5月10日，Nature Communications在線發(fā)表了上海交通大學運動轉(zhuǎn)化醫(yī)學中心（系統(tǒng)生物醫(yī)學研究院/體育系）程蜀琳團隊、中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（生物化學與細胞生物學研究所）陳洛南研究組與上海交通大學生命科學技術(shù)學院張晨虹團隊的合作研究成果 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)有氧運動和膳食干預(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)前的個體腸道菌群網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)測運動與膳食干預(yù)響應(yīng)效果，為NAFLD的個性化治療策略提供了新途徑。
上海交通大學運動轉(zhuǎn)化醫(yī)學中心程蜀琳教授、中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心陳洛南研究員、上海交通大學生命科學技術(shù)學院張晨虹研究員為該論文的共同通訊作者。上海交通大學運動轉(zhuǎn)化醫(yī)學中心、生命科學技術(shù)學院博士生程潤坦和中科院分子細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?。╪onalcoholic 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。目前的研究表明運動與膳食能夠減少肝臟脂肪堆積、改善糖脂代謝生理指標，但運動與膳食干預(yù)對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。運動與膳食干預(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)生理指標的改善有何聯(lián)系，仍需進一步探索。此外，患者個體對于運動與膳食干預(yù)的響應(yīng)存在異質(zhì)性，能夠區(qū)分患者對于不同干預(yù)方式的響應(yīng)，將有助于更加高效的制定個性化干預(yù)策略。
研究團隊之前報道了一項為期8.6個月的四組（有氧運動AEx，n = 29；飲食Diet，n = 28；有氧運動+飲食AED，n = 29；無干預(yù)NI，n = 29）隨機、單盲（針對研究人員），對NAFLD伴隨糖尿病前期患者進行的對照干預(yù)試驗（下圖1左），以評估干預(yù)措施對肝臟脂肪含量和葡萄糖代謝的影響。本文中，研究團隊報道了試驗的第三個主要結(jié)果運動與膳食干預(yù)對腸道菌群的影響。
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，但患者個體對干預(yù)有很大的響應(yīng)異質(zhì)性（下圖1右）。
對腸道微生物結(jié)構(gòu)和功能的分析表明，患者腸道菌群的α多樣性在運動與膳食干預(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。對擴增子序列變異（amplicon sequence variants, ASV）相對豐度的分析顯示，干預(yù)組和NI組之間共有36個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的減少顯著負相關(guān)，獨立于體重和脂肪量的變化。進一步對腸道菌群的重要代謝產(chǎn)物SCFAs進行分析，發(fā)現(xiàn)其總量在干預(yù)前后沒有統(tǒng)計學差異，但運動干預(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，運動與膳食干預(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的變化有關(guān)。
此外，腸道微生物作為一個生態(tài)系統(tǒng)，菌群成員之間的相互作用關(guān)系同樣重要。為了識別微生物生態(tài)系統(tǒng)中作為功能組對干預(yù)做出響應(yīng)的細菌，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)三個干預(yù)組的網(wǎng)絡(luò)拓撲特征，包括連接度、穩(wěn)定性都在干預(yù)后顯著增加，而這些指標在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：運動組，b:膳食組，c:運動+膳食組）在干預(yù)后網(wǎng)絡(luò)的連接度、魯棒性分數(shù)更高，而這些指標在對照組（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)指標可能體現(xiàn)了患者對干預(yù)的響應(yīng)。對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析表明，群體網(wǎng)絡(luò)是一種無標度網(wǎng)絡(luò)，據(jù)此確立4個作為網(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，可建立患者個體的腸道菌群網(wǎng)絡(luò)，并由個體網(wǎng)絡(luò)特征或網(wǎng)絡(luò)標志物來預(yù)測患者對運動與膳食干預(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)層面研究每個樣本的特征（下圖4）。
進一步通過干預(yù)前的個體網(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組的個體網(wǎng)絡(luò)邊的數(shù)目準確地預(yù)測了HFC的變化，并具有顯著性（下圖5左）。為了評估個體網(wǎng)絡(luò)中的邊數(shù)對于干預(yù)響應(yīng)的預(yù)測能力，研究者構(gòu)造了一個無監(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)中得到了驗證。
綜上所述，本研究通過隨機對照臨床試驗發(fā)現(xiàn)：（1）有氧運動與膳食干預(yù)可以改變NAFLD患者腸道菌群結(jié)構(gòu)和功能；（2）有氧運動和膳食干預(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)前的個體腸道菌群網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)測運動與膳食干預(yù)響應(yīng)效果，為NAFLD的個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院、寧波大學醫(yī)學院和芬蘭Jyvaskyla大學的研究者。該項研究工作得到了科技部、基金委、上海交通大學和中科院的科研基金支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29968-0
