程蜀琳陳洛南張晨虹合作揭示運動及飲食干預脂肪肝的改善效果與個體腸道菌群網路的聯絡

近日，Nature Communications 線上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：

近日，上海交通大學運動轉化醫學中心程蜀琳團隊、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合作，在 Nature Communications 線上發表了題為：A randomized controlled trial for response of microbiome network to exercise and diet intervention in patients with nonalcoholic fatty liver disease 的研究論文。

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。並且干預前的個體腸道菌群網路可以預測運動與膳食干預響應效果，為非酒精性脂肪肝病（NAFLD）的個性化治療策略提供了新途徑。

非酒精性脂肪肝病（NAFLD）是一種表現為肝臟脂肪的異常堆積的代謝疾病，是目前世界範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絡，仍需進一步探索。此外，患者個體對於運動與膳食干預的響應存在異質性，能夠區分患者對於不同干預方式的響應，將有助於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。這這項研究中，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，干預後 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%和23。2%，NI組上升了20。9%。儘管干預組 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後維持不變，但在 NI 組顯著下降。干預後 NI 組β多樣性的分佈與干預組存在顯著差異，且NI組的分佈相比干預組更加彌散。對擴增子序列變異（amplicon sequence variants， ASV）相對丰度的分析顯示，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，獨立於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後沒有統計學差異，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係同樣重要。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，研究團隊採用共豐富組（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，並以此構建了所有組干預前後患者群體的的微生物共現網路（下圖2）。發現三個干預組的網路拓撲特徵，包括連線度、穩定性都在干預後顯著增加，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。

患者群體網路性質的分析顯示，干預組（a：運動組，b：膳食組，c：運動+膳食組）在干預後網路的連線度、魯棒性分數更高，而這些指標在對照組（d）都降低了（下圖3）。考慮到肝臟脂肪堆積的改善情況，這些網路指標可能體現了患者對干預的響應。對網路結構的分析表明，群體網路是一種無標度網路，據此確立4個作為網路樞紐的基石類群 CAG6、CAG7、CAG8 和 CAG28，其代表 ASV 分別屬於擬桿菌屬（Bacteroides）、瘤胃球菌科 UCG-4（Ruminococcaceae UCG-4）、Alistipes 和 Subdoligranulum。

患者群體的腸道菌群網路分析結果表明微生物的網路特徵和NAFLD患者的肝臟脂肪堆積有直接聯絡，據此進一步開發了一種單樣本SparCC網路（single SparCC network）的新方法，可建立患者個體的腸道菌群網路，並由個體網路特徵或網路標誌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係數，例如Spearman和Pearson相比，單樣本 SparCC 網路方法基於個體患者的微生物間關聯的異質性，可在網路層面研究每個樣本的特徵（下圖4）。

進一步透過干預前的個體網路中的邊數來區分響應者/無響應者。線上性迴歸分析中，AEx 組的個體網路邊的數目準確地預測了 HFC 的變化，並具有顯著性（下圖5左）。為了評估個體網路中的邊數對於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）。上述宏基因組資料的結果也在 16S rRNA 資料中得到了驗證。

綜上所述，該研究透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路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。

論文連結：

https：//www。nature。com/articles/s41467-022-29968-0