi)島素耐(nai)量(liang)(liang)試驗（ITT）顯(xian)示(shi)，Z-Lg組(zu)(zu)的(de)(de)(de)葡(pu)萄(tao)糖耐(nai)量(liang)(liang)和胰(yi)島素耐(nai)量(liang)(liang)優于(yu)Z-P組(zu)(zu)和Z-Zg組(zu)(zu)，表明(ming)(ming)移(yi)植LZ腸(chang)道微生(sheng)物(wu)群改善(shan)了(le)ZDF大鼠(shu)(shu)的(de)(de)(de)胰(yi)島素抵抗(kang)。 圖8 移植前后受體大鼠糖脂代謝表型的變化 2.FMT 對大鼠腸道群落的影響 根(gen)據(ju)(ju)LZ和(he)(he)ZDF大(da)鼠的肥胖和(he)(he)T2DM病進(jin)(jin)展(zhan)以及微(wei)(wei)生物(wu)(wu)組(zu)變化(hua)，對(dui)(dui)照組(zu)LZ大(da)鼠對(dui)(dui)移植的LZ或ZDF大(da)鼠微(wei)(wei)生物(wu)(wu)組(zu)沒有顯示出顯著(zhu)的反應，這與ZDF大(da)鼠不同。據(ju)(ju)推測(ce)，ZDF大(da)鼠對(dui)(dui)肥胖和(he)(he)T2DM的易感性增(zeng)加。在此基(ji)礎(chu)上，微(wei)(wei)生物(wu)(wu)組(zu)結構(gou)的改(gai)變可(ke)以抑制(zhi)或促(cu)進(jin)(jin)FMT癥狀，這為腸(chang)道微(wei)(wei)生物(wu)(wu)組(zu)在T2DM進(jin)(jin)展(zhan)中的定向作用增(zeng)加了(le)證(zheng)據(ju)(ju)。 圖9 FMT之后每個類群中的特定門和屬 3.FMT改變了ZDF大鼠的病理結構和胰島素/瘦素信號通路 移(yi)(yi)植瘦(shou)對照組大(da)鼠的微(wei)生物群可以(yi)通(tong)過調節胰(yi)島素(su)(su)抵抗(kang)和(he)瘦(shou)素(su)(su)抵抗(kang)來減輕基因缺陷導(dao)致的糖(tang)代謝功能障礙，而移(yi)(yi)植肥(fei)胖 T2DM 大(da)鼠的微(wei)生物群則會加(jia)重(zhong) 胰(yi)島素(su)(su)抵抗(kang)（IR）和(he)瘦(shou)素(su)(su)抵抗(kang)（LR）。 圖10 FMT 對大鼠腸道病理結構、IR 和 LR 的影響 4.FMT改變ZDF大鼠的腸道代謝結構和特征 為了確定不同(tong)樣(yang)本(ben)代謝(xie)(xie)物之間(jian)的(de)異同(tong)，對所有(you)差(cha)異代謝(xie)(xie)物進行了自然聚類。結果表明：Z-P 組(zu)(zu)(zu)和(he) Z-Zg 組(zu)(zu)(zu)的(de)某些代謝(xie)(xie)物具有(you)特定的(de)聚類效應，與(yu) L-P 組(zu)(zu)(zu)或 Z-Lg 組(zu)(zu)(zu)有(you)顯著差(cha)異。經統計分析得到的(de)排名靠前的(de)代表性(xing)差(cha)異代謝(xie)(xie)物方框(kuang)圖中，移植(zhi) LZ 大(da)(da)鼠(shu)(shu)微生(sheng)物群后，代謝(xie)(xie)物轉變(bian)為 L-P 對照組(zu)(zu)(zu)的(de)代謝(xie)(xie)結構，而移植(zhi) ZDF 大(da)(da)鼠(shu)(shu)微生(sheng)物群后代謝(xie)(xie)方向完全(quan)改變(bian)。 圖11 FMT后ZDF大鼠腸道菌群的代謝產物組成 5.宿主表型、腸道微生物群和代謝物之間的潛在關系 通過計算(suan)Spearman相(xiang)關系(xi)(xi)數生(sheng)成相(xiang)關矩陣(zhen)，來全面分析宿(su)主表(biao)型、腸(chang)(chang)道微生(sheng)物(wu)(wu)群(qun)和腸(chang)(chang)道微生(sheng)物(wu)(wu)代謝(xie)物(wu)(wu)之間的關系(xi)(xi)。發現：宿(su)主與(yu)微生(sheng)物(wu)(wu)群(qun)在(zai)共生(sheng)進化過程中形成的腸(chang)(chang)-胰(yi)(yi)島(dao)素(su)軸調節胰(yi)(yi)島(dao)素(su)水(shui)平，證(zheng)實了微生(sheng)物(wu)(wu)與(yu)宿(su)主在(zai)肥胖-T2DM 過程中存在(zai)密切關系(xi)(xi)。 圖12 腸道微生物組、表型和代謝組的三層分析關聯整合圖 研究結論 本研(yan)究揭示了(le)腸道(dao)(dao)微生物(wu)群(qun)在引導肥胖(pang)癥向T2DM發展過程中的(de)作用(yong)。腸道(dao)(dao)微生物(wu)群(qun)更多(duo)地(di)參(can)與(yu)了(le)催化(hua)疾(ji)病的(de)進(jin)展，而(er)不是引發疾(ji)病。FMT與(yu)個性化(hua)益生菌(jun)的(de)組合或(huo)添加“缺失(shi)”的(de)腸道(dao)(dao)細(xi)菌(jun)菌(jun)株(zhu)可能會增強傳(chuan)統治(zhi)療(liao)(liao)策略的(de)效(xiao)果。這(zhe)一發現為利用(yong)FMT預防和(he)治(zhi)療(liao)(liao)T2DM提(ti)供了(le)新的(de)思路(lu)，期望通過調整飲食結構(gou)或(huo)提(ti)供治(zhi)療(liao)(liao)性FMT可以(yi)降低胰島(dao)素抵抗，控制肥胖(pang)，延(yan)緩和(he)逆轉(zhuan)T2DM的(de)發展。
原文索引： 1.Bi T, Feng R, Zhan L, et al. ZiBuPiYin recipe prevented and treated cognitive decline in ZDF rats with diabetes-associated cognitive decline via microbiota–gut–brain Axis dialogue[J]. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2021, 9: 651517. //www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8416319/ 2.Zhang L, Zhou W, Zhan L, et al. Fecal microbiota transplantation alters the susceptibility of obese rats to type 2 diabetes mellitus[J]. Aging (Albany NY), 2020, 12(17): 17480. //www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7521520/
