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(shí)間：2020-04-08來(lái)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(shí)間：2020年

發(fā)表單位：愛(ài)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(guò)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(yàn)中，調(diào)查了地中海飲食干預(yù)一年時(shí)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(jì)：對(duì)歐洲五個(gè)國(guó)家（英國(guó)、法國(guó)、荷蘭、意大利和波蘭）共計(jì)612名老年非衰弱受試者和老年衰弱前期受試者進(jìn)行了為期一年的地中海飲食干預(yù)，然后對(duì)飲食干預(yù)前后的腸道菌群進(jìn)行了分析。

結(jié)果：堅(jiān)持地中海飲食與特定微生物群的改變有關(guān)。堅(jiān)持地中海飲食而富集的微生物與一些降低衰弱和認(rèn)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(xì)胞介素-17呈負(fù)相關(guān)。對(duì)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(jí)膽汁酸、對(duì)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(duì)地中海飲食干預(yù)有積極反應(yīng)的細(xì)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(guò)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(jìn)更健康的衰老變化。

研究背景:

伴隨衰老而來(lái)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(rèn)知功能喪失、肌肉減少以及糖尿病和動(dòng)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(rèn)為是解決衰弱的主要治療策略。地中海飲食的特點(diǎn)是蔬菜、豆類、水果、堅(jiān)果、橄欖油和魚(yú)的食用增加，紅肉、乳制品和飽和脂肪的食用減少。堅(jiān)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(xiàng)研究表明，堅(jiān)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(jiān)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(shí)上，老年保健的一個(gè)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(zhǎng)期居住護(hù)理的受試者中。地中海飲食NU-AGE干預(yù)項(xiàng)目旨在研究在一個(gè)來(lái)自五個(gè)不同的國(guó)家（波蘭、荷蘭、英國(guó)、法國(guó)和意大利）超過(guò)1200名年齡在65-79歲之間的老年人的大隊(duì)列中，使用定制膳食12個(gè)月的效果。這項(xiàng)研究的基線和干預(yù)后結(jié)果報(bào)告了檢測(cè)到的代謝物和身體成分?jǐn)?shù)據(jù)在性別和國(guó)籍上的差異，研究發(fā)現(xiàn)，堅(jiān)持地中海飲食的依從性與整體認(rèn)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(yàn)的參與者包括612名個(gè)體，包括289名對(duì)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(duì)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(gè)不同國(guó)家之間存在顯著的飲食差異（圖1A）：第一個(gè)亞組包含意大利受試者；第二個(gè)亞組包含英國(guó)和法國(guó)受試者；第三個(gè)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(duì)照組和干預(yù)組）配對(duì)微生物組數(shù)據(jù)。基于用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(lái)自英國(guó)/法國(guó)和波蘭/荷蘭的受試者更相似。基于食物消耗和OTU豐度分布的Procrustes分析證實(shí)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(jìn)了不同國(guó)家的差異（Mann-Whitney檢測(cè)）。

正如預(yù)期的那樣，飲食干預(yù)組與對(duì)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(duì)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(guó)家而異，飲食干預(yù)改變了宏觀營(yíng)養(yǎng)狀況

