膳食纖維的攝入量與人體健康密切相關(guān)。膳食纖維在攝入后主要被人體腸道微生物利用，產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SFCA），即乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽。這些SCFA，其中最明顯的是丁酸鹽，已被證明可以促進(jìn)胃腸道（GI）屏障的完整性，降低炎癥，增加對病原體入侵的抵抗力，并對腸道內(nèi)分泌信號和能量平衡做出積極貢獻(xiàn)。我們可以使用益生元作為膳食補(bǔ)充劑來增加腸道微生物產(chǎn)生的SCFAs。但使用益生元來促進(jìn)SCFA生產(chǎn)的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是反應(yīng)的異質(zhì)性，即個體對相同益生元的反應(yīng)不同，產(chǎn)生SCFA的能力也不同。
新發(fā)表在Microbiome的這篇文章報告了一個隨機(jī)、三向、交叉試驗(yàn)的結(jié)果，其中一組個體接受了多種益生元的治療。這項(xiàng)研究主要調(diào)查方向是評估個體和益生元的差異對SCFA補(bǔ)充劑反應(yīng)的相對貢獻(xiàn)，重點(diǎn)是丁酸鹽的產(chǎn)生。次要分析包括確定哪些宿主和微生物因素影響了益生元反應(yīng)的變化。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
這項(xiàng)研究招募參與者進(jìn)行為期六周、三期的益生元干預(yù)研究（圖1）。研究采用交叉設(shè)計(jì)，在一個受試者群體中比較多種益生元。選擇菊粉、小麥糊精和半乳寡糖（GOS）作為益生元，這些都是普遍消費(fèi)的，是市面上的膳食補(bǔ)充劑，而且是單體不同。交叉試驗(yàn)在系列和時期上是標(biāo)準(zhǔn)化的，每種益生元在每個系列（一次）和研究時期（兩次）中出現(xiàn)的次數(shù)相同。該設(shè)計(jì)在一階結(jié)轉(zhuǎn)效應(yīng)方面也是平衡的，這意味著對益生元的施用順序進(jìn)行了調(diào)整，以使任何兩對連續(xù)的益生元之間的互動效應(yīng)最小化。每個研究階段包括一個無干預(yù)基線周和一個益生元干預(yù)周。在六個研究周（基線和干預(yù)）的第三、四和五天收集糞便樣本。在最初參加研究的41名參與者中，2人退出，3人無法每周至少收集一個可用的樣本（即數(shù)量不足或標(biāo)簽不足），8人失去了隨訪。后續(xù)分析集中在完成研究的其余28名參與者身上。這些參與者總共收集了413個糞便樣本（平均每人每周2.46個糞便樣本）。
主要結(jié)果
益生元補(bǔ)充劑影響隊(duì)列水平的SCFA產(chǎn)生
與基線樣本相比，分析結(jié)果顯示益生元對微生物組成沒有顯著的影響，但三種益生元根據(jù)所產(chǎn)生的糞便SCFA相對于基線的變化而不同。GOS與糞便SCFA總濃度的降低有關(guān)，這一結(jié)果以前也被觀察到。在分析糞便SCFA絕對濃度時，個別SCFA的差異也很明顯（表1）。
表1：在服用益生元和對照組的幾周內(nèi)，各人平均的糞便中SCFA的濃度和比例
糊精增加了丙酸鹽的濃度，GOS降低了丙酸鹽和丁酸鹽的濃度。菊粉補(bǔ)充劑增加了參與者糞便中丁酸鹽的比例濃度（丁酸鹽濃度/總SCFA濃度）（圖2，表1）。這些發(fā)現(xiàn)與之前的報告一致，即菊粉補(bǔ)充可能會增加丁酸鹽的生成。分析還表明，GOS和小麥糊精降低了參與者糞便中的丁酸鹽比例濃度（圖2，表1）。這些發(fā)現(xiàn)與先前的試驗(yàn)一致。沒有任何益生元在分組水平上改變了乙酸鹽或丙酸鹽的比例濃度（表1）。
