苏州大学团队发现阿克曼氏菌可改善一型糖尿病及其肌肉萎缩
苏州大学团队发现阿克曼氏菌可改善一型糖尿病及其肌肉萎缩
近日，苏州大学张勇团队在国际知名期刊iMeta上发表了一篇重要研究论文，揭示了阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila）通过促进小鼠肠道分泌IGF2来改善一型糖尿病及其相关肌肉萎缩的机制。
研究背景
1型糖尿病（T1DM）是一种自身免疫性疾病，可导致严重的糖尿病并发症。虽然肠道微生物群落与T1DM发病机制之间的变化和相关性已经被广泛研究，但对干预肠道细菌群落的益处，特别是对于T1DM治疗过程中益生菌的效果知之甚少。
主要发现
研究团队观察到，注射链脲佐菌素（STZ）造模后，肠道微生物群的多样性明显降低。然而，注射 STZ 后存活 5 个月的小鼠血糖水平较低，肠道微生物恢复，肠道细菌中Akkermansia muciniphila的丰度增加。
向T1D小鼠灌胃热灭活的A. muciniphila菌可改善 T1DM 引起的体重减轻和葡萄糖不耐受。并且发现灌胃A. muciniphila可抑制 T1DM 导致的肌肉萎缩，且小鼠表现出更高的新陈代谢，骨骼肌中与脂质和葡萄糖代谢相关的基因和蛋白质的表达水平也有所提高。
此外，灌胃A. muciniphila菌还增加了肠道微生物群落的多样性，并增强了肠道中的免疫和代谢信号通路。机制方面，A. muciniphila菌能促进小鼠肠道分泌 IGF2，并激活骨骼肌中的 IGF2 信号通路，从而抑制肌肉萎缩并促进肌肉的新陈代谢。
实验结果
注射 STZ 5个月后存活的小鼠，A. muciniphila菌丰度增加
研究团队给小鼠注射单剂量 100 mg/Kg的 STZ，并将其饲养至 5 mpi（months post injection）。注射 STZ 后，小鼠的空腹血糖水平持续上升，在注射后 4 mpi 达到峰值（图 1A），而在注射后 5 mpi 与注射后 4 mpi 相比则明显下降（图 1A）。
细菌群落β多样性分析结果显示，STZ 注射组与对照组明显分离（图 1B），4 mpi 与其他各组分离（图 1B）。Shannon指数显示，细菌群落多样性在 2.5 mpi 和 4 mpi 显著下降，在 5 mpi 部分恢复（图 1C）。
细菌群落结构以及拟杆菌门和厚壁菌门的相对比例在 4 mpi 时发生了显著变化（图 1D-F，表 S1）。作为肠道健康指标的拟杆菌门/厚壁菌门比例在 4 mpi 时也显著下降（图 1G）。在 5 mpi 时，拟杆菌门和厚壁菌门的相对比例以及拟杆菌门/厚壁菌门的比例均有所恢复（图 1D-G）。
而在 5 mpi 时，发现参与胰岛素信号通路的细菌群落显著富集（图 1H）。
接下来，研究团队进行宏基因组测序以确定关键细菌物种。结果显示，在 4 mpi 和 5 mpi 之间，A. muciniphila菌是变化最大的细菌种类（图 1I, J）。
由于A. muciniphila菌是短链脂肪酸（SCFAs）的重要生产细菌，研究团队研究了与SCFAs 代谢相关的一些基因的表达水平。在5 mpi 时，Acss1、Ffar2和Ffar3的 mRNA 水平明显上调（图 1K 和 S1D）。
这些数据表明，注射STZ诱导的T1D小鼠体内葡萄糖水平升高，细菌群落被破坏，但存活 5 mpi 的小鼠体内的A. muciniphila菌数量增加，SCFAs 代谢增强。
图1. 长期注射链脲佐菌素后存活的小鼠血糖水平下降，肠道微生物群落发生变化，A. muciniphila菌丰度增加
灌胃A. muciniphila通过促进肠道 IGF2 的分泌，保护小鼠免受 STZ 诱导的肌肉萎缩的影响
研究团队采用野生型 C57BL/6J 小鼠，在注射 STZ 前一个月分别灌胃生理盐水、热灭活的A. muciniphila（AKK）菌、醋酸钠（Ace）和丙酸钠（Pro）溶液（图 2A）。未同时注射 STZ 的小鼠设为对照组（Ctrl）。
