5月10日，Nature Communications在線發(fā)表了上海交通大學(xué)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心（系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究院/體育系）程蜀琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）陳洛南研究組與上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院張晨虹團(tuán)隊(duì)的合作研究成果 A randomized controlled trial for response of microbiome network to exercise and diet intervention in patients with nonalcoholic fatty liver disease。該研究發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)和膳食干預(yù)能夠提高腸道微生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而影響肝臟脂肪堆積的改善。并且干預(yù)前的個(gè)體腸道菌群網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)與膳食干預(yù)響應(yīng)效果，為NAFLD的個(gè)性化治療策略提供了新途徑。

 

　　上海交通大學(xué)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心程蜀琳教授、中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳洛南研究員、上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院張晨虹研究員為該論文的共同通訊作者。上海交通大學(xué)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心、生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生程潤坦和中科院分子細(xì)胞卓越中心博士生王璐為該論文的共同第一作者。

 

　　非酒精性脂肪肝病（nonalcoholic fatty liver disease, NAFLD）是一種表現(xiàn)為肝臟脂肪的異常堆積的代謝疾病，是目前世界范圍內(nèi)最常見的肝臟疾病，腸道菌群在疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。目前的研究表明運(yùn)動(dòng)與膳食能夠減少肝臟脂肪堆積、改善糖脂代謝生理指標(biāo)，但運(yùn)動(dòng)與膳食干預(yù)對(duì)NAFLD患者腸道菌群的具體影響尚未明確，一些研究結(jié)果之間也存在矛盾。運(yùn)動(dòng)與膳食干預(yù)如何影響腸道微生物結(jié)構(gòu)與功能，如何影響腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)，這些變化與NAFLD相關(guān)生理指標(biāo)的改善有何聯(lián)系，仍需進(jìn)一步探索。此外，患者個(gè)體對(duì)于運(yùn)動(dòng)與膳食干預(yù)的響應(yīng)存在異質(zhì)性，能夠區(qū)分患者對(duì)于不同干預(yù)方式的響應(yīng)，將有助于更加高效的制定個(gè)性化干預(yù)策略。

 

　　研究團(tuán)隊(duì)之前報(bào)道了一項(xiàng)為期8.6個(gè)月的四組（有氧運(yùn)動(dòng)AEx，n = 29；飲食Diet，n = 28；有氧運(yùn)動(dòng)+飲食AED，n = 29；無干預(yù)NI，n = 29）隨機(jī)、單盲（針對(duì)研究人員），對(duì)NAFLD伴隨糖尿病前期患者進(jìn)行的對(duì)照干預(yù)試驗(yàn)（下圖1左），以評(píng)估干預(yù)措施對(duì)肝臟脂肪含量和葡萄糖代謝的影響。本文中，研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了試驗(yàn)的第三個(gè)主要結(jié)果運(yùn)動(dòng)與膳食干預(yù)對(duì)腸道菌群的影響。

 

　　研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干預(yù)后AED、AEx、Diet組的肝臟脂肪含量（hepatic fat conten, HFC）分別顯著下降47.9%、24.4干預(yù)%和23.2%，NI組上升了20.9%。盡管干預(yù)組HFC顯著改善，但患者個(gè)體對(duì)干預(yù)有很大的響應(yīng)異質(zhì)性（下圖1右）。

 

　　對(duì)腸道微生物結(jié)構(gòu)和功能的分析表明，患者腸道菌群的α多樣性在運(yùn)動(dòng)與膳食干預(yù)后維持不變，但在NI組顯著下降。干預(yù)后NI組β多樣性的分布與干預(yù)組存在顯著差異，且NI組的分布相比干預(yù)組更加彌散。對(duì)擴(kuò)增子序列變異（amplicon sequence variants, ASV）相對(duì)豐度的分析顯示，干預(yù)組和NI組之間共有36個(gè)ASV出現(xiàn)顯著差異，其中AED組的差異最大。擬桿菌屬（Bacteroides）的ASV2468，瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）的ASV3307和Lachnospira的ASV4538的改變與HFC的減少顯著負(fù)相關(guān)，獨(dú)立于體重和脂肪量的變化。進(jìn)一步對(duì)腸道菌群的重要代謝產(chǎn)物SCFAs進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其總量在干預(yù)前后沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但運(yùn)動(dòng)干預(yù)降低了腸道菌群乙酸的產(chǎn)生，膳食干預(yù)使乙酸和丙酸顯著下降。這些結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)與膳食干預(yù)改變了NAFLD患者腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能，這種改變和生理指標(biāo)的變化有關(guān)。

