百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，糖尿病已經(jīng)成為一個(gè)全球問(wèn)題，國(guó)際糖尿病聯(lián)盟（IDF）發(fā)布的全球糖尿病地圖（第9版）[1]顯示，全球糖尿病患者人數(shù)不斷上升，全球平均增長(zhǎng)率為51%，目前有4.63億糖尿病患者，預(yù)測(cè)到2045年全球?qū)⒂?/span>7億糖尿病患者。糖尿病可引起多種并發(fā)癥，其中包括神經(jīng)疾病；其病因主要包括大腦胰島素抵抗、大腦微血管損傷和神經(jīng)炎癥等。
間歇性禁食（IF）是一種周期性的禁食方法，研究發(fā)現(xiàn)IF可延長(zhǎng)壽命、促進(jìn)能量代謝和有效降低與年齡相關(guān)疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)；代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，也有研究發(fā)現(xiàn)IF能改善代謝、減輕胰島素抵抗等T2D癥狀，在一些動(dòng)物模型中也顯示出神經(jīng)保護(hù)和改善認(rèn)知的作用，但對(duì)T2D相關(guān)認(rèn)知障礙的影響仍缺乏研究。
西北農(nóng)林科技大學(xué)劉志剛和劉學(xué)波等團(tuán)隊(duì)合作[2]，以28天IF飲食小鼠模型為研究對(duì)象，基于腸道菌群、血漿代謝組和大腦轉(zhuǎn)錄組3個(gè)組學(xué)平臺(tái)結(jié)合行為測(cè)試等方法，對(duì)微生物菌群-代謝物-腦軸改善認(rèn)知障礙進(jìn)行研究。
1.代謝組學(xué)分享—文章整體思路
整個(gè)文章研究思路清晰，以4批小鼠（分別為db/m正常對(duì)照+正常飲食，db/db二型糖尿病+正常飲食，db/db+IF二型糖尿病+間接性飲食3個(gè)group）為研究對(duì)象，收集血清、組織、糞便等樣本，進(jìn)行生理生化、多組學(xué)及微生物和代謝物驗(yàn)證研究；逐步揭曉菌群-代謝物-腦軸與認(rèn)知障礙的關(guān)系以及IF如何改善認(rèn)知障礙。
Fig1. 文章整體思路
2.代謝組學(xué)分享—IF對(duì)胰島耐受、認(rèn)知障礙和胰島信號(hào)等的影響
研究發(fā)現(xiàn)，IF能在不改變小鼠總體能量攝入的情況下降低db/db小鼠體重，同時(shí)能減少db/db小鼠每日攝水量；胰島耐受方面，IF能通過(guò)抑制空腹血糖和空腹血胰島水平增加db/db小鼠的胰島素敏感性，胰島耐受性水平也有所降低；水迷宮實(shí)驗(yàn)表明，IF能減少小鼠逃避潛伏期，進(jìn)而表明db/db小鼠的認(rèn)知障礙有一定改善。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，此外，IF能增加PSD的長(zhǎng)度和寬度；海馬區(qū)胰島素信號(hào)通路在進(jìn)食后被激活，在維持神經(jīng)生存和突觸功能方面有重要作用的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子BDNF的表達(dá)也有所增加等。
Fig 2. IF與生理生化相關(guān)指標(biāo)關(guān)系結(jié)果
3.代謝組學(xué)分享—IF對(duì)線(xiàn)粒體功能相關(guān)基因、腸道菌群和代謝物的影響
RNA-seq分析發(fā)現(xiàn)1181個(gè)在db/db-IF組中增加的基因，這些基因中大部分富集于線(xiàn)粒體相關(guān)的GO；KEGG通路分析發(fā)現(xiàn)，IF通過(guò)調(diào)節(jié)線(xiàn)粒體基因表達(dá)增加與氧化磷酸化相關(guān)基因的表達(dá)；進(jìn)一步的WGCNA分析發(fā)現(xiàn)與IF相關(guān)的49個(gè)hub基因，而這些基因大部分富集于線(xiàn)粒體和代謝相關(guān)GO、氧化磷酸化相關(guān)的KEGG通路和一些神經(jīng)性疾病（如亨廷頓氏舞蹈病和帕金森）相關(guān)的通路；之后的qPCR實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了IF能有效增加db/db小鼠線(xiàn)粒體和代謝相關(guān)基因的表達(dá)。
