Gut：地中海飲食干預(yù)改變老年人腸道菌群從而降低衰弱狀態(tài)和改善健康狀況

發(fā)稿時間：2020-04-08來源：天昊生物

 

英文題目: Mediterranean diet intervention alters the gut microbiome in older people reducing frailty and improving health status: the NU-AGE 1-year dietary intervention across five European countries

中文題目：地中海飲食干預(yù)改變老年人腸道菌群從而降低衰弱狀態(tài)和改善健康狀況

期刊名：Gut

影響因子：17.9

發(fā)表時間：2020年

發(fā)表單位：愛爾蘭科克大學(xué)APC微生物研究所

目標(biāo): 衰老伴隨著多種身體功能的退化和炎癥，這些共同導(dǎo)致衰弱。已有研究證明，衰弱與腸道微生物群的改變是共變的，這種變化是通過飲食多樣性受限性而加速的。地中海飲食與健康有關(guān)。在地中海飲食NU-AGE試驗中，調(diào)查了地中海飲食干預(yù)一年時間是否可以改變受試者的腸道菌群，從而降低衰弱狀態(tài)。

設(shè)計：對歐洲五個國家（英國、法國、荷蘭、意大利和波蘭）共計612名老年非衰弱受試者和老年衰弱前期受試者進行了為期一年的地中海飲食干預(yù)，然后對飲食干預(yù)前后的腸道菌群進行了分析。

結(jié)果：堅持地中海飲食與特定微生物群的改變有關(guān)。堅持地中海飲食而富集的微生物與一些降低衰弱和認知功能改善的標(biāo)志物呈正相關(guān)，與炎癥標(biāo)志物包括c-反應(yīng)蛋白和白細胞介素-17呈負相關(guān)。對微生物代謝產(chǎn)物譜的分析表明，地中海飲食調(diào)節(jié)的腸道菌群變化與短鏈/支鏈脂肪酸產(chǎn)量增加和次級膽汁酸、對甲酚、乙醇和二氧化碳產(chǎn)量降低有關(guān)。微生物群落生態(tài)系統(tǒng)共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)分析表明，對地中海飲食干預(yù)有積極反應(yīng)的細菌類群占據(jù)互作網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵位置，而衰弱相關(guān)菌群則處于互作網(wǎng)絡(luò)的外圍。

結(jié)論：總體而言，該研究結(jié)果支持通過改善飲食習(xí)慣以調(diào)節(jié)腸道菌群的可行性，而腸道菌群又有可能促進更健康的衰老變化。

研究背景:

伴隨衰老而來的衰弱包括多種生理系統(tǒng)的衰竭和先天性的持續(xù)激活免疫炎癥反應(yīng)。衰弱可能包括與老化相關(guān)的炎癥、認知功能喪失、肌肉減少以及糖尿病和動脈粥樣硬化等慢性疾病的發(fā)生發(fā)展。改變飲食模式，如采用地中海飲食(MedDiet)已被認為是解決衰弱的主要治療策略。地中海飲食的特點是蔬菜、豆類、水果、堅果、橄欖油和魚的食用增加，紅肉、乳制品和飽和脂肪的食用減少。堅持地中海飲食與降低死亡率、增加抗氧化活性、降低數(shù)種疾病的發(fā)病率以及減少炎癥有關(guān)。數(shù)項研究表明，堅持地中海飲食的依從性與降低衰弱有關(guān)。除了降低疾病發(fā)生外，堅持地中海飲食還與腸道微生物組分的有益變化相關(guān)，例如導(dǎo)致變形桿菌豐度降低，短鏈脂肪酸的產(chǎn)生水平增加。在全球范圍內(nèi)，大多數(shù)老年人不采用地中海飲食，事實上，老年保健的一個主要挑戰(zhàn)是采用與腸道微生物多樣性降低相關(guān)的限制性飲食，特別是在長期居住護理的受試者中。地中海飲食NU-AGE干預(yù)項目旨在研究在一個來自五個不同的國家（波蘭、荷蘭、英國、法國和意大利）超過1200名年齡在65-79歲之間的老年人的大隊列中，使用定制膳食12個月的效果。這項研究的基線和干預(yù)后結(jié)果報告了檢測到的代謝物和身體成分數(shù)據(jù)在性別和國籍上的差異，研究發(fā)現(xiàn)，堅持地中海飲食的依從性與整體認知和情景記憶能力提高之間存在顯著關(guān)聯(lián)；此外，更高的地中海飲食依從性可以降低骨質(zhì)疏松癥患者的骨丟失及改善先天免疫功能。

