肠道中存在的数量庞大的微生物,这群微生物依靠动物的肠道生活,同时帮助寄主完成多种生理生化功能，构成了复杂的生态系统。肠道不仅是人体消化吸收的重要场所，同时也是最大的免疫器官，在维持正常免疫防御功能中发挥着极其重要的作用。人体肠道为微生物提供了良好的栖息环境，具有人体自身不具备的代谢功能。 作为人体最庞大、最复杂的微生态系统，肠道微生物本身及其代谢产物不仅能调节人体健康，更在膳食和宿主之间起到了重要的桥梁作用。

肠道菌群的代谢底物主要来自于宿主不能或未完全消化的食物及肠道上皮细胞分泌的内源性粘液。经过肠道菌群的消化，产生许多对人体有害或有益的代谢产物，如三甲胺，胆汁酸、短链脂肪酸等， 肠道细菌及其代谢产物如表一所示。

表1: 肠道细菌及其代谢产物

 

SCFAs（短链脂肪酸）是饮食、微生物群和健康之间相互作用的主要参与者。SCFAs在脂肪尾巴中含有少于6个碳，在肠道中含量最丰富的是醋酸盐(C2)、丙酸(C3)和丁酸盐(C4)。SCFAs是微生物发酵复杂多糖的代谢副产品，这些多糖在人体小肠中没有被消化，或者只被部分消化。这些不可消化的多糖(NDPs)存在于植物细胞壁中，并进一步分为可溶性和不溶性膳食纤维。可溶性NDP是高度可发酵的，通常比可溶性纤维在结肠中产生更多的SCFA。

短链脂肪酸对于维持粘膜动态平衡至关重要，肠道菌群发酵产生的短链脂肪酸与人体健康有着密切的关系，接下来给大家分享4篇微生物组+短链脂肪酸的案例分享。

图1.短链脂肪酸(SCFA)对肠道以外的器官和组织的影响，包括发育中的胎儿。富含不可消化纤维的饮食可促进微生物发酵和结肠中SCFA的产生，从而通过直接作用于肠道上皮细胞和免疫细胞来促进粘膜动态平衡。[2]

 

案例一：芦荟素对肠道细菌群落结构、短链脂肪酸代谢和肠上皮细胞通透性的剂量依赖性影响[3]

发表时间：2019年3月

主要内容：芦荟叶或纯化芦荟素产品具有多种治疗和药用特性。它被广泛用作各种食品、化妆品和医药产品的配料。动物研究表明，食用芦荟或精制芦荟素会导致肠杯状细胞增生和恶性肿瘤。研究者试验了芦荟素对肠道共生微生物群的抗菌效果。对几种人类共生细菌的最低抑菌浓度为1~4 mg/ml。代谢研究表明，与Eubacterium spp相比，屎肠球菌降解芦荟素为芦荟大黄素的速率较慢。将3%的大鼠粪便(模拟人类结肠内容物的体外模型)与0.5、1和2 mg/ml的芦荟素孵育测试抗菌特性。低浓度芦荟素对肠道细菌的扰动较小，高浓度芦荟素对乳杆菌的生长有促进作用。芦荟素对粪便微生物群中丁酸产量也有一定的抑制作用，且呈剂量依赖关系。16S rRNA序列数据显示，芦荟素降低了产丁酸细菌种类的丰度。跨上皮抵抗结果显示，芦荟素在较高浓度(500μM)时可改变肠屏障功能。综上所述，芦荟素对某些共生菌表现出抗菌性能，并以剂量依赖的方式减少丁酸的产生。

图2.芦荟苷对肠道菌群的影响

案例二：二甲双胍治疗和行为减肥对肠道微生物群和短链脂肪酸 (SCFA) 的长期影响[4]

发表时间：2021年5月

主要内容：二甲双胍是全球最常用的降糖药物，肠道是二甲双胍的主要储存处，空肠中的积累是血浆的30-300倍。广谱抗生素可消除动物实验中二甲双胍的微生物效应。也有证据表明二甲双胍会增加人类短链脂肪酸（SCFA）的产生。研究人员通过一项随机试验研究了二甲双胍治疗和行为减肥对肠道菌群和短链脂肪酸的长期影响。将121名超重/肥胖成年人，分为3组，分别接受二甲双胍、行为减重和对照干预12个月；收集粪便进行扩增子和宏基因组测序，测量空腹血清中 SCFA 和其他生化参数。结果表明，相较于其他两组，二甲双胍干预6个月和12个月增加了Escherichia和Ruminococcus torques，减少了Intestinibacter bartlettii；血清短链脂肪酸定量分析显示，与对照相比，二甲双胍干预6个月时血液乙酸、丁酸和戊酸水平升高；行为减重没有显著改变菌群组成，但在6个月时血液乙酸水平升高，12个月时甲基丁酸水平降低；细菌类群的变化与血清SCFAs的变化弱相关，而乙酸盐的增加与空腹胰岛素的下降显著相关，宏基因组测序显示，二甲双胍改变了 62 条宏基因组功能通路，包括一条醋酸盐生成通路和 3 条葡萄糖代谢通路。