與益生元相比，個體因素對丁酸生成反應(yīng)的預(yù)測更強(qiáng)
與先前對益生元反應(yīng)的研究一致，分析結(jié)果產(chǎn)生了對每種益生元的個體特異性丁酸鹽反應(yīng)的證據(jù)（注：GLMM中個體和益生元項(xiàng)之間的交互作用）。然而，進(jìn)一步的分析表明，丁酸鹽反應(yīng)的最強(qiáng)決定因素是由個體身份決定的：個體特異性效應(yīng)比益生元特異性效應(yīng)強(qiáng)得多。此外，在菊粉上表現(xiàn)出最大比例糞便丁酸鹽濃度反應(yīng)的個體，更有可能在糊精上表現(xiàn)出更大的反應(yīng)（圖3）。觀察到糊精和GOS之間有類似的、正的、不顯著的相關(guān)性。菊粉和GOS沒有觀察到這種關(guān)系。盡管校正了個體間SCFA產(chǎn)生的基線差異，但這種模式是明顯的，而且隨著時間的推移，基線和治療周之間也是一致的。
個人在SCFA代謝狀態(tài)、微生物組成和SCFA生產(chǎn)潛力方面始終存在差異
為什么個體的影響可能比益生元的影響更強(qiáng)？結(jié)果觀察到，隨著時間的推移，個人的SCFA是特異性的。個人之間的SCFA的變化也可能與個體間的微生物群變化有關(guān)，這是益生元反應(yīng)的一個著名因素。當(dāng)將參與者分為'高'（>中位數(shù)）和'低'（<=中位數(shù)）糞便丁酸鹽組時，觀察到這種分組對微生物群落組成的顯著影響。確定了三個特定的屬，它們在各組之間的含量是不同的。Anaerofilum和Ruminiclostridium_5在高丁酸鹽組減少，Lachnospira在高丁酸鹽組增加。還觀察到基線微生物群落結(jié)構(gòu)與對所有三種益生菌（Δ%丁酸）的平均反應(yīng)之間的關(guān)系。根據(jù)平均Δ%butyrate是正數(shù)還是負(fù)數(shù)，將參與者分為'響應(yīng)者'和'非響應(yīng)者'后，發(fā)現(xiàn)這種分組對微生物群組成有明顯的影響。因此，個人的起始微生物群組成與益生菌治療結(jié)果有關(guān)。
膳食纖維的基線攝入模式與益生元干預(yù)的反應(yīng)負(fù)相關(guān)
下面分析哪些宿主因素可能影響個人的微生物組，并最終形成他們對測試的益生元的反應(yīng)。這里專注于纖維攝入量，這已被證明可以塑造微生物群落組成和代謝輸出。使用研究前一個月的飲食問卷來測量纖維消耗量，并將纖維攝入量與每個人對三種益生元干預(yù)的平均反應(yīng)（平均Δ%butyrate）進(jìn)行比較。盡管先前的研究表明，植物或纖維的攝入會增強(qiáng)腸道微生物的代謝能力，但比較顯示，膳食纖維的消耗與平均Δ%butyrate呈負(fù)相關(guān)（圖4A）。
圖4。習(xí)慣性飲食、基線比例丁酸鹽濃度和SCFA生產(chǎn)指標(biāo)之間的關(guān)系
因此，在益生元干預(yù)期間，較高的習(xí)慣性纖維攝入與較低的平均Δ%butyrate有關(guān)。為了用客觀的生物標(biāo)志物來證實(shí)這些發(fā)現(xiàn)，將平均Δ%butyrate與基線點(diǎn)尿鉀進(jìn)行了比較，尿鉀是水果和蔬菜攝入的一個已知標(biāo)志，也是一般健康飲食的標(biāo)志。驗(yàn)證了基線現(xiàn)貨尿鉀與膳食纖維攝入量相關(guān)。雖然發(fā)現(xiàn)基線現(xiàn)貨尿鉀和平均Δ%丁酸之間沒有明顯的相關(guān)性，但效果的大小和方向表明，如果有更大的樣本量，統(tǒng)計(jì)關(guān)系可能是顯著的。
證據(jù)表明基線SCFA代謝狀態(tài)和飲食史限制了益生元的反應(yīng)