NU-AGE試驗的參與者包括612名個體，包括289名對照者（145名男性和144名女性）和323名NU-AGE飲食受試者（141名男性和182名女性），在本研究中，分析了地中海飲食對這些參與者腸道微生物群落的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各種有益的結(jié)果與腸道微生物群落的改變相關(guān)。

研究結(jié)果：

飲食和微生物組群在基線水平上具有共變性和差異性

基于飲食的主坐標(biāo)分析（PCoA）表明，在基線水平上，三個不同國家之間存在顯著的飲食差異（圖1A）：第一個亞組包含意大利受試者；第二個亞組包含英國和法國受試者；第三個亞組包含荷蘭和波蘭受試者。

總體而言，在基線和1年后共收集了612人（對照組和干預(yù)組）配對微生物組數(shù)據(jù)?；谟?span>16S rDNA OTUs的PCoA分析（基于Spearman距離）在基線水平上也觀察到類似的聚類模式（圖1B）：意大利受試者的微生物組分明顯不同，但來自英國/法國和波蘭/荷蘭的受試者更相似?；谑澄锵暮?span>OTU豐度分布的Procrustes分析證實了飲食與微生物組分之間存在顯著相關(guān)性，特定微生物在基線水平上促進了不同國家的差異（Mann-Whitney檢測）。

正如預(yù)期的那樣，飲食干預(yù)組與對照組有顯著差異（圖1C）。飲食干預(yù)組的這些變化主要是由纖維、維生素（C、B6、B9、硫胺素）和礦物質(zhì)（銅、鉀、鐵、錳、鎂）攝入量的增加引起的，而對照組的變化則與脂肪攝入量（飽和脂肪和單不飽和脂肪酸）的增加有關(guān)（圖1D）。

圖1基線期習(xí)慣性飲食和微生物群組成因國家而異，飲食干預(yù)改變了宏觀營養(yǎng)狀況

增加對地中海飲食的依從性會影響與健康相關(guān)的腸道特定菌群

在整個研究中，觀察到地中海飲食依從性增加與減少微生物多樣性的損失有關(guān)（表1）。為了進行更詳細的微生物群-飲食關(guān)聯(lián)分析，基于FBDG飲食指南計算了地中海飲食依從性得分；同時建立了隨機森林（RF）模型，基于微生物群預(yù)測地中海飲食依從性得分。對于這兩種模型，基于微生物群預(yù)測得到的地中海飲食依從性得分與基于實際食物的得分之間的相關(guān)性顯著，表明腸道菌群與堅持地中海飲食之間存在明顯的關(guān)聯(lián)。在確定對地中海飲食有響應(yīng)的腸道菌群過程中，75個OTUs的組合具有最好的預(yù)測性能，稱之為“飲食響應(yīng)”O(jiān)TUs/分類群/標(biāo)記物。總的來說，使用這組OTUs預(yù)測的飲食依從性得分和實際觀察到的飲食依從性得分之間的相關(guān)性為0.39（圖2A）。

共有44個預(yù)測OTUs與地中海依從性得分呈正相關(guān)，45個預(yù)測OTUs與地中海依從性得分呈負相關(guān)，分別稱之為“飲食陽性”和“飲食陰性”OTUs(圖2B)。這兩個組的微生物類群是不同的，“飲食陽性”OTUs主要歸類為Faecalibacterium prausnitzii、以及Roseburia (R. hominis) 、Eubacterium (E.rectale, E. eligens, E. xylanophilum) 等。這些分類群中的大多數(shù)以前都報到過與健康相關(guān)，包括短鏈脂肪酸（SCFAs）的產(chǎn)生和抗炎特性，以及與2型糖尿病和結(jié)直腸癌等疾病負相關(guān)。與之相反，“飲食陰性”OTUs主要為Ruminococcus torques, Collinsella aerofaciens等，而這些菌的大量增加與2型糖尿病和結(jié)直腸癌、動脈粥樣硬化、肝硬化和炎癥性腸病有關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)表明堅持地中海飲食有可能在與健康正相關(guān)的方向上調(diào)節(jié)腸道菌群。值得注意的是，盡管在基線水平（圖1B）和不同的飲食依從性上存在因為國家不同而造成的微生物組組成差異，但在整個隊列中確定的對地中海飲食響應(yīng)的微生物群在不同民族之間共享的，也就是說，這些對地中海飲食響應(yīng)的微生物群與飲食的關(guān)聯(lián)是不受國籍影響的。通過比較飲食干預(yù)組和對照組以及通過增加對飲食的依從性確定的這些微生物豐度的變化模式（圖2C，D），進一步驗證了這些微生物群與地中海飲食依從性的關(guān)系。

