5月10日，Nature Communications在線發表了上海交通大學運動轉化醫學中心（系統生物醫學研究院/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。該研究發現有氧運動和膳食干預能夠提高腸道微生態系統穩定性，從而影響肝臟脂肪堆積的改善。并且干預前的個體腸道菌群網絡可以預測運動與膳食干預響應效果，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化醫學中心程蜀琳教授、中國科學院分子細胞科學卓越創新中心陳洛南研究員、上海交通大學生命科學技術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化醫學中心、生命科學技術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）是一種表現為肝臟脂肪的異常堆積的代謝疾病，是目前世界范圍內最常見的肝臟疾病，腸道菌群在疾病的發生發展中發揮重要的作用。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，但運動與膳食干預對NAFLD患者腸道菌群的具體影響尚未明確，一些研究結果之間也存在矛盾。運動與膳食干預如何影響腸道微生物結構與功能，如何影響腸道微生物生態系統，這些變化與NAFLD相關生理指標的改善有何聯系，仍需進一步探索。此外，患者個體對于運動與膳食干預的響應存在異質性，能夠區分患者對于不同干預方式的響應，將有助于更加高效的制定個性化干預策略。
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試驗（下圖1左），以評估干預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果運動與膳食干預對腸道菌群的影響。
研究結果發現，干預后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%和23.2%，NI組上升了20.9%。盡管干預組HFC顯著改善，但患者個體對干預有很大的響應異質性（下圖1右）。
對腸道微生物結構和功能的分析表明，患者腸道菌群的α多樣性在運動與膳食干預后維持不變，但在NI組顯著下降。干預后NI組β多樣性的分布與干預組存在顯著差異，且NI組的分布相比干預組更加彌散。對擴增子序列變異（amplicon sequence variants, ASV）相對豐度的分析顯示，干預組和NI組之間共有36個ASV出現顯著差異，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，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物SCFAs進行分析，發現其總量在干預前后沒有統計學差異，但運動干預降低了腸道菌群乙酸的產生，膳食干預使乙酸和丙酸顯著下降。這些結果表明，運動與膳食干預改變了NAFLD患者腸道菌群的結構和功能，這種改變和生理指標的變化有關。
此外，腸道微生物作為一個生態系統，菌群成員之間的相互作用關系同樣重要。為了識別微生物生態系統中作為功能組對干預做出響應的細菌，我們采用共豐富組（co-abundance group, CAG）來分析微生物生態系統中的群落結構，共定義了35個CAG，并以此構建了所有組干預前后患者群體的的微生物共現網絡（下圖2）。發現三個干預組的網絡拓撲特征，包括連接度、穩定性都在干預后顯著增加，而這些指標在NI組都降低。上述結果提示腸道菌群微生態系統穩定性的增強可能體現了肝臟脂肪堆積情況的改善。
患者群體網絡性質的分析顯示，干預組（a：運動組，b:膳食組，c:運動+膳食組）在干預后網絡的連接度、魯棒性分數更高，而這些指標在對照組（d）都降低了（下圖3）?？紤]到肝臟脂肪堆積的改善情況，這些網絡指標可能體現了患者對干預的響應。對網絡結構的分析表明，群體網絡是一種無標度網絡，據此確立4個作為網絡樞紐的基石類群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絡分析結果表明微生物的網絡特征和NAFLD患者的肝臟脂肪堆積有直接聯系，據此進一步開發了一種單樣本SparCC網絡（single SparCC network）的新方法，可建立患者個體的腸道菌群網絡，并由個體網絡特征或網絡標志物來預測患者對運動與膳食干預的響應。與傳統的一組樣本中的相關系數，例如Spearman和Pearson相比，單樣本SparCC網絡方法基于個體患者的微生物間關聯的異質性，可在網絡層面研究每個樣本的特征（下圖4）。
進一步通過干預前的個體網絡中的邊數來區分響應者/無響應者。在線性回歸分析中，AEx組的個體網絡邊的數目準確地預測了HFC的變化，并具有顯著性（下圖5左）。為了評估個體網絡中的邊數對于干預響應的預測能力，研究者構造了一個無監督的分類器，發現不同干預組都顯示出來良好的預測效果，其中AED組效果最好（下圖5右）。上述宏基因組數據的結果也在16S rRNA數據中得到了驗證。