為了理解為什么習(xí)慣性纖維攝入會與益生元反應(yīng)呈負(fù)相關(guān)，考慮到最近的生態(tài)學(xué)研究表明，營養(yǎng)限制是塑造哺乳動物腸道微生物群代謝的一個關(guān)鍵因素。即使過量的纖維可供利用多糖的微生物使用，參與碳水化合物發(fā)酵的其他營養(yǎng)物質(zhì)的可用性的固定上限也可能最終影響不同SCFA物種的相對生產(chǎn)。這種相對變化將由SCFAs的氧化狀態(tài)的差異引起。乙酸鹽是氧化程度最高的SCFA，傾向于在發(fā)酵過程中首先產(chǎn)生，而且數(shù)量較多。相比之下，丁酸鹽是還原性最強(qiáng)的，也是對微生物來說能量最不利的主要SCFA。因此，整體SCFA生產(chǎn)的變化應(yīng)該與丁酸鹽比例的變化有關(guān)；而且，推而廣之，那些自然消耗高水平纖維并已經(jīng)激活SCFA生產(chǎn)途徑的人，在益生元干預(yù)后，會表現(xiàn)出增加丁酸鹽比例水平的能力下降。
有三個發(fā)現(xiàn)與代謝能力限制的閾值模型一致。首先，丁酸鹽的起始比例濃度較高的個體表現(xiàn)出最弱的丁酸鹽益生元反應(yīng)(圖4B）。在該研究中，沒有參與者在益生元干預(yù)后最終表現(xiàn)出超過29mM的丁酸鹽濃度。
將背景營養(yǎng)物質(zhì)攝入和代謝限制聯(lián)系起來的第二個發(fā)現(xiàn)涉及基線比例的丁酸鹽濃度和習(xí)慣性飲食。在基線第1周，在任何益生元干預(yù)之前，膳食纖維消耗與比例丁酸鹽濃度呈正相關(guān)，這一點(diǎn)以前已經(jīng)提出。此外，使用一種生態(tài)學(xué)技術(shù)來確定多變量數(shù)據(jù)集之間的關(guān)系，稱為co-inertia analysis，發(fā)現(xiàn)基線比例SCFA濃度和食物選擇之間存在明顯的相互作用。該分析涉及比較短鏈酸豐度的模式和匹配樣本中的食物攝入量（圖5A）。co-inertia analysis將幾種富含纖維的食物組的攝入與基線比例丁酸鹽濃度聯(lián)系起來，包括豆類、漿果類水果和深綠色蔬菜（圖5B、C中指向左上方的箭頭）。
基于培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)將纖維攝入與微生物組代謝反應(yīng)的限制聯(lián)系起來
第3條實(shí)驗(yàn)證據(jù)，將習(xí)慣性營養(yǎng)物質(zhì)攝入與微生物SCFA生產(chǎn)能力聯(lián)系起來。我們假設(shè)，如果較高的基線纖維消耗降低了腸道微生物群從益生元中增加比例丁酸鹽生產(chǎn)的能力，那么糞便微生物群的代謝活動將表現(xiàn)出與纖維攝入的負(fù)相關(guān)。為了測試這一假設(shè)，將最近開發(fā)的一個體外發(fā)酵模型應(yīng)用于從每個研究參與者收集的基線糞便樣本。該模型通過實(shí)驗(yàn)測試使用特定的益生菌作為唯一的額外碳源來補(bǔ)充微生物群落的代謝效果，不受SCFA吸收等潛在的混雜宿主因素的影響，并被證明對冷凍糞便的影響是穩(wěn)健的。觀察到，當(dāng)體外試驗(yàn)中補(bǔ)充益生元作為唯一的碳源時，相對于對照組，整體SCFA的產(chǎn)生有所增加。當(dāng)將SCFA的產(chǎn)生與纖維攝入量進(jìn)行比較時，觀察到纖維消耗與SCFA的產(chǎn)生之間存在預(yù)期的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖4C）。還觀察到，在不含益生元的對照處理中，纖維消耗和SCFA產(chǎn)生之間存在負(fù)相關(guān)。因此，在該隊(duì)列中，傾向于吃更多的纖維的人也擁有腸道微生物群，當(dāng)暴露于益生元時產(chǎn)生較少的SCFA。然而，我們注意到，當(dāng)體外丁酸%與基線纖維消耗量比較時，沒有觀察到這種關(guān)系。這一負(fù)面結(jié)果可能反映了體外試驗(yàn)無法捕捉到影響體內(nèi)益生菌挑戰(zhàn)后不同SCFAs的相對生產(chǎn)的代謝權(quán)衡。