表1 增加對地中海飲食的依從性與降低微生物多樣性的損失有關(guān)

圖2 通過機器學(xué)習(xí)識別地中海飲食響應(yīng)微生物類群

地中海飲食干預(yù)調(diào)節(jié)與衰弱和炎癥負相關(guān)的腸道菌群

地中海飲食干預(yù)的主要目標(biāo)是減少衰弱和出現(xiàn)炎癥，因此研究對象根據(jù)評分分為非衰弱（或明顯健康）、前脆弱和脆弱組?！帮嬍酬幮浴蔽⑸镫S三個衰弱組（即衰弱組>前衰弱組>非衰弱組）呈逐步顯著下降趨勢，而“飲食陽性”微生物在健康組（非衰弱組）中的豐度顯著升高，“飲食陽性”微生物在衰弱程度減輕的個體中顯示出顯著的增加。然而不能觀察到地中海飲食依從性和衰弱之間的直接聯(lián)系，因此推斷飲食依從性對衰弱的影響可能是間接的，因此，增加對地中海飲食的依從性可能會調(diào)節(jié)腸道菌群，并且這些菌群的反應(yīng)可能與與衰弱的減弱或降低衰弱的風(fēng)險直接相關(guān)。

為了調(diào)查這一點，計算了整個研究隊列中對地中海飲食響應(yīng)的OTUs標(biāo)記物與衰弱、認知功能和炎癥的相關(guān)指數(shù)之間的關(guān)聯(lián),總的來說，我們觀察到飲食陽性和飲食陰性OTUs與五種不同的細胞因子/生物標(biāo)記物（即促炎性高敏C反應(yīng)蛋白hsCRP,白細胞介素17（IL-17）,抗炎性sGP130以及脂聯(lián)素和瘦素），三項與衰弱相關(guān)的測量指標(biāo)（Fried評分、握力和步速時間），以及與認知功能相關(guān)BabCock記憶評分和結(jié)構(gòu)練習(xí)的關(guān)聯(lián)模式存在顯著差異：飲食陽性的OTU標(biāo)記與炎癥標(biāo)記hsCRP和IL-17水平以及Fried評分和步態(tài)速度時間（兩項指標(biāo)均與衰弱程度增加相關(guān)）呈一致的負相關(guān)；相反，它們與認知功能改善指標(biāo)（如結(jié)構(gòu)練習(xí)、BabCock記憶評分）、衰弱程度降低指標(biāo)（握力）和兩種細胞因子（脂聯(lián)素和sGP130）的測量結(jié)果呈一致的正相關(guān)（圖3A）。值得注意的是，盡管在飲食攝入、微生物組分和依從性得分方面存在國家差異，這些關(guān)聯(lián)中的每一個（BabCock記憶評分除外）至少可以在三個以上國家重現(xiàn)性比較好（圖3B）。這些結(jié)果清楚地表明，堅持地中海飲食與微生物群調(diào)節(jié)的相關(guān)性在各個國家較為一致，反過來堅持地中海飲食又與降低衰弱程度、改善認知功能和減輕炎癥相關(guān)。

圖3飲食響應(yīng)微生物類群與衰弱、認知功能和炎癥指標(biāo)的關(guān)聯(lián)分析

腸道菌群響應(yīng)，伴隨代謝譜的有益變化，是飲食依從性和健康之間的關(guān)鍵中間環(huán)節(jié)