 

　　此外，腸道微生物作為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，菌群成員之間的相互作用關(guān)系同樣重要。為了識(shí)別微生物生態(tài)系統(tǒng)中作為功能組對(duì)干預(yù)做出響應(yīng)的細(xì)菌，我們采用共豐富組（co-abundance group, CAG）來分析微生物生態(tài)系統(tǒng)中的群落結(jié)構(gòu)，共定義了35個(gè)CAG，并以此構(gòu)建了所有組干預(yù)前后患者群體的的微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（下圖2）。發(fā)現(xiàn)三個(gè)干預(yù)組的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣?，包括連接度、穩(wěn)定性都在干預(yù)后顯著增加，而這些指標(biāo)在NI組都降低。上述結(jié)果提示腸道菌群微生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的增強(qiáng)可能體現(xiàn)了肝臟脂肪堆積情況的改善。

 

　　患者群體網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)的分析顯示，干預(yù)組（a：運(yùn)動(dòng)組，b:膳食組，c:運(yùn)動(dòng)+膳食組）在干預(yù)后網(wǎng)絡(luò)的連接度、魯棒性分?jǐn)?shù)更高，而這些指標(biāo)在對(duì)照組（d）都降低了（下圖3）。考慮到肝臟脂肪堆積的改善情況，這些網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)可能體現(xiàn)了患者對(duì)干預(yù)的響應(yīng)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析表明，群體網(wǎng)絡(luò)是一種無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，據(jù)此確立4個(gè)作為網(wǎng)絡(luò)樞紐的基石類群CAG6、CAG7、CAG8和CAG28，其代表ASV分別屬于擬桿菌屬（Bacteroides）、瘤胃球菌科UCG-4（Ruminococcaceae UCG-4）、Alistipes和Subdoligranulum。

 

　　患者群體的腸道菌群網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果表明微生物的網(wǎng)絡(luò)特征和NAFLD患者的肝臟脂肪堆積有直接聯(lián)系，據(jù)此進(jìn)一步開發(fā)了一種單樣本SparCC網(wǎng)絡(luò)（single SparCC network）的新方法，可建立患者個(gè)體的腸道菌群網(wǎng)絡(luò)，并由個(gè)體網(wǎng)絡(luò)特征或網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志物來預(yù)測(cè)患者對(duì)運(yùn)動(dòng)與膳食干預(yù)的響應(yīng)。與傳統(tǒng)的一組樣本中的相關(guān)系數(shù)，例如Spearman和Pearson相比，單樣本SparCC網(wǎng)絡(luò)方法基于個(gè)體患者的微生物間關(guān)聯(lián)的異質(zhì)性，可在網(wǎng)絡(luò)層面研究每個(gè)樣本的特征（下圖4）。

 

　　進(jìn)一步通過干預(yù)前的個(gè)體網(wǎng)絡(luò)中的邊數(shù)來區(qū)分響應(yīng)者/無響應(yīng)者。在線性回歸分析中，AEx組的個(gè)體網(wǎng)絡(luò)邊的數(shù)目準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了HFC的變化，并具有顯著性（下圖5左）。為了評(píng)估個(gè)體網(wǎng)絡(luò)中的邊數(shù)對(duì)于干預(yù)響應(yīng)的預(yù)測(cè)能力，研究者構(gòu)造了一個(gè)無監(jiān)督的分類器，發(fā)現(xiàn)不同干預(yù)組都顯示出來良好的預(yù)測(cè)效果，其中AED組效果最好（下圖5右）。上述宏基因組數(shù)據(jù)的結(jié)果也在16S rRNA數(shù)據(jù)中得到了驗(yàn)證。

 

　　綜上所述，本研究通過隨機(jī)對(duì)照臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：（1）有氧運(yùn)動(dòng)與膳食干預(yù)可以改變NAFLD患者腸道菌群結(jié)構(gòu)和功能；（2）有氧運(yùn)動(dòng)和膳食干預(yù)能夠提高腸道微生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而影響肝臟脂肪堆積的改善；（3）干預(yù)前的個(gè)體腸道菌群網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)與膳食干預(yù)響應(yīng)效果，為NAFLD的個(gè)性化治療策略提供了新途徑。

 

　　本研究合作參與者還有來自上海體育學(xué)院、寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院和芬蘭Jyvaskyla大學(xué)的研究者。該項(xiàng)研究工作得到了科技部、基金委、上海交通大學(xué)和中科院的科研基金支持。

 

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　　https://www.nature.com/articles/s41467-022-29968-0