无菌小鼠移植高糖饮食
诱变菌群提升化学诱导结肠炎的易感性
供稿人：杨亚鹏整理编辑：谢许茵
题目：Dietarysimplesugarsaltermicrobialecologyinthegutandpromotecolitisinmice
发表期刊：《ScienceTranslationalMedicine》
发表时间：.10.28IF：16.
通讯研究者：HasanZaki
发表单位：DepartmentofPathology,UTSouthwesternMedicalCenter
DOI：10./scitranslmed.aay
论文框架：
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研究摘要：
西方国家炎症性肠病(IBD)的较高患病率表明西方饮食可能是IBD的危险因素。高糖是西方饮食的一个标志，与许多非传染性疾病有关，但它在IBD中的作用尚不清楚。本文研究者研究了葡萄糖和果糖等单糖对野生型和IL10?/?小鼠结肠炎发病的影响。饮用10%葡萄糖或高糖饮食的野生型小鼠由葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导产生严重结肠炎。此外，与没有接受葡萄糖处理的IL10?/?小鼠相比，高糖喂养的IL10?/?小鼠也出现了更严重的结肠炎。短期摄入高糖或果糖不会引发健康肠道的炎症反应，但会显著改变肠道微生物群落的组成，特别是粘液降解菌Akkermansiamaciniopha和BacteroidesFragilis的丰度增加。在喂糖的野生型和IL10?/?小鼠中，细菌衍生的粘液溶酶持续富集，导致结肠粘液层的侵蚀。当小鼠保持在无菌环境中时，没有观察到糖诱导的结肠炎的加重，这表明微生物群的改变在糖诱导的结肠炎的发病机制中起着关键作用。此外，无菌小鼠被来自糖处理的小鼠的微生物群定居，显示出结肠炎的易感性增加。综上所述，这些数据表明，摄入单糖易导致结肠炎，并通过调节小鼠肠道微生物区系来增强其发病机制。
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研究背景：
炎症性肠病(IBD)，包括溃疡性结肠炎和克罗恩病，是一种慢性胃肠道炎症性疾病，已发现多个遗传易感基因位点，表明了IBD发病机制的复杂性。其在西方国家更为普遍表明与西方饮食和生活方式有关。以精制糖、脂肪和动物蛋白含量较高为特征的西方饮食，已被认为与包括肥胖、2型糖尿病、心血管疾病和癌症在内的慢性病发病率增加有关。流行病学研究已将IBD发病率与食用富含糖和碳水化合物的饮食联系起来,但饮食中糖在IBD发病机制中的作用仍然存在争议。在这里，研究者利用野生型小鼠、IL10-/-小鼠、无菌小鼠模型研究了高糖饮食对肠道病理生理和结肠炎发病机制的影响。
03
研究结果：
3.1膳食单糖加重DSS诱导的小鼠结肠炎
为了解单纯食糖对结肠炎的影响，研究者用10%葡萄糖喂养C57BL/6J小鼠7天。这个剂量的葡萄糖在临床上是有意义的，因为软饮料含有大约15%的糖。然后给小鼠注射2.5%的葡聚糖硫酸钠(DSS)和10%的葡萄糖(图1A)。葡萄糖处理的小鼠对DSS治疗表现出极高的敏感性，患有侵袭性结肠炎，并伴有出血性腹泻，体重迅速下降近20%，而对照组小鼠保持健康，体重稳定(图1，B至D)。DSS给药后第3天的形态测量和组织病理学显示，葡萄糖处理组小鼠的结肠比对照组短(图1，E和F)，并表现出多种结肠炎特征，上皮腺丢失，炎症和溃疡(图1，G和H)。
Fig1:膳食单糖加重DSS诱导的小鼠结肠炎
3.2DSS诱导结肠炎前后摄入单糖对结肠炎的影响
为了了解DSS前的糖摄入是否在恶化的结肠炎发病机制中起作用，研究者用10%葡萄糖处理了一组小鼠7天。10%葡萄糖处理组以及未经10%葡萄糖处理的队列接受2.5%DSS和3%葡萄糖，对照组仅给予2.5%DSS(图S4A)。与仅接受3%葡萄糖和2.5%DSS(无10%葡萄糖预处理)的小鼠相比，用10%葡萄糖预处理的小鼠发生更严重的结肠炎(图S4，B和C)。虽然体重变化具有可比性，但葡萄糖后处理小鼠的结肠长度显著短于未处理对照组(P0.05)(图S4C)，表明单糖对DSS诱导的结肠炎发病机制具有累加效应。