根據(jù)前面的發(fā)現(xiàn)，似乎與飲食依從性相關(guān)的微生物群落對于改善健康狀況比僅僅依從飲食本身更為重要。地中海飲食的特點是特定飲食成分的消費模式發(fā)生變化，即纖維（蔬菜、水果）、碳水化合物（全麥）、植物蛋白（豆類）、多不飽和脂肪酸（魚類）和維生素C（水果）的消費量增加，同時減少食用肉類、酒、鹽和糖。我們首先通過檢測了地中海飲食響應(yīng)OTUs與具有不同食物成分飲食模式的相關(guān)性，結(jié)果觀察到，飲食響應(yīng)OTU標(biāo)記與FBDG預(yù)測的飲食依從性得分正相關(guān)，表明其與纖維、維生素C、維生素D、植物蛋白和碳水化合物正相關(guān)，與酒精、脂肪和糖組分負相關(guān),因此上述結(jié)果表明，OTU標(biāo)記不僅與FBDG預(yù)測的飲食依從性得分相關(guān)，而且與地中海飲食干預(yù)的個體膳食成分相關(guān)。

基于飲食相關(guān)OTUs標(biāo)記與地中海飲食依從性得分的總體相關(guān)性，我們計算了地中海飲食調(diào)節(jié)的微生物組分指數(shù)。正如預(yù)期的那樣，地中海飲食微生物組分指數(shù)與總體飲食依從性得分呈正相關(guān)，也反映了單個OTUs標(biāo)記的總體關(guān)聯(lián)模式（即與纖維、碳水化合物、植物蛋白、維生素C、多不飽和脂肪酸呈正相關(guān)，與脂肪、酒精和糖呈負相關(guān)），表明其作為與地中海飲食相關(guān)標(biāo)記的有效性。

然后將地中海飲食依從性得分作為混雜因素，檢查該地中海飲食微生物組分指數(shù)與衰弱、認知功能和炎癥的不同測量指標(biāo)的相關(guān)性。11種與改善認知、減輕衰弱和炎癥有關(guān)的指標(biāo)中，有10種可以重現(xiàn)，還觀察到地中海飲食微生物組分指數(shù)與炎癥相關(guān)的細胞因子白細胞介素（IL）-2和巨噬細胞炎癥蛋白（MIP）-1b呈負相關(guān)，與語言流暢性呈正相關(guān)（圖4）。這些結(jié)果表明，地中海飲食調(diào)節(jié)的微生物組分與衰弱、炎癥和認知功能相關(guān)，并且這種相關(guān)與依從性得分無關(guān)（即這些不是與飲食依從性相關(guān)的間接后果）。接下來，檢查了混雜因素（如年齡、體重指數(shù)、性別、疾病病理生理學(xué)和藥物攝入）對飲食-微生物分類單元關(guān)聯(lián)程度的影響，與非患病對照組相比，患有多種疾病的個體，特別是糖尿病、心臟病發(fā)作和炎癥性疾病的個體，其微生物組分顯著降低，然而即使考慮到包括年齡、體重指數(shù)、性別和不同疾病病理生理學(xué)的所有混雜因素，微生物組分指數(shù)與10種炎癥標(biāo)志物和7種衰弱指數(shù)的關(guān)聯(lián)模式基本保持不變（如圖4所示）。

圖4 地中海飲食調(diào)節(jié)的微生物組分指數(shù)與衰弱程度降低、認知功能改善和炎癥減輕相關(guān)，但是與飲食依從性評分無關(guān)