增加對(duì)地中海飲食的依從性會(huì)影響與健康相關(guān)的腸道特定菌群

在整個(gè)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(jìn)行更詳細(xì)的微生物群-飲食關(guān)聯(lián)分析，基于FBDG飲食指南計(jì)算了地中海飲食依從性得分；同時(shí)建立了隨機(jī)森林（RF）模型，基于微生物群預(yù)測(cè)地中海飲食依從性得分。對(duì)于這兩種模型，基于微生物群預(yù)測(cè)得到的地中海飲食依從性得分與基于實(shí)際食物的得分之間的相關(guān)性顯著，表明腸道菌群與堅(jiān)持地中海飲食之間存在明顯的關(guān)聯(lián)。在確定對(duì)地中海飲食有響應(yīng)的腸道菌群過(guò)程中，75個(gè)OTUs的組合具有最好的預(yù)測(cè)性能，稱之為“飲食響應(yīng)”O(jiān)TUs/分類群/標(biāo)記物?？偟膩?lái)說(shuō)，使用這組OTUs預(yù)測(cè)的飲食依從性得分和實(shí)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(gè)預(yù)測(cè)OTUs與地中海依從性得分呈正相關(guān)，45個(gè)預(yù)測(cè)OTUs與地中海依從性得分呈負(fù)相關(guān)，分別稱之為“飲食陽(yáng)性”和“飲食陰性”OTUs(圖2B)。這兩個(gè)組的微生物類群是不同的，“飲食陽(yáng)性”OTUs主要?dú)w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(bào)到過(guò)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(fù)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(dòng)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(jiān)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?yàn)閲?guó)家不同而造成的微生物組組成差異，但在整個(gè)隊(duì)列中確定的對(duì)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(shuō)，這些對(duì)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(guó)籍影響的。通過(guò)比較飲食干預(yù)組和對(duì)照組以及通過(guò)增加對(duì)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(jìn)一步驗(yàn)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(duì)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(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)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(fù)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(duì)象根據(jù)評(píng)分分為非衰弱（或明顯健康）、前脆弱和脆弱組。“飲食陰性”微生物隨三個(gè)衰弱組（即衰弱組>前衰弱組>非衰弱組）呈逐步顯著下降趨勢(shì)，而“飲食陽(yáng)性”微生物在健康組（非衰弱組）中的豐度顯著升高，“飲食陽(yáng)性”微生物在衰弱程度減輕的個(gè)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(duì)衰弱的影響可能是間接的，因此，增加對(duì)地中海飲食的依從性可能會(huì)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(xiǎn)直接相關(guān)。

為了調(diào)查這一點(diǎn)，計(jì)算了整個(gè)研究隊(duì)列中對(duì)地中海飲食響應(yīng)的OTUs標(biāo)記物與衰弱、認(rèn)知功能和炎癥的相關(guān)指數(shù)之間的關(guān)聯(lián),總的來(lái)說(shuō)，我們觀察到飲食陽(yáng)性和飲食陰性OTUs與五種不同的細(xì)胞因子/生物標(biāo)記物（即促炎性高敏C反應(yīng)蛋白hsCRP,白細(xì)胞介素17（IL-17）,抗炎性sGP130以及脂聯(lián)素和瘦素），三項(xiàng)與衰弱相關(guān)的測(cè)量指標(biāo)（Fried評(píng)分、握力和步速時(shí)間），以及與認(rèn)知功能相關(guān)BabCock記憶評(píng)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(yáng)性的OTU標(biāo)記與炎癥標(biāo)記hsCRP和IL-17水平以及Fried評(píng)分和步態(tài)速度時(shí)間（兩項(xiàng)指標(biāo)均與衰弱程度增加相關(guān)）呈一致的負(fù)相關(guān)；相反，它們與認(rèn)知功能改善指標(biāo)（如結(jié)構(gòu)練習(xí)、BabCock記憶評(píng)分）、衰弱程度降低指標(biāo)（握力）和兩種細(xì)胞因子（脂聯(lián)素和sGP130）的測(cè)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(guó)家差異，這些關(guān)聯(lián)中的每一個(gè)（BabCock記憶評(píng)分除外）至少可以在三個(gè)以上國(guó)家重現(xiàn)性比較好（圖3B）。這些結(jié)果清楚地表明，堅(jiān)持地中海飲食與微生物群調(diào)節(jié)的相關(guān)性在各個(gè)國(guó)家較為一致，反過(guò)來(lái)堅(jiān)持地中海飲食又與降低衰弱程度、改善認(rèn)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(rèn)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(duì)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(diǎn)是特定飲食成分的消費(fèi)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(yú)類）和維生素C（水果）的消費(fèi)量增加，同時(shí)減少食用肉類、酒、鹽和糖。我們首先通過(guò)檢測(cè)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(cè)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(fù)相關(guān),因此上述結(jié)果表明，OTU標(biāo)記不僅與FBDG預(yù)測(cè)的飲食依從性得分相關(guān)，而且與地中海飲食干預(yù)的個(gè)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(jì)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(gè)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(fù)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(rèn)知功能和炎癥的不同測(cè)量指標(biāo)的相關(guān)性。11種與改善認(rèn)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(xì)胞因子白細(xì)胞介素（IL）-2和巨噬細(xì)胞炎癥蛋白（MIP）-1b呈負(fù)相關(guān)，與語(yǔ)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(rèn)知功能相關(guān)，并且這種相關(guān)與依從性得分無(wú)關(guān)（即這些不是與飲食依從性相關(guān)的間接后果）。接下來(lái)，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(duì)飲食-微生物分類單元關(guān)聯(lián)程度的影響，與非患病對(duì)照組相比，患有多種疾病的個(gè)體，特別是糖尿病、心臟病發(fā)作和炎癥性疾病的個(gè)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(rèn)知功能改善和炎癥減輕相關(guān)，但是與飲食依從性評(píng)分無(wú)關(guān)