日期：2022-05-18
上海交通大學運動轉(zhuǎn)化醫(yī)學中心程蜀琳教授、中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心陳洛南研究員、上海交通大學生命科學技術(shù)學院張晨虹研究員為該論文的共同通訊作者。上海交通大學運動轉(zhuǎn)化醫(yī)學中心、生命科學技術(shù)學院博士生程潤坦和中科院分子細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?。╪onalcoholic 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。目前的研究表明運動與膳食能夠減少肝臟脂肪堆積、改善糖脂代謝生理指標，但運動與膳食干預(yù)對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。運動與膳食干預(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)生理指標的改善有何聯(lián)系，仍需進一步探索。此外，患者個體對于運動與膳食干預(yù)的響應(yīng)存在異質(zhì)性，能夠區(qū)分患者對于不同干預(yù)方式的響應(yīng)，將有助于更加高效的制定個性化干預(yù)策略。
研究團隊之前報道了一項為期8.6個月的四組（有氧運動AEx，n = 29；飲食Diet，n = 28；有氧運動+飲食AED，n = 29；無干預(yù)NI，n = 29）隨機、單盲（針對研究人員），對NAFLD伴隨糖尿病前期患者進行的對照干預(yù)試驗（下圖1左），以評估干預(yù)措施對肝臟脂肪含量和葡萄糖代謝的影響。本文中，研究團隊報道了試驗的第三個主要結(jié)果運動與膳食干預(yù)對腸道菌群的影響。
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，但患者個體對干預(yù)有很大的響應(yīng)異質(zhì)性（下圖1右）。
對腸道微生物結(jié)構(gòu)和功能的分析表明，患者腸道菌群的α多樣性在運動與膳食干預(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。對擴增子序列變異（amplicon sequence variants, ASV）相對豐度的分析顯示，干預(yù)組和NI組之間共有36個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的減少顯著負相關(guān)，獨立于體重和脂肪量的變化。進一步對腸道菌群的重要代謝產(chǎn)物SCFAs進行分析，發(fā)現(xiàn)其總量在干預(yù)前后沒有統(tǒng)計學差異，但運動干預(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，運動與膳食干預(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的變化有關(guān)。
此外，腸道微生物作為一個生態(tài)系統(tǒng)，菌群成員之間的相互作用關(guān)系同樣重要。為了識別微生物生態(tài)系統(tǒng)中作為功能組對干預(yù)做出響應(yīng)的細菌，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)三個干預(yù)組的網(wǎng)絡(luò)拓撲特征，包括連接度、穩(wěn)定性都在干預(yù)后顯著增加，而這些指標在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：運動組，b:膳食組，c:運動+膳食組）在干預(yù)后網(wǎng)絡(luò)的連接度、魯棒性分數(shù)更高，而這些指標在對照組（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)指標可能體現(xiàn)了患者對干預(yù)的響應(yīng)。對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析表明，群體網(wǎng)絡(luò)是一種無標度網(wǎng)絡(luò)，據(jù)此確立4個作為網(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，可建立患者個體的腸道菌群網(wǎng)絡(luò)，并由個體網(wǎng)絡(luò)特征或網(wǎng)絡(luò)標志物來預(yù)測患者對運動與膳食干預(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)層面研究每個樣本的特征（下圖4）。
進一步通過干預(yù)前的個體網(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組的個體網(wǎng)絡(luò)邊的數(shù)目準確地預(yù)測了HFC的變化，并具有顯著性（下圖5左）。為了評估個體網(wǎng)絡(luò)中的邊數(shù)對于干預(yù)響應(yīng)的預(yù)測能力，研究者構(gòu)造了一個無監(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)中得到了驗證。
綜上所述，本研究通過隨機對照臨床試驗發(fā)現(xiàn)：（1）有氧運動與膳食干預(yù)可以改變NAFLD患者腸道菌群結(jié)構(gòu)和功能；（2）有氧運動和膳食干預(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)前的個體腸道菌群網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)測運動與膳食干預(yù)響應(yīng)效果，為NAFLD的個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院、寧波大學醫(yī)學院和芬蘭Jyvaskyla大學的研究者。該項研究工作得到了科技部、基金委、上海交通大學和中科院的科研基金支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29968-0
日期：2022-05-18