飲食調(diào)節(jié)的微生物群變化對健康狀況的積極影響可能是由特定的微生物代謝產(chǎn)物驅(qū)動的?？紤]到糞便代謝數(shù)據(jù)對個體不可用，我們使用相應(yīng)的16S物種組成譜預(yù)測腸道微生物組的代謝譜。然后將這些預(yù)測代謝譜豐度的跨時間點變化與微生物組指數(shù)變化進行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)“飲食陽性”微生物的變化與微生物消耗纖維相關(guān)的非淀粉多糖的增加有關(guān)（可能表明地中海飲食的變化），相反，“飲食陰性”微生物的變化與微生物單糖消耗增加有關(guān)。微生物群呈陰性反應(yīng)時，膽汁酸的?；撬岷吞穷愌苌锿ㄟ^膽酸和鵝去氧膽酸消耗到次級膽汁酸（石膽酸、脫氧膽酸）的量也會增加，而總所周知膽汁酸調(diào)節(jié)失調(diào)與不同的疾病條件有關(guān)，特別是石膽酸和脫氧膽酸的產(chǎn)生增加與結(jié)直腸癌有關(guān)。相反，支鏈脂肪酸（BCFAs）和SCFAs產(chǎn)量的增加與微生物群的陽性反應(yīng)有關(guān)，SCFAs與宿主健康之間的正相關(guān)是公認的。此外，在目前的研究中，我們獲得了意大利和波蘭隊列中的一部分個體的血漿膽酸（CA）、乙醇鵝去氧膽酸（GDCDA）和鵝去氧膽酸（CDCA）水平的測量數(shù)據(jù)。對于GCDCA和CDCA，這些膽汁酸的血漿水平與飲食相關(guān)標(biāo)記物的豐度相關(guān)顯示出如下趨勢：與飲食陰性OTUs相比，飲食陽性OTUs與GCDCA水平的正相關(guān)性顯著增強，與CDCA水平的負相關(guān)性增強。根據(jù)GDCDA/CDCA比率，將這部分個體分成三組，觀察到GCDCA/CDCA比值增加的個體，其飲食相關(guān)微生物群指數(shù)顯著正相關(guān)。這些結(jié)果證實在這些代謝物譜中，隨著飲食相關(guān)微生物群指數(shù)的增加，預(yù)測個體的GDCDA到CDCA的微生物轉(zhuǎn)化率降低，從而導(dǎo)致GDCDA/CDCA水平升高。陰性微生物群反應(yīng)也與其它有害代謝物，如對甲酚、乙醇和二氧化碳，而其相對產(chǎn)生過剩與結(jié)直腸癌、胰島素抵抗、非酒精性脂肪肝、細胞毒性和小腸細菌過度生長有關(guān)。值得注意的是，在基線水平上，地中海飲食相關(guān)微生物群指數(shù)與多種疾?。òǜ哐獕?、糖尿病和癌癥）呈負相關(guān)。因此這些結(jié)果表明，與陽性微生物群反應(yīng)相關(guān)的代謝變化有益于宿主健康。

飲食陽性OTUs是腸道群落中的關(guān)鍵物種

最后，我們評估了飲食反應(yīng)類群在整個微生物群落結(jié)構(gòu)中的作用。在共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點表示分類群OTUs，節(jié)點之間的邊表示它們之間的顯著共現(xiàn)關(guān)系。類群OTUs在共生網(wǎng)絡(luò)中的位置表明了類群OTUs在群落穩(wěn)定性中的相對重要性。我們首先得到了兩個隊列的所有跨時間點樣本的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。然而，大多數(shù)飲食陽性OTUs和飲食陰性OTUs的位置有著顯著的不同。飲食陽性OTUs要么位于網(wǎng)絡(luò)中心，要么作為主要子節(jié)點內(nèi)的連接節(jié)點（圖5A），這表明了這些分類群在腸道群落結(jié)構(gòu)中的中心地位，這種分類群被稱為“關(guān)鍵物種”。與此相反，大多數(shù)飲食陰性OTUs位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣。

我們通過計算網(wǎng)絡(luò)中每個分類單元的兩個中心度度量來探討這一現(xiàn)象：“中心度”（degree centrality）是連接到特定節(jié)點的節(jié)點數(shù)，而“中間中心度”（betweenness centrality）是通過特定節(jié)點連接任意兩個節(jié)點的路徑數(shù)。與飲食陰性OTUs或非相關(guān)標(biāo)記相比，飲食陽性OTUs具有更高的中間中心度（betweenness centrality）（圖5B，C）。我們在每一個不同的國家內(nèi)以及在不斷增加飲食依從性樣本的重疊窗口中重新建立了這個網(wǎng)絡(luò)。盡管個體網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)存在重大差異，但無論在哪個國家，分類群的分布模式及其在腸道微生物網(wǎng)絡(luò)中的相對重要性都是不變的。無論民族和個體的飲食依從性如何，飲食陽性OTUs都具有顯著較高的中心度（degree centrality）。正如預(yù)期的那樣，飲食陽性OTUs和飲食陽性OTUs也有不同的相互作用模式，特別是iBBiG分析鑒別到的衰弱相關(guān)模塊C，它與飲食陽性OTUs有負的共現(xiàn)趨勢（圖5D）。有趣的是，隨著飲食依從性的增加，共現(xiàn)傾向的強度變得明顯更為消極（圖5E），而其它任何分類模塊都沒有發(fā)現(xiàn)這種情況。

圖5對地中海飲食干預(yù)有陽性反應(yīng)的細菌類群占據(jù)了微生物群網(wǎng)絡(luò)中與衰弱相關(guān)類群的關(guān)鍵互作節(jié)點。