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本文译自：Chen B, Bai Y, Tong F, et al. Glycoursodeoxycholic acid regulates bile acids level and alters gut microbiota and glycolipid metabolism to attenuate diabetes. Gut Microbes. 2023 Jan-Dec;15(1):2192155.
发表杂志：. Gut Microbes
影响因子：12.4
通讯作者：Xiaoli Ma
发表单位：College of Pharmacy, Xinjiang Medical University, Urumqi, China
摘 要
越来越多的证据表明，胆汁酸通过肠道菌群-宿主的相互作用调节2型糖尿病（T2DM）。然而，这种相互作用的机制尚不清楚。
在这里，我们发现甘氨熊脱氧胆酸（GUDCA）通过改变胆汁酸代谢，正向调节肠道菌群。小鼠中的GUDCA导致牛磺胆酸（TLCA）水平和厌氧杆菌属（Bacteroides vulgatus）丰度升高。这些变化导致脂肪组织中的G蛋白偶联胆汁酸受体（GPBAR1，又称TGR5）激活和解偶联蛋白（UCP-1）表达上调，从而提高了白色脂肪组织的热量产生。GUDCA的抗T2DM效应与胆汁酸和肠道菌群组成的调节有关。
这项研究表明，改变胆汁酸代谢，调节肠道菌群可能对T2DM的治疗有价值。
引 言
2型糖尿病（T2DM）是一种复杂的多基因疾病，与胰岛素抵抗和胰腺β细胞功能障碍有关。尽管T2DM的发病机制还不清楚，但越来越多的研究发现胆汁酸（BAs）和肠道菌群可能参与其中。近年来，肠道菌群被证明在BAs的生物转化和重吸收中起着重要作用，并通过BAs的共代谢影响宿主的糖脂代谢和能量代谢。研究显示，肠道菌群和胆汁酸代谢途径是二甲双胍降血糖效应的关键机制。因此，通过BAs-肠道菌群共代谢调节宿主的脂质代谢紊乱已成为2型糖尿病早期干预的新模式。
BAs-肠道菌群与宿主之间的共代谢网络被认为是各种代谢性疾病的治疗靶点。已有研究发现，肠道菌群失调导致次级胆汁酸产量降低，从而降低胆汁酸受体的激活，进而导致葡萄糖代谢紊乱和T2DM疾病。许多细菌，特别是一些产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens），已被证明在原发性胆汁酸向次级胆汁酸的转化中起着活跃的作用。胆汁酸和菌群以双向的方式相互作用。通过促进与胆汁酸代谢相关的细菌的发育，以及抑制胆汁敏感的细菌的生长，胆汁酸重塑了肠道中的微生物群落。当胆汁的流动受阻时，细菌在胆汁梗阻中过度生长并占据小肠，而胆汁酸的给予可以逆转这种表型。这些研究表明，宿主胆汁酸和肠道微生物群之间存在动态的相互作用。因此，监测人类胆汁酸和肠道菌群的组成，可以为T2DM的早期诊断和治疗提供潜在的帮助。
在本研究中，我们通过代谢组学-高通量测序，比较了2型糖尿病患者与正常对照组的胆汁酸和肠道菌群的差异。然后，我们进一步研究了甘氨熊脱氧胆酸（GUDCA）对db/db小鼠的葡萄糖和脂质代谢的影响，以及其作用的潜在机制。结果表明，GUDCA通过调节胆汁酸-肠道菌群，有效地干预了T2DM，为其作用机制以及未来在代谢性疾病治疗中的应用提供了启示。
结 果
1、胆汁酸和肠道菌群在T2DM患者和健康对照组之间的变化
T2DM组和正常组之间的胆汁酸代谢谱存在区分趋势（图1b）。胆汁酸种类的定性和定量分析表明，与对照组相比，T2DM组的血清中脱氧胆酸（DCA）、石胆酸（LCA）和甘氨脱氧胆酸（GDCA）显著升高。
值得注意的是，甘氨熊脱氧胆酸（GUDCA）在T2DM组中显著降低（图1c）。另外，我们进行了接受者操作特征曲线（ROC）分析，发现GUDCA的比例在预测T2DM受试者方面表现良好（AUC = 0.63，95%CI:0.50–0.77，p ＜0.05）（图1d）。利用线性判别分析（LDA）分析表明，艾克曼氏菌（Akkermansia muciniphila）是正常组的关键物种，而肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）被认为是T2DM的潜在生物标志物（图1e）。在物种水平上检测丰度进一步支持了上述观察，换句话说，T2DM组中B. vulgates和A. muciniphila的丰度较低，而K. pneumoniae的丰度较高（图1f）。
图1 T2DM患者的胆汁酸和肠道菌群的特征。
2、甘氨熊脱氧胆酸（GUDCA）调节血糖和血脂水平
为了探索甘氨熊脱氧胆酸（GUDCA）对代谢性疾病的影响，我们给db/db小鼠灌胃GUDCA 8周，并观察了它们的血糖和血脂水平。GUDCA补充后，db/db+GUDCA小鼠在第2周和第8周的血糖显著降低（图2a）。
同时，db/db+GUDCA小鼠的葡萄糖耐量试验（GTT）和胰岛素耐量试验（ITT）结果、胰岛素水平和HOMA-IR指数也比db/db+Veh组降低（图2b-d）。