綜上所述，本研究通過隨機對照臨床試驗發現：（1）有氧運動與膳食干預可以改變NAFLD患者腸道菌群結構和功能；（2）有氧運動和膳食干預能夠提高腸道微生態系統穩定性，從而影響肝臟脂肪堆積的改善；（3）干預前的個體腸道菌群網絡可以預測運動與膳食干預響應效果，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化醫學中心程蜀琳教授、中國科學院分子細胞科學卓越創新中心陳洛南研究員、上海交通大學生命科學技術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化醫學中心、生命科學技術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）是一種表現為肝臟脂肪的異常堆積的代謝疾病，是目前世界范圍內最常見的肝臟疾病，腸道菌群在疾病的發生發展中發揮重要的作用。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，但運動與膳食干預對NAFLD患者腸道菌群的具體影響尚未明確，一些研究結果之間也存在矛盾。運動與膳食干預如何影響腸道微生物結構與功能，如何影響腸道微生物生態系統，這些變化與NAFLD相關生理指標的改善有何聯系，仍需進一步探索。此外，患者個體對于運動與膳食干預的響應存在異質性，能夠區分患者對于不同干預方式的響應，將有助于更加高效的制定個性化干預策略。
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試驗（下圖1左），以評估干預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果運動與膳食干預對腸道菌群的影響。
研究結果發現，干預后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%和23.2%，NI組上升了20.9%。盡管干預組HFC顯著改善，但患者個體對干預有很大的響應異質性（下圖1右）。
對腸道微生物結構和功能的分析表明，患者腸道菌群的α多樣性在運動與膳食干預后維持不變，但在NI組顯著下降。干預后NI組β多樣性的分布與干預組存在顯著差異，且NI組的分布相比干預組更加彌散。對擴增子序列變異（amplicon sequence variants, ASV）相對豐度的分析顯示，干預組和NI組之間共有36個ASV出現顯著差異，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，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物SCFAs進行分析，發現其總量在干預前后沒有統計學差異，但運動干預降低了腸道菌群乙酸的產生，膳食干預使乙酸和丙酸顯著下降。這些結果表明，運動與膳食干預改變了NAFLD患者腸道菌群的結構和功能，這種改變和生理指標的變化有關。
此外，腸道微生物作為一個生態系統，菌群成員之間的相互作用關系同樣重要。為了識別微生物生態系統中作為功能組對干預做出響應的細菌，我們采用共豐富組（co-abundance group, CAG）來分析微生物生態系統中的群落結構，共定義了35個CAG，并以此構建了所有組干預前后患者群體的的微生物共現網絡（下圖2）。發現三個干預組的網絡拓撲特征，包括連接度、穩定性都在干預后顯著增加，而這些指標在NI組都降低。上述結果提示腸道菌群微生態系統穩定性的增強可能體現了肝臟脂肪堆積情況的改善。
患者群體網絡性質的分析顯示，干預組（a：運動組，b:膳食組，c:運動+膳食組）在干預后網絡的連接度、魯棒性分數更高，而這些指標在對照組（d）都降低了（下圖3）?？紤]到肝臟脂肪堆積的改善情況，這些網絡指標可能體現了患者對干預的響應。對網絡結構的分析表明，群體網絡是一種無標度網絡，據此確立4個作為網絡樞紐的基石類群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絡分析結果表明微生物的網絡特征和NAFLD患者的肝臟脂肪堆積有直接聯系，據此進一步開發了一種單樣本SparCC網絡（single SparCC network）的新方法，可建立患者個體的腸道菌群網絡，并由個體網絡特征或網絡標志物來預測患者對運動與膳食干預的響應。與傳統的一組樣本中的相關系數，例如Spearman和Pearson相比，單樣本SparCC網絡方法基于個體患者的微生物間關聯的異質性，可在網絡層面研究每個樣本的特征（下圖4）。
進一步通過干預前的個體網絡中的邊數來區分響應者/無響應者。在線性回歸分析中，AEx組的個體網絡邊的數目準確地預測了HFC的變化，并具有顯著性（下圖5左）。為了評估個體網絡中的邊數對于干預響應的預測能力，研究者構造了一個無監督的分類器，發現不同干預組都顯示出來良好的預測效果，其中AED組效果最好（下圖5右）。上述宏基因組數據的結果也在16S rRNA數據中得到了驗證。
綜上所述，本研究通過隨機對照臨床試驗發現：（1）有氧運動與膳食干預可以改變NAFLD患者腸道菌群結構和功能；（2）有氧運動和膳食干預能夠提高腸道微生態系統穩定性，從而影響肝臟脂肪堆積的改善；（3）干預前的個體腸道菌群網絡可以預測運動與膳食干預響應效果，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
