腸道菌群——國自然研究又一熱點(diǎn)
腸道菌群作為寄居在人體腸道內(nèi)的微生物群落，是近年來微生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、基因?qū)W等領(lǐng)域最引人關(guān)注的研究焦點(diǎn)之一。隨著抗生素的迅速使用和高熱量、低纖維飲食的攝入導(dǎo)致腸道微生物群落紊亂，使人類易患代謝綜合征等多種疾病。雖然已有大量的研究致力于微生物群對個(gè)體出生后的環(huán)境影響，但是作者對于胚胎期腸道微生物群的作用卻知之甚少。然而，2020年2月28日,日本東京農(nóng)工大學(xué)Ikuo Kimura、慶應(yīng)大學(xué)Koji Hase等研究人員在science上在線發(fā)表了題為“Maternal gut microbiota in pregnanc influences offspring metabolic phenotype in mice“的研究性論文，該研究發(fā)現(xiàn)了孕期母體微生物群對后代的肥胖具有抵抗力，進(jìn)一步揭示了妊娠期間母體腸道環(huán)境影響后代代謝的具體機(jī)制。
結(jié)果一、GF母親的后代與肥胖癥的發(fā)展
為了研究懷孕期間母體腸道菌群對后代的影響，在SPF和GF條件下繁殖了懷孕的小鼠。在妊娠的第18.5天，懷孕的GF小鼠從相應(yīng)菌株的SPF小鼠接受了糞便微生物菌群移植，以防止不利微生物過度生長。寄養(yǎng)母親在常規(guī)條件下飼養(yǎng)新生動物，以適應(yīng)出生后的生長環(huán)境。斷奶后，給雄性小鼠喂食高脂飲食（HFD）以誘導(dǎo)肥胖（圖1A）。結(jié)果表明，GFD后代在HFD喂養(yǎng)后表現(xiàn)出肥胖表型。為了支持這種解釋，GF后代中HFD誘導(dǎo)的葡萄糖耐量和胰島素抵抗顯著加速，表明胰島素敏感性受損。因此，或多或少地普遍觀察到GF后代的代謝紊亂，而與菌株和性別無關(guān)。
結(jié)果二、感知胚胎中的母體SCFA
作者在小鼠懷孕期間分析了SPF和GF ICR母親及其胚胎中親水和親脂代謝產(chǎn)物的血漿水平，只有5種代謝物對繁殖條件的反應(yīng)在母體和胚胎中表現(xiàn)出相似的變化（圖2A）。特別是，GF母親和胚胎的血漿SCFA水平顯著低于SPF對應(yīng)物（圖2B）。作者在胚胎交感神經(jīng)節(jié)中檢測到Gpr41 mRNA（圖2C）在胚胎和成年階段具有雙相表達(dá)（圖2C）。結(jié)果表明，胚性代謝組織，如交感神經(jīng)系統(tǒng)，腸道和胰腺，可能通過表達(dá)GPR41和GPR43來感知母體腸道微生物衍生的SCFA。
結(jié)果三、通過GPR41進(jìn)行同情發(fā)展
作者進(jìn)一步研究了GPR41在交感神經(jīng)系統(tǒng)中的功能以及GPR43在腸道和胰腺胚胎發(fā)育過程中的功能。作者發(fā)現(xiàn)與野生型（WT）胚胎相比，Gpr41-/-C57BL / 6J胚胎在心臟的交感神經(jīng)投射明顯減少，并且在具有相同背景的GF胚胎中這種異常也很明顯（圖3A） 。此外，在出生后第1天（P1），Gpr41-/-幼崽向心臟的交感神經(jīng)投射明顯減少，即使這些幼崽是從SPF條件下維持的母親分娩的（圖3B）。propionic acid誘導(dǎo)的交感神經(jīng)元分化在來自Gpr41-/-胚胎的交感神經(jīng)細(xì)胞中被消除（圖3C）。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈表明propionic acid介導(dǎo)的GPR41活化促進(jìn)交感神經(jīng)元分化。為了驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，作者用抗生素混合物處理了WT懷孕小鼠，以消除腸道菌群。在P1上，經(jīng)抗生素處理的小鼠的幼崽向心臟的交感神經(jīng)投射明顯減弱。值得注意的是，在懷孕期間服用propionic acid可改善這種異常（圖3D）。斷奶后的心律和體溫是交感神經(jīng)投射的指標(biāo)，與耗氧量相似（圖3，E和F）。用酪胺治療顯著降低了未經(jīng)治療或經(jīng)propionic acid或抗生素治療的WT母親的后代的耗氧量，而這些影響在經(jīng)過抗生素治療的WT母親或未經(jīng)治療的Gpr41-/-母親的后代中減弱了（圖3F）?；谶@些觀察，作者認(rèn)為來自母體腸道菌群的propionic acid可通過GPR41促進(jìn)交感神經(jīng)的發(fā)育，如在GF的后代中觀察到的，propionic acid的缺乏導(dǎo)致交感神經(jīng)功能障礙，包括體溫和心率波動的降低。
