肥胖不僅影響美觀，更容易引發多種健康問題，如高血壓、冠心病、糖尿病、高脂血癥、膽石癥等。肥胖癥患者并發冠心病、高血壓的幾率明顯高于非肥胖者，其發生率一般5～10倍于非肥胖者。
低碳水化合物生酮飲食（Ketogenic Diet, KD）是一種特殊的飲食方式，在顯著降低碳水化合物的攝入量的同時增加脂肪和適量蛋白質的攝入，臨床上對這種飲食方式對機體的利弊一直存在爭議。由于其碳水化合物含量低，對餐后胰島素水平的刺激作用有限，其減肥效果顯著，但生酮飲食減脂過程中膽汁酸的作用尚不清楚。
2024年6月27日，復旦大學洪尚宇研究員團隊和鄭琰研究員團隊聯合在Nature Metabolism（IF=18.9）雜志上發表了題為Ketogenic diet-induced bile acids protect against obesity through reduced calorie absorption的研究論文，通過自然人群隊列研究、小鼠模型實驗、代謝組學、宏基因組學、轉錄組學等技術手段，揭示了KD消耗降低體重和空腹血糖水平的獨特宿主-腸道菌群代謝相互作用機制，發現兩種膽汁酸TDCA和TUDCA作為除KD外治療肥胖及其并發癥的兩種有希望的候選藥物。（麥特繪譜提供Q300全定量和膽汁酸譜定量檢測服務）
研究思路
圖1. 技術路線
研究結論
1.KD提高血清TDCA和TUDCA水平，降低體重和空腹血糖水平
通過給C57BL/6J小鼠喂食生酮飲食（KD）或普通飼料（CD），探討了生酮飲食對小鼠血清中潛在生物活性代謝物的影響。研究發現，生酮飲食顯著降低了小鼠的體重和空腹血糖水平，并改變了血清代謝物譜，特別是上調了六種?；撬峤Y合膽汁酸的水平。進一步實驗顯示，補充蛋氨酸逆轉了生酮飲食引起的體重和血糖降低，還顯著降低了這些上調的?；撬峤Y合膽汁酸的水平。此外，通過直接給小鼠注射特定?；撬峤Y合膽汁酸，發現?；敲撗跄懰幔═DCA）和?；切苋パ跄懰幔═UDCA）能顯著降低小鼠體重和血糖水平，改善葡萄糖耐量。
圖2. KD提高血清TDCA和TUDCA水平，降低體重和空腹血糖水平
2. 腸道微生物群是KD誘導的代謝益處和TDCA和TUDCA上調所必需的
進一步探討生酮飲食（KD）和蛋氨酸補充（KDM）對小鼠體內?；撬峤Y合膽汁酸水平的影響，研究發現，KD降低了小鼠盲腸中未結合膽汁酸的水平，而蛋氨酸補充可以逆轉這一變化。通過抗生素雞尾酒（ABX）清除腸道微生物和糞便微生物移植（FMT）實驗，證實了腸道微生物在KD誘導的體重減輕和血糖穩態變化中的必要性。KD微生物群的移植引起受體小鼠的體重減輕和血糖改善，而KDM微生物群則抑制了KD誘導的體重和血糖變化。
圖3. 腸道微生物群是kd誘導的代謝益處和TDCA和TUDCA上調所必需的
3. 特定腸道微生物菌株與TDCA、TUDCA和KD驅動的代謝表型相關
KD飲食顯著降低了小鼠腸道微生物的α-多樣性，這一影響被蛋氨酸補充所恢復。KD和KDM均顯著改變了腸道微生物群落結構，特別是KD減少了厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）和疣微菌門（Verrucomicrobia）的相對豐度，而增加了變形菌門（Proteobacteria）的豐度。蛋氨酸補充恢復了這些門級的豐度。進一步分析確定了四種受KD和蛋氨酸補充影響最大的菌株，其中L. murinus ASF361、L. reuteri unclassified和A. muciniphila ATCC BAA-835與宿主體重、空腹血糖水平及膽汁酸水平存在顯著相關性。
圖4. 三種腸道微生物菌株與TDCA、TUDCA和KD驅動的代謝表型相關
4. L. murinus ASF361通過表達BSH調控BAs
L.murinus ASF361在預測宿主體重和空腹血糖水平方面表現出高準確性，但直接給KD飲食小鼠灌胃該菌株并未顯著改變其體重或血糖水平。然而，在切換到KDM飲食后，灌胃L. murinus ASF361的小鼠體重和血糖水平顯著增加。此外，L. murinus ASF361能夠顯著降低血清中TDCA和TUDCA的水平，并增加盲腸內容物中脫氧膽酸（DCA）和熊去氧膽酸（UDCA）的水平，這可能與該菌株編碼的膽汁鹽水解酶（BSH）活性有關。蛋氨酸補充能夠恢復KD飲食下BSH編碼微生物的豐度，而抑制BSH活性則阻斷了蛋氨酸補充對體重和血糖的改善作用。
圖5. L. murinus ASF361通過表達BSH調控TDCA和TUDCA的解離
5. TDCA和TUDCA通過下調Car1減少腸道脂質吸收
通過轉錄組學分析揭示了TDCA和TUDCA顯著下調了碳酸酐酶1（CAR1）的表達，這是一個關鍵的脂肪吸收標志物，也是肥胖的潛在靶點。小鼠腸組織的定量PCR和CAR1免疫染色驗證了RNA測序的結果。在檢測TDCA和TUDCA是否以細胞自主的方式調節Car1的表達和脂質吸收時觀察到，與載體處理的細胞相比，TDCA處理或TUDCA處理的Caco-2細胞中CAR1 mRNA和蛋白質的表達較少，脂質積累減少。使用D-苯丙氨酸（CAR1激動劑）治療可以部分逆轉TDCA和TUDCA誘導的體重下降、空腹血糖水平和能量吸收。
圖6. TDCA和TUDCA通過下調Car1減少腸道脂質吸收，并保護小鼠抵抗肥胖
6. TDCA和TUDCA在治療肥胖及其并發癥中的潛力
TDCA和TUDCA在治療四種肥胖和糖尿病小鼠模型（DIO、STZ、ob/ob、db/db）中有效，能顯著降低小鼠的體重和空腹血糖水平，改善葡萄糖耐量，并減少肝臟脂質積累；人血漿和糞便中膽汁酸水平的測量顯示，較高水平的共軛型的DCA和UDCA（如TDCA、TUDCA）與較低的BMI和空腹血糖水平相關。
圖7. TDCA、TUDCA與人BMI和空腹血糖相關
小結
本研究揭示了KD通過誘導腸道微生物和膽汁酸池變化，減少腸道脂質吸收抵抗肥胖的分子機制，為理解KD的抗肥胖效應提供了新視角，也為肥胖及其并發癥的治療提供了潛在的新靶點和候選藥物。
參考文獻
Ketogenic diet-induced bile acids protect against obesity through reduced calorie absorption. Nature Metabolism. 2024
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繪譜幫你測
本研究通過麥特繪譜的Q300全定量代謝組學檢測技術揭示生酮飲食小鼠的不同種類代謝譜變化，發現上調了部分牛磺酸結合膽汁酸的水平變化，鎖定研究目標——膽汁酸，繼而使用膽汁酸譜靶向測定技術進一步驗證了小鼠血清和盲腸內容物中的特定膽汁酸水平變化，結合宏基因組/轉錄組等組學技術闡述了KD通過誘導腸道微生物和膽汁酸池變化，減少腸道脂質吸收抵抗肥胖的分子機制。
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