随后，注射STZ成功建模的小鼠继续进行灌胃（图 2A）。注射 STZ 后 3 周和 5 周，生理盐水组、Ace 组和 Pro 组小鼠的体重与 Ctrl 组相比明显下降，而 AKK 组小鼠的体重则没有差异（图 2B, S2A）。
与生理盐水组相比，AKK 组和 Ace 组小鼠的空腹血糖水平明显降低（图 2C）。在葡萄糖耐量试验（GTT）中，AKK 组小鼠的血糖水平降低，葡萄糖敏感性提高（图 2D、E、S2B）。
代谢分析表明，灌胃A. muciniphila能显著提高小鼠的氧气消耗量、二氧化碳产生量和产热量（图 2F-H，S3A-E）。而呼吸交换率没有差异（图 S3F）。
灌胃A. muciniphila还能减少 STZ 诱导的 T1D 小鼠的水摄入量，从而改善糖尿病综合征（图 2I）。小鼠的食物摄入量和活动量没有变化（图 S3G-I）。
体脂扫描仪扫描结果显示，灌胃A. muciniphila菌的小鼠瘦体重略有增加（图S4A）。事实上，与生理盐水组相比，AKK 组小鼠不同肌肉组织（包括胫骨前肌（TA）和股四头肌（Qu）的重量都有所增加（图 2J 和 K）。
TA的横截面也显示，AKK组的平均纤维尺寸（图2L）和较大尺寸纤维的比例显著增加（图S4B、C）。与生理盐水组相比，AKK组小鼠TA的MSTN蛋白水平以及Atrogin-1、Trim63和Mstn的mRNA水平均显著降低（图2M、N、S4D、E）。
此外，AKK组与生理盐水组不同脂肪层的重量没有变化（图S4F、G）。
通过转录组测序，研究团队在对照组与生理盐水组和 AKK 组与生理盐水组之间分别发现了 1075 和 806 个差异表达基因（DEGs）（图 2O、S5A、表 S3）。KEGG显示，线粒体和胰岛素受体结合相关基因特别富集于AKK组（图S5B）。
在灌胃A. muciniphila后，发现Cpt2、Ppargc1α、Cox7a1、Acss2、Hk2、Ldhb、Slc2a1、Irs2、Insig1、Fndc5（Irisin，一种肌肉分泌的肌动素，可促进全身代谢）和Myh2（肌球蛋白重链 2，肌肉的关键结构蛋白）的表达水平被上调（图 2P）。
此外，ATGL 和 CPT2 的蛋白水平在 AKK 组 TA肌肉中显著增加（图 2Q，R）。因为多项研究都强调了灌胃A. muciniphila对肠道的影响，因此接下来探究了肠道微生物群落和肠道转录组的变化。
16s rRNA测序表明，灌胃A. muciniphila后肠道微生物群落的多样性明显增加（图 S6，表 S4）。转录组分析表明，灌胃A. muciniphila后，先天性免疫反应、脂质转运、葡萄糖代谢过程、质膜和碳水化合物结合等相关基因上调（图 S7A-C，表 S5）。
Western-blot 分析显示，AKK 组肠道中 ATGL、CPT2 和 MTCO1（代表线粒体复合物 4）的蛋白水平均显著升高（图 S7C，D）。
为了确定导致灌胃A. muciniphila诱导肌肉增生的关键分泌蛋白，研究团队分别从生理盐水与对照组和 AKK 与生理盐水组中筛选了相同阈值下的 DEGs（图 2S，表 S6）。通路富集表明，242 个重叠的 DEGs 主要涉及免疫系统过程、内质体和内质网（图 2T，S8A）。
尤其是Igf2（胰岛素样生长因子2），它编码一种细胞因子IGF2，对骨骼肌的生长和代谢至关重要。研究团队验证了肠道中Igf2的 mRNA 和蛋白水平以及血清中 IGF2 的水平在A. muciniphila处理后都有所提高（图 2V，W）。
但肌肉中的 IGF2 蛋白水平没有变化（图 S8B）。然而，作为 IGF2 信号通路关键因子的Igf2r和Igf2bp1的 mRNA 水平在 AKK 组 TA 肌肉中显著增加（图 2X）。
这些结果表明，灌胃A. muciniphila可通过促进肠道分泌IGF2来抑制STZ诱导的肌肉萎缩并增强骨骼肌的新陈代谢。