研究还表明，db/db+GUDCA小鼠的血清中的脂质水平（TC，TG）也比db/db小鼠显著降低（图2e）。此外，我们发现GUDCA能够降低db/db+Veh组的血清GLP-1水平（图2f）。
图2 甘氨熊脱氧胆酸（GUDCA）的补充对改善葡萄糖耐受性有治疗效果
3、GUDCA的补充对肝脏氧化应激和组织病理学的影响
GUDCA能够通过提高GSH和降低MDA水平，一定程度上改善氧化应激损伤（图3a）。
但是，GUDCA给药后，肝脏中SOD和CAT没有显著增加。GUDCA处理的小鼠肝脏形态学有所改善。肝脏标本的组织学检查发现，与m/m组相比，db/db组细胞肿胀和脂质空泡增多。GUDCA组的肝细胞结构更正常，细胞形态完整，空泡明显减少，趋向于正常肝细胞（图3b）。
以上观察表明，GUDCA能够在一定程度上减轻氧化应激损伤，并对肝脏组织有保护作用。
图3 GUDCA的补充对肝脏氧化应激和组织病理学的影响
4、GUDCA的补充对血清中胆汁酸谱的动态变化
在图4(a)中，也发现了db/db+Veh组和db/db+GUDCA组之间的胆汁酸谱分离趋势。结果显示，db/db+Veh组中TCA、GCA、TCDCA、TDCA显著增加。与m/m组相比，db/db小鼠中PBAs与SBAs的比值（PBA/SBA比值）升高。进一步地，GUDCA治疗后，次级胆汁酸、结合胆汁酸和牛磺胆汁酸的水平增加，而PBA/SBA比值降低（图4 c-d)。
此外，我们发现UDCA、LCA、TCDCA、TUDCA、GUDCA、TLCA、isoLCA、T-α-MCA在db/db+GUDCA组中显著增加，而且这些差异性胆汁酸都属于非12α-OH胆汁酸的类别（图4 e）。在db/db+Veh组中检测到的29种胆汁酸中，有10种上调，19种下调，而在GUDCA给药后，可以观察到18种胆汁酸的增加，三组间代谢物水平有显著差异（图S3）。然后，我们进行了Spearman相关性分析，以阐明血清胆汁酸与三组血清指标之间的相关系数。一般来说，大多数胆汁酸与GLP-1显著负相关。此外，PBA/SBA与血液生化参数，包括TC、TG、LDL、HDL、GLU、INS有正相关（图4 f）。
图4 GUDCA的补充对血清中胆汁酸谱变化的影响
5、GUDCA的补充对肠道菌群结构的影响
db/db+Veh组和db/db+GUDCA组在α多样性上存在显著差异，表现为chao-1指数和observed_species的降低（图5a）。β多样性表明，GUDCA给药后的微生物群的组成和丰度趋向于m/m小鼠，与db/db+Veh组有显著差异（p<0.05；图5b）。线性判别分析（LDA）显示，db/db+Veh组以Pseudomonas corrugata和Arthrobacter citreus为特征，而Bacteroides vulgatus被认为是db/db+GUDCA组的关键物种（图5c）。
同时，在各组物种丰度的分析中，我们发现与模型组相比，db/db+GUDCA组中Pseudomonas corrugata的丰度降低，而Bacteroides vulgatus的丰度升高（图5e）。厚壁菌门和拟杆菌门是肠道中产生短链脂肪酸的主要门类，在本研究中，与模型组相比，GUDCA组中厚壁菌门和拟杆菌门的相对丰度升高（图5d）。
Spearman相关分析显示，肠道菌群和胆汁酸之间存在相关性（图5f）。Faecalibacterium_prausnitzii与多种胆汁酸呈正相关。Bacteroides vulgatus与TLCA、非12α-OH BAs的水平呈正相关，Pseudomonas corrugata与db/db+Veh组小鼠中12α-OH/非12α-OH BAs、PBA/SBA的相对丰度呈正相关。KEGG分析揭示，脂质代谢和碳水化合物代谢是受肠道菌群变化影响的关键代谢途径。
图5 GUDCA调节肠道共生菌的组成
6、GUDCA通过促进脂肪产热改善了代谢
db/db组中的白色脂肪细胞因脂滴增多而肿胀破裂，令人惊讶的是，GUDCA给药后，细胞形态完整，脂肪细胞没有破裂（图3(c)）。与db/db+Veh组相比，db/db+GUDCA组中UCP1显著升高（p<0.01）。此外，我们发现db/db+Veh小鼠的白色脂肪组织中PGC-1α降低，与m/m组相比有显著差异（p<0.05），而GUDCA有升高PGC-1α的趋势，但无显著差异（p>0.05；图6(a)）。另外，我们还发现白色脂肪TGR5在mRNA水平上的表达升高（图6(b)）。
图6. GUDCA通过促进脂肪产热改善了代谢。
结 论
补充GUDCA可以调节肠道菌群的丰度，上调有益细菌，一定程度上改变胆汁酸代谢谱。GUDCA可能通过调节TLCA-B.vulgatus-脂肪TGR5信号通路激活增加脂质产热，改善糖脂代谢。GUDCA信号通路有望成为预防和治疗肥胖及相关代谢疾病的潜在靶点。
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