特定微生物屬的一致生長支持個體特定的益生菌反應(yīng)
接下來，利用體內(nèi)外發(fā)酵，將特定的腸道細(xì)菌分類群與益生元反應(yīng)聯(lián)系起來。發(fā)酵24小時后，使用ALDEx2對28名參與者中的每一個補(bǔ)充益生元的培養(yǎng)物進(jìn)行了微生物群落組成的檢測，并與不添加碳水化合物的對照培養(yǎng)物進(jìn)行了比較。該分析顯示，在每種益生元干預(yù)中，有多個屬的代表性過高或過低（圖6）。
此外，在一種益生元處理中豐度不同的大多數(shù)菌屬在其他益生元處理中也表現(xiàn)出類似的豐度差異。這一結(jié)果與之前的研究相一致，即能夠降解多種膳食碳水化合物的纖維降解菌（'通才'）在腸道中含量豐富。事實(shí)上，與對照組相比，所有在兩種或三種益生元處理中表現(xiàn)出保守的較高豐度的菌屬（Collinsella、Faecalibacterium、Lachnospiraceae_UCG-005、Marvinbryantia和Ruminiclostridium）都是具有廣泛特異性的普通膳食纖維的降解者。相比之下，在兩個或三個益生元處理中表現(xiàn)出保守的較低豐度的屬（Alistipes、Anaerofilum、Flavonifractor、Holdemania和Parabacteroides），不知道有報告將它們與菊粉、糊精或GOS的降解聯(lián)系起來，只有Parabacteroides被證明可以降解任何膳食纖維。但注意到，在體內(nèi)數(shù)據(jù)中并沒有觀察到上述菌屬與益生元反應(yīng)有關(guān)。這樣的發(fā)現(xiàn)表明，體外檢測沒有捕捉到的其他行為或生活方式因素有助于人類微生物組對益生元反應(yīng)的變化。
總的來說，體外選擇的細(xì)菌分類群對益生元添加的一致反應(yīng)進(jìn)一步支持了這樣的結(jié)論：對一系列益生元的反應(yīng)將與個人特定的因素如腸道微生物群落組成有關(guān)。
總結(jié)
這項(xiàng)研究提供的證據(jù)表明，一個人對益生元治療的反應(yīng)可能是可以從飲食和糞便中SCFA的基線濃度中預(yù)測的。文章作者強(qiáng)調(diào)，不認(rèn)為這些預(yù)測應(yīng)該被用來改變那些通常消耗高水平的纖維或糞便中SCFA濃度較高的人的飲食。大量的證據(jù)支持高纖維飲食和充足的微生物SCFA產(chǎn)生的好處。相反，作者認(rèn)為這項(xiàng)研究結(jié)果支持以個人選擇為重點(diǎn)的個性化微生物群治療策略。以前關(guān)于益生元反應(yīng)的工作主要使用平行設(shè)計(jì)的人類研究，這不允許分析不同益生元的個體化反應(yīng)。在這里，首次表明，至少在某些對益生元中，個體內(nèi)的反應(yīng)是相關(guān)的，而且平均反應(yīng)與宿主因素相關(guān)。正在進(jìn)行的優(yōu)先排序工作被用來確定最有可能對微生物群導(dǎo)向的和微生物群依賴的疾病療法有反應(yīng)的病人，也在探索加強(qiáng)益生元療法。在這里的研究表明，這種個性化益生元補(bǔ)充的努力可以依靠飲食史和糞便代謝物水平作為治療結(jié)果的信息性和非侵入性的生物標(biāo)志物。