飲食調(diào)節(jié)的微生物群變化對(duì)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(dòng)的。考慮到糞便代謝數(shù)據(jù)對(duì)個(gè)體不可用，我們使用相應(yīng)的16S物種組成譜預(yù)測(cè)腸道微生物組的代謝譜。然后將這些預(yù)測(cè)代謝譜豐度的跨時(shí)間點(diǎn)變化與微生物組指數(shù)變化進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)“飲食陽(yáng)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(shí)，膽汁酸的?；撬岷吞穷愌苌锿ㄟ^(guò)膽酸和鵝去氧膽酸消耗到次級(jí)膽汁酸（石膽酸、脫氧膽酸）的量也會(huì)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(yáng)性反應(yīng)有關(guān)，SCFAs與宿主健康之間的正相關(guān)是公認(rèn)的。此外，在目前的研究中，我們獲得了意大利和波蘭隊(duì)列中的一部分個(gè)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(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)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(shì)：與飲食陰性OTUs相比，飲食陽(yáng)性OTUs與GCDCA水平的正相關(guān)性顯著增強(qiáng)，與CDCA水平的負(fù)相關(guān)性增強(qiáng)。根據(jù)GDCDA/CDCA比率，將這部分個(gè)體分成三組，觀察到GCDCA/CDCA比值增加的個(gè)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(shí)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(cè)個(gè)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(duì)甲酚、乙醇和二氧化碳，而其相對(duì)產(chǎn)生過(guò)剩與結(jié)直腸癌、胰島素抵抗、非酒精性脂肪肝、細(xì)胞毒性和小腸細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)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哐獕骸⑻悄虿『桶┌Y）呈負(fù)相關(guān)。因此這些結(jié)果表明，與陽(yáng)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(yáng)性OTUs是腸道群落中的關(guān)鍵物種

最后，我們?cè)u(píng)估了飲食反應(yīng)類群在整個(gè)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(diǎn)表示分類群OTUs，節(jié)點(diǎn)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(duì)重要性。我們首先得到了兩個(gè)隊(duì)列的所有跨時(shí)間點(diǎn)樣本的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。然而，大多數(shù)飲食陽(yáng)性OTUs和飲食陰性OTUs的位置有著顯著的不同。飲食陽(yáng)性OTUs要么位于網(wǎng)絡(luò)中心，要么作為主要子節(jié)點(diǎn)內(nèi)的連接節(jié)點(diǎn)（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(guò)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)分類單元的兩個(gè)中心度度量來(lái)探討這一現(xiàn)象：“中心度”（degree centrality）是連接到特定節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，而“中間中心度”（betweenness centrality）是通過(guò)特定節(jié)點(diǎn)連接任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的路徑數(shù)。與飲食陰性OTUs或非相關(guān)標(biāo)記相比，飲食陽(yáng)性OTUs具有更高的中間中心度（betweenness centrality）（圖5B，C）。我們?cè)诿恳粋€(gè)不同的國(guó)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(gè)網(wǎng)絡(luò)。盡管個(gè)體網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)存在重大差異，但無(wú)論在哪個(gè)國(guó)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(duì)重要性都是不變的。無(wú)論民族和個(gè)體的飲食依從性如何，飲食陽(yáng)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(yáng)性OTUs和飲食陽(yáng)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(yáng)性OTUs有負(fù)的共現(xiàn)趨勢(shì)（圖5D）。有趣的是，隨著飲食依從性的增加，共現(xiàn)傾向的強(qiáng)度變得明顯更為消極（圖5E），而其它任何分類模塊都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種情況。

圖5對(duì)地中海飲食干預(yù)有陽(yáng)性反應(yīng)的細(xì)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(diǎn)。