图2. 通过促进肠道 IGF2 的分泌，灌胃A. muciniphila可保护小鼠免受 STZ 引起的肌肉萎缩
讨论
肠道微生物群落在宿主免疫和新陈代谢中发挥着至关重要的作用，但有关肠道微生物群落与 T1DM 关系的研究仍处于起步阶段。研究团队发现，自发的微生物群落恢复可能是长期存活的 T1DM 小鼠血糖改善的驱动因素。
对芬兰 T1DM 患儿进行的宏基因组学分析也显示，丁酸盐产生菌与A. muciniphila菌的比例显著降低。在 NOD 小鼠中，A. muciniphila的丰度与患 T1DM 的风险成反比。
A. muciniphila菌通过激活 FFAR2 促进 SCFA 的产生，从而在肠道中发挥抗炎作用。在本研究中研究团队发现，随着注射 STZ 5 个月后存活的小鼠高血糖状况的改善，A. muciniphila的比例和Ffar2的表达均显著增加。
因此，研究团队不能排除抑制高血糖的作用来自A. muciniphila或A. muciniphila产生的 SCFAs的可能性。为了分析这些可能性，研究团队分别向小鼠灌胃了热灭活的A. muciniphila以及乙酸盐和丙酸盐。
结果表明，热灭活的A. muciniphila（而非其 SCFAs）能充分调节肠道炎症和代谢通路。
目前A. muciniphila菌在防治各种疾病方面的分子机制已得到广泛研究。热灭活的A. muciniphila菌可以显著改善二型糖尿病小鼠的症状，这表明了A. muciniphila可以直接与肠道屏障之间发生相互作用。
本研究也发现热灭活后的A. muciniphila能通过肠道-IGF2-肌肉轴改善 STZ 诱导的小鼠一型糖尿病。IGF2 及其结合蛋白 IGF2BP1 是肌肉分化、生长和功能的关键调节因子。
因此，研究团队推测A. muciniphila能以直接结合依赖的方式促进小鼠肠道分泌 IGF2。肠上皮细胞也能分泌 IGF2。不过，要证实目前的机制，还需要进行拯救或中和试验。
此外，在乙酸灌胃小鼠体内观察到血糖水平明显降低，而乙酸是A. muciniphila最重要的代谢产物之一。因此，它无法绕过A. muciniphila的代谢和分泌作用。
综合来看，A. muciniphila的代谢益处应该是通过直接和间接相互作用改善肠道微生物群落和肠道屏障功能的综合结果。
另一个有趣的观察结果是，灌胃A. muciniphila能特异性地抑制 STZ 诱导的肌肉萎缩，而不影响脂肪组织。T1DM 患者骨骼肌异常，包括蛋白质合成和降解改变、糖酵解受损、线粒体功能障碍和超微结构改变。
灌胃A. muciniphila不仅增加了肌肉质量和横截面积，还增加了与代谢相关的信号通路。这些观察结果与肥胖症和 T2DM 的研究结果大相径庭，在肥胖症和 T2DM 研究中，A. muciniphila有抑制肥胖和促进代谢的作用，却没有改变肌肉质量和功能。
由于 T1DM 不同于肥胖症和 T2DM，特别是考虑到高胰岛素血症，因此A. muciniphila的抗萎缩能力可能依赖于肌肉中胰岛素信号的恢复，Igf2r和Igf2bp1表达水平的提高就是证明。
结论
综上所述，本研究揭示了灌胃A. muciniphila可通过促进肠道分泌IGF2蛋白，作用于肌肉从而保护小鼠免受STZ诱导的高血糖和肌肉萎缩的影响。注射 STZ 5 个月后存活的小鼠血糖水平明显降低，肠道微生物群落结构恢复，肠道菌群中A. muciniphila比例显著增加。
给T1D小鼠灌胃热灭活的A. muciniphila增加了肠道微生物群落的多样性，并增强了肠道中的免疫和代谢信号通路。从机制上讲，A. muciniphila促进了肠道中IGF2 的分泌，随后激活了骨骼肌中的 IGF2 信号传导。
研究团队的研究结果表明，灌胃热灭活的A. muciniphila菌可能是治疗 T1DM 及其相关高血糖症的一种潜在策略。
本文原文来自CSDN