對(duì)腸道屏障完整性研究表明，IF能增加糖尿病小鼠腸壁絨毛長(zhǎng)度和黏膜肌層厚度，但不影響杯狀細(xì)胞；此外，IF也能有效阻止腸漏，從而降低血液中LPS含量。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，16S rRNA研究發(fā)現(xiàn)，28天間斷性節(jié)食后，在保持OUT不變的情況下能顯著增加腸道菌群α-多樣性，同時(shí)也能改變菌的β-多樣性；乳酸菌和丁酸鹽產(chǎn)生菌Odoribacter在IF干預(yù)后升高，而腸球菌、鏈球菌和腸球菌科的某個(gè)未知菌均降低；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些與肥胖、血糖和體重相關(guān)的菌（如：Candidatus Arthromitus，某未知Enterococcaceae等）。PICRUSt分析發(fā)現(xiàn)11個(gè)與IF相關(guān)的KEGG基因通路，其中初級(jí)/次級(jí)膽汁酸生物合成在干預(yù)后升高。
代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，非靶向代謝組學(xué)研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)干預(yù)后代謝物的改變，為研究IF干預(yù)與腸道菌群與代謝物的影響，選取23個(gè)與腸道菌相關(guān)的代謝物進(jìn)行進(jìn)一步研究，結(jié)果表明，血液中五羥色胺（5-HT）、色氨酸、p-羥基苯、N-乙酰色氨酸、3-吲哚丙酸（IPA）和膽汁酸等物質(zhì)上升，而酪氨酸、苯乙基甘氨酸、p-甲酚和12-HEPE等幾個(gè)物質(zhì)降低；此外還對(duì)糞便樣本中有保護(hù)腸道屏障功能和提高胰島敏感性的短鏈脂肪酸含量進(jìn)行研究，結(jié)果表明乙酸、丙酸鹽和丁酸鹽含量在IF干預(yù)后升高。
最后，將與IF相關(guān)的36個(gè)hub基因、17個(gè)OTUs和26個(gè)代謝物（包括23個(gè)與腸道菌群相關(guān)的代謝物和3個(gè)短鏈脂肪酸）進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)彼此相關(guān)性都較高的標(biāo)志物（乳酸菌、擬桿菌、膽汁酸、IPA、5-HT、線(xiàn)粒體和核糖體相關(guān)的GO等）。
Fig3. 多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析結(jié)果
4.代謝組學(xué)分享—菌和代謝物驗(yàn)證
為驗(yàn)證微生物在介導(dǎo)糖尿病認(rèn)知缺陷及IF干預(yù)中的作用，從正式開(kāi)始干預(yù)前開(kāi)始在飲用水中加入抗生素，并始終貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抗生素處理IF干預(yù)在不影響eWAT體重的情況下降低小鼠的體重，增加肝臟和盲腸重量；IF和抗生素處理均能減少db/db小鼠的飲食和攝水量，但不影響IF干預(yù)對(duì)胰島抵抗的有益影響；IF在改善認(rèn)知方面的功能在抗生素處理后被破壞；同時(shí)IF小鼠能提升db/db小鼠線(xiàn)粒體合成功能在抗生素處理后也受到破壞。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，從而發(fā)現(xiàn)抗生素處理能降低IF對(duì)db/db小鼠認(rèn)知缺陷的保護(hù)作用。此外，抗生物處理后，db/db小鼠血液中的IPA和糞便中的SCFAs含量均降低。
最后，為驗(yàn)證IPA和短鏈脂肪酸這些微生物來(lái)源的代謝物尤其是5-HT和TUDCA在認(rèn)知缺陷中的作用，對(duì)db/db小鼠喂食干預(yù)這些代謝物一段時(shí)間，代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，db/db小鼠的認(rèn)知功能和胰島敏感性均得到改善，同時(shí)線(xiàn)粒體生物合成功能得到提升。
Fig 4. 部分驗(yàn)證結(jié)果
5.代謝組學(xué)分享—總結(jié)
文章首次創(chuàng)新性的發(fā)現(xiàn)28天間斷性節(jié)食通過(guò)腸道菌群-代謝物-腦軸改善糖尿病小鼠的認(rèn)知，為營(yíng)養(yǎng)干預(yù)和改善代謝相關(guān)機(jī)體健康問(wèn)題提供了新啟示。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，但具體什么菌在改善小鼠認(rèn)知方面有效果、間斷性飲食改善小鼠認(rèn)知功能的分子和通路機(jī)制及在人群中作用和臨床效果仍需進(jìn)一步的研究探討。