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科研动态

Nature medicine:二甲双胍能治疗Ⅱ型糖尿病,与肠道菌群有关?
发布时间:2017-06-23 11:10   点击率:
导读
二甲双胍被广泛用于治疗Ⅱ型糖尿病(T2D),其可控制血糖,降低心血管病死亡率,且相对安全,价格低廉。早先的研究认为,二甲双胍通过激活肝脏内的AMPK依赖通路和AMPK非依赖通路①来抑制肝脏的葡萄糖输出,从而调控对血糖的降低效果。近年,研究表明这与肠道菌群也有联系,但作用机制尚不明确。本文采用宏基因组测序技术,比较分析二甲双胍治疗组和安慰剂对照组T2D患者的肠道菌群。并将用药组的人体粪便样品移植到小鼠体内,发现其肠道菌群显著变化,葡糖耐受性提高。本文完善了二甲双胍治疗T2D的作用机制。
注1:AMPK即腺苷酸活化蛋白激酶,是生物能量代谢调节的关键分子。

文献ID
标题:Metformin alters the gut microbiome of individuals with treatment-naive type 2 diabetes, contributing to the therapeutic effects of the drug
译名:二甲双胍通过改变肠道菌群来治疗Ⅱ型糖尿病患者
期刊:Nature medicine
年份:2017.05      IF:30
通讯作者:José Manuel Fernàndez-Real & Fredrik Bäckhed
单位:瑞典哥德堡大学瓦伦堡实验室分子与临床医学部

材料与方法
组别
实验组:二甲双胍(1,700 mg/d)治疗,22人,用药0、2、4个月(分别记为M0、M2、M4);转用二甲双胍治疗6个月,13人。
对照组:服用安慰剂,18人,服用0、2、4个月(分别记为P0、P2、P4)。

测序
宏基因组测序,Illumina NextSeq 500测序平台,PE150策略,共产生941Gb的冗余数据。

粪便移植
未接受移植的小鼠(记为M0小鼠),20只;
将经过4个月二甲双胍治疗者的粪便移植到小鼠体内(记为M4小鼠),21只。

粪便体外培养实验
取未经二甲双胍治疗的T2D患者粪便,将其曝露于肠道模拟器中,通入持续的二甲双胍(10mM)气流,检测day 0、1、7的DNA及RNA水平。

研究成果
1、二甲双胍改变了肠道菌群的构成
供研究人群参数如表1所示,用药后分别检测体重系数BMI、血红蛋白HbA1c的含量、空腹血糖含量,BMI在两组中均显著降低(详见图1abc,Wilcoxon signed–rank test; *P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001)。

表1. 供研究人群信息

 

热图显示,只有1种菌在对照组的肠道菌群组成中发生显著改变,而实验组有81种菌(大多为γ-变形菌门或厚壁菌门)发生显著改变(图1d,Wald test; *FDR < 0.05; +FDR < 0.01; #FDR < 0.001)。对比M2和M0、M4和M0、P/M6和P4,皮尔逊系数展示了两者的关系(图1e)。

丰度网络分析显示,二甲双胍用药2个月后,促进了肠道菌的生长,尤其是变形菌门和厚壁菌门(图1f),同样确认了希瓦氏菌属(Shewanella)和Blautia菌属的改变。需要注意的是,这两都是产生短链脂肪酸的菌属。二甲双胍显著地促进了体内肠道中青春双歧杆菌(Bifidobacterium adolescentis)的生长。体外培养中,二甲双胍也促进了嗜黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansia muciniphila)的生长,且对大肠杆菌的生长没有影响(图2)。

 

图1. 二甲双胍改变肠道菌群的组成结构
 
图2. 二甲双胍对细菌生长的影响
 
2、经二甲双胍改变的菌群,能提高小鼠葡萄糖耐受性
M0小鼠和M4小鼠在体重体脂方面没有差异,但是,M4小鼠的葡萄糖耐受性有所改善(图3)。


图3. 二甲双胍提高了小鼠的糖耐量
 
3、二甲双胍促进了肠道菌群的功能转变
对实验组和对照组进行KO(KEGG Orthology)分析,结果显示,对照组中只有2个KOs发生显著改变。而在实验组中,与M0相比,经过2个月二甲双胍治疗的T2D患者的626个KOs提高、130个KOs降低,经过4个月二甲双胍治疗的T2D患者的473KOs提高、69KOs降低,且两个治疗不同时间的组中,许多显著改变的KOs相同,并随时间变化。

PCoA分析显示实验组和对照组中各个时期样本KOs的相关性(图4a)。实验组中存在显著差异的KOs参与的信号通路,包括细菌的环境响应、耐药性、核心碳水化合物代谢、氨基酸代谢、脂多糖的合成等基因(图4b)。对比M4和P4的粪便样本,其中丙酸盐、丁酸盐、乳酸盐显著升高,琥珀酸盐在M4中有正在升高的趋势(图4c, d);M4血浆样本中的胆酸(5种形式)显著高于P4,但在粪便样本中无显著差异(图4e)。


图4. 二甲双胍促进了肠道菌群功能的改变
 
4、二甲双胍对肠道菌群的直接作用
在粪便体外培养中,二甲双胍改变了13号受检者的24个肠道细菌的DNA和RNA丰度,49号受检者被改变了4个,Akkermansia muciniphila在两种核酸水平中均有提高,并且增加程度最多。13号受检者中有31个信号通路富集,49号受检者中有38个信号通路富集,其中22个相同。检测13号受检者的RNA水平,发现在2138个蛋白编码基因中,有207个存在显著差异,其中78个可以注释到KOs,41个可以匹配到22个共有的二甲双胍富集信号通路。在207个二甲双胍调节的基因中,有108个需要辅酶及辅酶因子,如ATP、FAD、FMN、metal、NAD和vitamin B6。GO分析显示,这些富集的基因大多与金属离子结合相关(图5)。


图5. 体外肠道模拟器中微生物与二甲双胍的相互作

 
 
研究结论
二甲双胍通过改善肠道菌群的组成结构来治疗Ⅱ型糖尿病,显著改变了合成短链脂肪酸的菌属、编码金属蛋白菌群和金属转运蛋白基因的表达。该药物提高了体内葡糖耐受量,治疗效果明显。

亮点
① 从三个对象(人体粪便,移植小鼠,肠道模拟器)来说明二甲双胍药物的影响。
② 结合了宏基因组和宏转录组,从DNA和RNA两个方面来说明其中的分子机制。