当DSS给药期间糖浓度增加至5%时，这种情况更为明显(图2A)，与未接受葡萄糖治疗的对照组(图2，B至D)相比，这导致了更高的体重减轻、更严重的腹泻和直肠出血以及更大的结肠缩短。组织病理学变化显示了类似的趋势，更严重的疾病是由高糖引起的(图2，E和F)。因此，高糖饮食的摄入会加重结肠炎的发病机制。接下来，研究者检测了单独摄入糖前是否足以增强结肠炎发病机制。为此，给小鼠喂食10%葡萄糖或不处理7天，然后喂食3%DSS5天(不含任何葡萄糖)(图2G)。与未接受葡萄糖预处理的小鼠相比，接受葡萄糖预处理的小鼠发生了更严重的结肠炎，这通过更高的体重损失、结肠炎临床指数和更短的结肠长度来反映(图2，H至J)。仅用糖预处理的小鼠中结肠炎发病机制的严重程度明显低于DSS前和DSS后接受糖处理的小鼠(图1，J至L和2，H至J)。总之，这些数据表明结肠炎发病机制通过糖摄入得到增强，并清楚地表明结肠炎前食用高热量糖的饮食习惯对结肠炎发病机制严重性的潜在病理学影响。
Fig2DSS诱导结肠炎前后摄入单糖对结肠炎的影响
3.3消耗葡萄糖会引发IL10-/-小鼠自发性结肠炎
由肠道上皮的化学损伤引起的高糖摄入增加结肠炎发病机理的观察使研究者测试了高糖在遗传易感宿主中是否发挥相似的作用。IL10是炎症性肠病的易感基因，IL10-/-小鼠被广泛用作自发性结肠炎的模型。在无特定病原体的动物设施中，IL10-/-小鼠在出生后大约15周出现结肠炎。因此，研究人员从14周龄开始用5%的葡萄糖治疗IL10-/-小鼠。每周测量体重变化和临床评分，连续5周。在19周龄时，接受葡萄糖治疗的IL10-/-小鼠有90%患上结肠炎，相比之下，同窝仔对照IL10-/-小鼠患结肠炎的比例为40%(图3A)。与对照组IL10-/-小鼠相比，葡萄糖喂养的IL10-/-小鼠表现出更大的体重损失和更高的腹泻和直肠出血(图3，B到D)。结肠组织的组织病理学分析显示，接受5%葡萄糖的IL10-/-小鼠结肠炎症和增生增加(图3，E和F)。研究者测量了糖处理和未处理的IL10-/-小鼠结肠中炎症分子的表达，结肠炎性介质LCN2、IL1β、IL6、CXCL1和CXCL2在糖处理的小鼠结肠中表达较高(图S5A)。
由于微生物群的依赖，IL10?/?小鼠的自发性结肠炎发展是不规则的。然而，服用吡罗昔康(一种非甾体抗炎药)可以在更年轻的IL10?/?小鼠中均匀地诱导结肠炎。因此，研究者用吡罗昔康诱导年轻健康的IL10?/?小鼠结肠炎，以检查葡萄糖摄入前后的影响。喂食10%葡萄糖7天的IL10?/?小鼠出现严重结肠炎，服用吡罗昔康4天后体重减轻20%以上(图3，G和H)。一致的是，葡萄糖预处理的IL10?/?小鼠的结肠显著缩短(P0.；图3，I和J)。
接下来，在吡罗昔康给药5天后，研究者用10%葡萄糖或常规饮用水喂养IL10?/?小鼠(图3K)。最初，所有吡罗昔康治疗的小鼠持续体重减轻。一旦停药吡罗昔康，对照组在10天内从结肠炎中恢复，而葡萄糖处理的小鼠在短暂恢复后继续减轻体重(图3L)。葡萄糖处理小鼠的结肠显著变短(P0.01)，进一步反映了高糖摄入对IL10?/?小鼠结肠炎的不利影响(图3，M和N)。与未接受葡萄糖治疗的对照组相比，接受葡萄糖治疗前和治疗后的IL10?/?小鼠均表现出炎症增加、结构扭曲和增生的组织病理学证据(图3，O和P)。一贯地，在葡萄糖处理的IL10-/-小鼠中，促炎细胞因子和趋化因子的表达较高(图S5B)。总之，高葡萄糖摄入引发了IL10?/?小鼠的结肠炎发展并加重了现有结肠炎。
Fig3消耗葡萄糖会引发IL10-/-小鼠自发性结肠炎
3.4短期高糖摄入不会对肠道病理生理产生不利影响
在喂糖的小鼠中，结肠炎的严重发展导致研究者检查短期摄入高糖是否会对肠道结构或生理产生不利影响。用10%的葡萄糖或果糖治疗小鼠7天，然后评估体重、结肠长度和组织病理学。糖处理组和对照组在体重变化或结肠长度方面没有发现差异(图S6A和B)。组织病理学分析显示结肠上皮隐窝结构正常(图4，A和B)。上皮细胞增殖缺陷与结肠炎发病机制有关，因为它会导致上皮屏障通透性。由于研究者未观察到糖喂养小鼠的上皮细胞增殖出现任何损伤，因此研究者解释说，糖喂养小鼠结肠炎发病率较高并非由于肠道通透性增加所致。此外，紧密连接蛋白(Tjp1、Cldn1、Cldn2和Ocln)的表达不受高葡萄糖和果糖摄入的影响(图4H)。接下来，研究人员通过测定黏蛋白的主要结构成分黏蛋白2(Muc2)的表达来检查高糖是否影响黏蛋白的产生。然而，通过实时qPCR和免疫染色测量的Muc2表达在糖处理和未处理小鼠的结肠中相当(图4，H至J)。与在野生型(WT)小鼠中观察到的一致，当消耗10%葡萄糖时，IL10-/-小鼠的结肠中没有不良变化，因为在葡萄糖处理的小鼠和未处理的小鼠之间，炎性分子的表达、炎性通路的激活、紧密连接蛋白的表达和Muc2的产生是可比较的(图S7，A至F)。考虑到这些观察结果，糖的促结肠炎作用似乎不涉及结肠粘膜明显的病理生理变。
