生酮饮食减肥新发现：复旦团队揭示胆汁酸关键作用
生酮饮食减肥新发现：复旦团队揭示胆汁酸关键作用
生酮饮食（KD）是一种通过显著降低碳水化合物摄入量并增加脂肪摄入来实现减肥的饮食方式。然而，其具体作用机制一直存在争议。最近，复旦大学洪尚宇研究员团队和郑琰研究员团队在Nature Metabolism杂志上发表了一项重要研究，揭示了生酮饮食通过胆汁酸TDCA和TUDCA来减轻体重和改善血糖水平的机制。
肥胖不仅影响美观，更容易引发多种健康问题，如高血压、冠心病、糖尿病、高脂血症、胆石症等。肥胖症患者并发冠心病、高血压的几率明显高于非肥胖者，其发生率一般5～10倍于非肥胖者。
低碳水化合物生酮饮食（Ketogenic Diet, KD）是一种特殊的饮食方式，在显著降低碳水化合物的摄入量的同时增加脂肪和适量蛋白质的摄入，临床上对这种饮食方式对机体的利弊一直存在争议。由于其碳水化合物含量低，对餐后胰岛素水平的刺激作用有限，其减肥效果显著，但生酮饮食减脂过程中胆汁酸的作用尚不清楚。
2024年6月27日，复旦大学洪尚宇研究员团队和郑琰研究员团队联合在Nature Metabolism（IF=18.9）杂志上发表了题为Ketogenic diet-induced bile acids protect against obesity through reduced calorie absorption的研究论文，通过自然人群队列研究、小鼠模型实验、代谢组学、宏基因组学、转录组学等技术手段，揭示了KD消耗降低体重和空腹血糖水平的独特宿主-肠道菌群代谢相互作用机制，发现两种胆汁酸TDCA和TUDCA作为除KD外治疗肥胖及其并发症的两种有希望的候选药物。
图1. 技术路线
研究发现
1. KD提高血清TDCA和TUDCA水平，降低体重和空腹血糖水平
通过给C57BL/6J小鼠喂食生酮饮食（KD）或普通饲料（CD），探讨了生酮饮食对小鼠血清中潜在生物活性代谢物的影响。研究发现，生酮饮食显著降低了小鼠的体重和空腹血糖水平，并改变了血清代谢物谱，特别是上调了六种牛磺酸结合胆汁酸的水平。进一步实验显示，补充蛋氨酸逆转了生酮饮食引起的体重和血糖降低，还显著降低了这些上调的牛磺酸结合胆汁酸的水平。此外，通过直接给小鼠注射特定牛磺酸结合胆汁酸，发现牛磺脱氧胆酸（TDCA）和牛磺熊去氧胆酸（TUDCA）能显著降低小鼠体重和血糖水平，改善葡萄糖耐量。
图2. KD提高血清TDCA和TUDCA水平，降低体重和空腹血糖水平
2. 肠道微生物群是KD诱导的代谢益处和TDCA和TUDCA上调所必需的
进一步探讨生酮饮食（KD）和蛋氨酸补充（KDM）对小鼠体内牛磺酸结合胆汁酸水平的影响，研究发现，KD降低了小鼠盲肠中未结合胆汁酸的水平，而蛋氨酸补充可以逆转这一变化。通过抗生素鸡尾酒（ABX）清除肠道微生物和粪便微生物移植（FMT）实验，证实了肠道微生物在KD诱导的体重减轻和血糖稳态变化中的必要性。KD微生物群的移植引起受体小鼠的体重减轻和血糖改善，而KDM微生物群则抑制了KD诱导的体重和血糖变化。
图3. 肠道微生物群是kd诱导的代谢益处和TDCA和TUDCA上调所必需的
3. 特定肠道微生物菌株与TDCA、TUDCA和KD驱动的代谢表型相关
KD饮食显著降低了小鼠肠道微生物的α-多样性，这一影响被蛋氨酸补充所恢复。KD和KDM均显著改变了肠道微生物群落结构，特别是KD减少了厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）和疣微菌门（Verrucomicrobia）的相对丰度，而增加了变形菌门（Proteobacteria）的丰度。蛋氨酸补充恢复了这些门级的丰度。进一步分析确定了四种受KD和蛋氨酸补充影响最大的菌株，其中L. murinus ASF361、L. reuteri unclassified和A. muciniphila ATCC BAA-835与宿主体重、空腹血糖水平及胆汁酸水平存在显著相关性。
图4. 三种肠道微生物菌株与TDCA、TUDCA和KD驱动的代谢表型相关
4. L. murinus ASF361通过表达BSH调控BAs
L.murinus ASF361在预测宿主体重和空腹血糖水平方面表现出高准确性，但直接给KD饮食小鼠灌胃该菌株并未显著改变其体重或血糖水平。然而，在切换到KDM饮食后，灌胃L. murinus ASF361的小鼠体重和血糖水平显著增加。此外，L. murinus ASF361能够显著降低血清中TDCA和TUDCA的水平，并增加盲肠内容物中脱氧胆酸（DCA）和熊去氧胆酸（UDCA）的水平，这可能与该菌株编码的胆汁盐水解酶（BSH）活性有关。蛋氨酸补充能够恢复KD饮食下BSH编码微生物的丰度，而抑制BSH活性则阻断了蛋氨酸补充对体重和血糖的改善作用。
图5. L. murinus ASF361通过表达BSH调控TDCA和TUDCA的解离
5. TDCA和TUDCA通过下调Car1减少肠道脂质吸收
通过转录组学分析揭示了TDCA和TUDCA显著下调了碳酸'酐酶1（CAR1）的表达，这是一个关键的脂肪吸收标志物，也是肥胖的潜在靶点。小鼠肠组织的定量PCR和CAR1免疫染色验证了RNA测序的结果。在检测TDCA和TUDCA是否以细胞自主的方式调节Car1的表达和脂质吸收时观察到，与载体处理的细胞相比，TDCA处理或TUDCA处理的Caco-2细胞中CAR1 mRNA和蛋白质的表达较少，脂质积累减少。使用D-苯丙氨酸（CAR1激动剂）治疗可以部分逆转TDCA和TUDCA诱导的体重下降、空腹血糖水平和能量吸收。
图6. TDCA和TUDCA通过下调Car1减少肠道脂质吸收，并保护小鼠抵抗肥胖
6. TDCA和TUDCA在治疗肥胖及其并发症中的潜力
TDCA和TUDCA在治疗四种肥胖和糖尿病小鼠模型（DIO、STZ、ob/ob、db/db）中有效，能显著降低小鼠的体重和空腹血糖水平，改善葡萄糖耐量，并减少肝脏脂质积累；人血浆和粪便中胆汁酸水平的测量显示，较高水平的共轭型的DCA和UDCA（如TDCA、TUDCA）与较低的BMI和空腹血糖水平相关。
图7. TDCA、TUDCA与人BMI和空腹血糖相关
小结
本研究揭示了KD通过诱导肠道微生物和胆汁酸池变化，减少肠道脂质吸收抵抗肥胖的分子机制，为理解KD的抗肥胖效应提供了新视角，也为肥胖及其并发症的治疗提供了潜在的新靶点和候选药物。