图3.不同处理组短链脂肪酸的变化

 

案例三：高纤维饮食通过肠脑轴减轻母体肥胖引起的认知和社会功能障碍[5]

发表时间：2021年5月

主要内容：据报道，母亲肥胖与后代的神经发育障碍有关。然而，基本机制和有效干预措施仍不清楚。这项针对中国778名7-14岁儿童的横断面研究表明，母亲肥胖与儿童认知和社交能力低下密切相关。此外，已经证明，母

亲肥胖与儿童认知和社交能力低下密切相关。此外，已经证明，母亲肥胖会破坏后代的行为和肠道微生物群，母鼠或后代的高纤维饮食通过减轻突触损伤和小胶质细胞成熟缺陷恢复了这两种行为和肠道微生物群。共同居住和粪便微生物群移植实验揭示了微生物群与行为变化之间的因果关系。此外，用微生物群衍生的短链脂肪酸治疗也减轻了肥胖母鼠后代的行为缺陷。总之，研究表明，微生物群代谢物脑轴可能是母亲肥胖引起的认知和社会功能障碍的基础，高膳食纤维摄入可能是一种有希望的干预措施。
(1)母亲肥胖与儿童的认知和社交能力下降有关。
(2)母亲或后代的高纤维饮食可防止后代出现行为障碍。
(3)高纤维饮食可减轻突触损伤和小胶质细胞成熟缺陷。
(4)微生物群-SCFA-脑轴介导母体肥胖引起的行为障碍

图4.微生物群-SCFA-脑轴介导母体肥胖引起的行为障碍

 

案例四：荔枝果肉多酚通过肠道微生物激活SCFA-FFAR信号级联改善小鼠肠粘膜屏障损伤[6]

发表时间：2021年2月

主要内容：越来越多的证据表明，食用富含酚类物质的水果和蔬菜，可以有效地预防和缓解肠粘膜屏障损伤。该研究采用DSS诱导的小鼠结肠炎模型，（1）验证 LPP 是否对维持肠道屏障的完整性有益；（2）以5-ASA为对照，研究LPP对肠道炎症的改善作用；（3）进一步阐明LPP调节肠粘膜屏障与肠道微生物失调的相关机制。结果表明，补充 LPP可减轻DSS引起的肠粘膜屏障的破坏，LPP 和5- 氨基水杨酸(5-ASA)处理均可下调 TLR-4、 NLRP3和促炎细胞因子的表达至正常水平。LPP (500mg/kg/d)处理能有效地提高 FFAR2和 FFAR3的表达和短链脂肪酸(SCFAs)的含量，表明 SCFA-FFAR (游离脂肪酸受体)途径的激活。益生菌类群和微生物群(Akkermansia，Lactobacillus，Coprococcus，and Bacteroides uniformis)的丰度与 SCFA合成相关，而有害细菌(Enterococcus and Aggregatibacter)则被抑制。这些数据表明，LPP可以改善肠道屏障损伤，激活肠道微生物群 SCFA-FFAR信号传递，抑制 TLR4/NLRP3-NF-κB通路，因此，LPP 补充剂可能是一种保护肠道的有效方法。

图5.LPP 对DSS诱导的小鼠结肠炎肠道微生物组成的调节作用。

基于以上四篇文章我们可以发现，微生物组+代谢组能够更为全面的解析相关生物学问题，单一的组学技术往往只能得到较为有限的信息，运用多组学技术的到各部分数据后，进行关联分析，深入探究疾病发展机理，微生物与动植物互作机制等（如下图所示）。

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参考文献：

[1]Host-Gut Microbiota Metabolic Interactions[J]. Science, 336.

[2]Hee B , Wells J M . Microbial Regulation of Host Physiology by Short-chain Fatty Acids[J]. Trends in Microbiology,2021, 29(8).

[3] Gokulan K , Kolluru P , Cerniglia C E , et al. Dose-Dependent Effects of Aloin on the Intestinal Bacterial Community Structure, Short Chain Fatty Acids Metabolism and Intestinal Epithelial Cell Permeability[J]. Frontiers in Microbiology, 2019, 10.

[4]Mueller N T, Differding M K, Zhang M, et al. Metformin Affects Gut Microbiome Composition and Function and Circulating Short-Chain Fatty Acids: A Randomized Trial[J]. Diabetes Care, 2021. https://doi.org/10.2337/dc20-2257.

[5]Liu X , Li X , Xia B , et al. High-fiber diet mitigates maternal obesity-induced cognitive and social dysfunction in the offspring via gut-brain axis[J]. Cell Metabolism, 2021.https://doi.org/10.1016/j.cmet.

[6]Huang G, Wang Z, Wu G, et al. Lychee (Litchi chinensis Sonn.) Pulp Phenolics Activate the Short-Chain Fatty Acid-Free Fatty Acid Receptor Anti-inflammatory Pathway by Regulating Microbiota and Mitigate Intestinal Barrier Damage in Dextran Sulfate Sodium-Induced Colitis in Mice[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2021, 69(11): 3326-3339.
https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c07407