Fig4短期高糖摄入不会对肠道病理生理产生不利影响
3.5单糖改变肠道微生物群落组成
上述结果和之前的研究表明，饮食对肠道微生物群的形成有影响，这导致了高糖饮食改变肠道微生物群组成的假设。因此，研究者用16S核糖体RNA(rRNA)基因测序分析了10%葡萄糖、果糖或蔗糖处理7天前后小鼠粪便样品的微生物组成。香农指数和辛普森指数的α多样性分析表明，葡萄糖显著降低了物种丰富度(P0.05；图5，A和B)。在果糖喂养的小鼠(P=0.06)和蔗糖喂养的小鼠(图5，A和B)中，没有发现α多样性的变化。IBD患者的肠道微生物区系组成显示物种丰富度降低。一贯地，与其他糖处理组相比，葡萄糖处理的小鼠最容易触发DSS诱导的结肠炎(图1J)。用Bray-Curtis法和加权UniFrac法分析了糖对微生物群落β多样性的影响。从主坐标分析图(图5、C和D)上明显的聚类格局可以看出，所有三个糖处理组的微生物种群的β多样性都发生了显著的变化(P0.)。这些数据表明，仅食用10%的葡萄糖、果糖或蔗糖7天就可以有效地改变肠道微生物群的组成。研究者在属水平上描述了高糖对不同细菌类群相对丰度的影响。所有三种糖处理都深刻地影响了多个细菌属的相对丰度。在葡萄糖喂养的小鼠中，Akkermansiaceae,Bacteroidaceae,Sutterellaceae,以及Marinilabiliaceae的相对丰度增加，而Lactobacillaceae,Lachnospiraceae,以及Rickenellaceae的相对丰度减少(图5，E和F)。果糖导致Sutterellaceae和一个未分类的细菌科的增加以及Lactobacillaceae和Muribaculaceae的减少(图S8，A和B)。葡萄糖和果糖处理组的小鼠也有蔗糖喂养小鼠的微生物群变化。在蔗糖喂养的小鼠中，Akkermansiaceae,Sutterellaceae,Marinilabiliaceae和Tannerellaceae的相对丰度增加，而Lactobacillaceae和Muribaculaceae的相对丰度减少(图S8、C和D)。
进一步比较了葡萄糖、果糖、和蔗糖喂养小鼠的肠道微生物群的α和β多样性与另一组对照小鼠的肠道微生物群的α-和β-多样性(图S9，A至D)。与对照组相比，所有三个糖处理组的小鼠中的α多样性减少(图S9，A和B)。糖处理小鼠的微生物群与对照组的微生物群明显聚集(图S9，C和D)。当比较糖处理和未处理对照组的微生物群组成时，在葡萄糖喂养的小鼠中Akkermansiaceae、Sutterellaceae和Marinilabiliaceae的相对丰度增加，而Lachnospiraceae、Lactobacillaceae和Rickenellaceae的相对丰度降低。果糖喂养的小鼠显示Sutterellaceae和Akkermansiaceae的丰度增加，Lactobacillaceae和Rickenellaceae的丰度降低(图S9，E和F)。蔗糖处理组微生物组成改变的特征是:Bacteroidaceae,Sutterellaceae,Marinilabiliaceae,和Tannerellaceae的丰度较高，Lactobacillaceae,Rickenellaceae,Lachnospiraceae,和Erysipelotrichaceae的丰度较低(图S9、E和F)。总体而言，与单独的对照组或糖处理前的同一组小鼠相比，所有三只糖处理小鼠中Akkermansiaceae和Sutterellaceae丰度增加，Lactobacillaceae丰度降低的模式一致。使用线性判别分析(LDA)效应大小(LEFSE)算法进行线性判别分析(LDA)，以识别在高糖摄入量下差异丰富的可操作微生物分类群(图5G和图S10、A和B)。在葡萄糖喂养的小鼠中Verru