結(jié)果四、通過GPR43調(diào)節(jié)胚胎胰島素
作者研究了GPR43在胚胎期對腸內(nèi)分泌細(xì)胞分化的影響。與WT胚胎相比，Gpr43-/-C57BL / 6J胚胎的結(jié)腸中Pax4和Pax6明顯上調(diào)（圖4A）。PMP是一種比乙酸酯或butyrate更有效的GPR43配體（EC50：?30 mM）可顯著促進(jìn)WT小腸類器官中GLP-1 +腸內(nèi)分泌細(xì)胞的分化。胚胎（圖4，B和C），這種作用在來自Gpr43-/-胚胎的類器官中消失了（圖4，B和C）。與WT和SPF小鼠相比，Gpr43-/-和GF小鼠胚胎的胰腺中Nkx6.1明顯上調(diào)，而Gpr43-/-和GF小鼠的Ins2表達(dá)和胰島素水平下調(diào)（圖4D）。盡管WT和Gpr43-/-母親之間沒有差異，但Gpr43-/-胚胎中的血漿胰島素水平明顯低于WT胚胎（圖4F）。作者推測在產(chǎn)前期缺乏SCFA-GPR43信號轉(zhuǎn)導(dǎo)會導(dǎo)致成年期代謝綜合征，最可能的原因是能量消耗降低胚胎體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)。
結(jié)果五、懷孕期間的膳食纖維攝入量
為了提供SCFA在肥胖抵抗力發(fā)展起源中的重要性的進(jìn)一步證據(jù)，作者進(jìn)行了一項(xiàng)飲食干預(yù)研究，在該飲食干預(yù)研究中，對懷孕的ICR小鼠在常規(guī)條件下飼喂高纖維（HFi）或低纖維（LFi）飲食檢查了他們的后代對肥胖的易感性（圖5A）。結(jié)果表明膳食纖維的微生物發(fā)酵有助于抑制肥胖。與LFi后代相比，HFi后代的血漿代謝參數(shù)也得到了改善（圖5B）。在HFi后代中，LFi后代的交感神經(jīng)功能障礙，例如體溫降低和心率波動降低，得到改善（圖5C）。而由PMP喂養(yǎng)的母親及其胚胎中通常有4種代謝物增加（圖5D）。在這4種代謝產(chǎn)物中，SCFA是SPF與GF和LFi與HFi的比較中唯一的共同因素。用PMP喂養(yǎng)的小鼠的胚胎（HFi胚胎）中的SCFA水平顯著高于使用LFi喂養(yǎng)的小鼠的胚胎（LFi胚胎）（圖5E）。作者還觀察到，HFi胚胎中的血漿胰島素水平顯著高于LFi胚胎（圖5F），因此HFi胚胎中的血漿葡萄糖水平顯著降低（圖5F）。因此，由母體腸道菌群通過膳食纖維的發(fā)酵產(chǎn)生的SCFA通過母體循環(huán)提供給胚胎，從而改善胎兒的葡萄糖穩(wěn)態(tài)，并賦予后代抵抗肥胖的能力。
結(jié)果六、懷孕期間補(bǔ)充SCFA
考慮到測定值優(yōu)于其EC50值，HFi胚胎中的血漿propionic acid水平可能足以激活GPR41和/或GPR43受體（圖5E）。因此，為了嚴(yán)格檢驗(yàn)PMP在后代肥胖抵抗中的作用，作者給懷孕的ICR小鼠喂食了補(bǔ)充PMP的LFi飲食（圖6A）。PMP治療可抑制HFD誘導(dǎo)的成年后代體重，腎周或皮下WAT量以及肝臟重量的增加（圖6A）。與對照LFi后代相比，經(jīng)propionic acid處理的母親（Pro后代）的血漿代謝參數(shù)也得到了改善（圖6B）。此外，在Pro后代中挽救了LFi后代的交感神經(jīng)功能障礙（圖6C）。此外，產(chǎn)婦用PMP干預(yù)可逆轉(zhuǎn)由LFi喂養(yǎng)的母親的胚胎中向心神經(jīng)投射的延遲以及GLP-1 +腸內(nèi)分泌細(xì)胞和胰腺b細(xì)胞分化的延遲（圖6，D和E）；它也增強(qiáng)了胚胎中的血漿胰島素水平，使其恢復(fù)到與HFi胚胎相當(dāng)?shù)乃剑▓D6F）。因此，在給予propionic acid的母親的胚胎中，對照胚胎中的血漿葡萄糖水平的增加被有效地抑制了（圖6F）。結(jié)果表明，母體PMP的重要性，這使得后代對肥胖具有抵抗力。
結(jié)論：
在妊娠期間，母體腸道菌群通過SCFAGPR41和SCFA-GPR43軸賦予了后代肥胖抵抗力。 懷孕期間，交感神經(jīng)、腸道和胰腺中的GPR41和GPR43感測到來自母體腸道菌群的SCFA，影響了產(chǎn)前代謝和神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。 這些發(fā)現(xiàn)表明，懷孕期間的母體腸道環(huán)境是防止后代代謝綜合征的新陳代謝程序的關(guān)鍵因素。 因此，懷孕小鼠的腸道菌群提供了一種環(huán)境提示，可微調(diào)子代的能量穩(wěn)態(tài)，從而防止代謝綜合征的發(fā)展。