肠道微生物与体温

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)30177-9

1.体温与肠道微生物

1.Microbiota Depletion Impairs Thermogenesis of Brown Adipose Tissue and Browning of White Adipose Tissue
微生物群耗竭损害棕色脂肪组织的热生成和白色脂肪组织的棕色化

缺乏肠道微生物群的小鼠在寒冷中UCP1依赖性产热受损

总结

研究提示肠道微生物群与宿主之间的关系有利于代谢平衡。棕色脂肪组织 (BAT) 和米色脂肪细胞有助于热生成,从而在寒冷暴露期间维持宿主核心体温。然而,肠道微生物群对产热过程的潜在影响是混乱的。在这里,我们评估了棕色脂肪组织和白色脂肪组织(WAT)在缺乏肠道微生物群的小鼠中对温度挑战的反应。我们发现,通过用不同“鸡尾酒”组合的抗生素(ABX)治疗或无菌(GF)小鼠,微生物群的耗竭使脱耦蛋白1(UCP1)的表达增加,并减少白色脂肪组织向棕色脂肪组织转换的过程,会削弱棕色脂肪组织的产热能力。细菌代谢物丁酸盐的灌胃扭转了这种缺陷,提高了ABX治疗小鼠的产热能力。我们的结果表明,肠道微生物群有助于在寒冷环境中调节产热提高,这可能通过丁酸介导。

介绍

在过去十年中,文献已经表明,成年人类有活跃的棕色脂肪组织(BAT),并且其多少和活动在肥胖的人中减少。这加剧了人们的猜测,最早在20世纪70年代,人们推测肥胖可能是由降低的棕色脂肪组织活性引起的。一个多样化的微生物群落存在于所有哺乳动物的消化道,主要包括细菌,但也包括真菌、病毒、古生物和原生动物。通常,肠道微生物群是指在数量上占主导地位的厌氧细菌。宿主肠道为特定的菌群提供了一个合适的栖息环境,而肠道微生物群则为宿主提供营养和能量。最近的报告显示,肠道微生物群的组成在寒冷期间发生变化,”冷微生物群”的转变增加了白色脂肪组织(WAT)的棕色化、能量消耗和耐寒性。
因此,本研究的目的是重新评估肠道微生物群对小鼠适应性产热的影响,并进一步评估2型细胞因子信号在调节棕色和米色脂肪细胞活性中的作用。我们表明在室温下微生物群的耗竭不会促使WAT棕色化;相反,当微生物群耗尽时,BAT和WAT在寒冷挑战下的适应性热生成能力会受到影响。

讨论

越来越多的研究报告小鼠和人类肠道微生物群与宿主的生理状态之间的关系。虽然一些研究表明肠道微生物群与肥胖和糖尿病之间存在联系,肠道微生物群对不同脂肪细胞的影响尚不清楚。由于UCP1在无颤动热发生中起着至关重要的作用,我们专注于肠道微生物群是否影响UCP1依赖性热发生。我们发现,在急性低温挑战和在肠道微生物群缺失时,UCP1在使用β3-受体(Adrb3)激动剂后表达减弱。我们的工作支持肠道微生物群与棕色和米色脂肪细胞的UCP1相关热发生之间的联系。越来越多的证据表明,在长期冷适应中不需要UCP1,在CL-316243刺激下,棕色脂肪组织的葡萄糖摄入量和 UCP1 无关的热源机制,如米色脂肪细胞中肌酸或肉质/内质视网膜Ca2+-ATPase 2b (SERCA2b)的循环也可能有助于全身能量平衡。在缺乏肠道微生物群的情况下,这些过程是否也受损目前还不得而知。
GF和ABX小鼠经常被用来研究肠道微生物群对宿主的影响。在这里,我们报道了ABX和GF小鼠的一些生理特征,包括使用DLW技术测量GF动物的DEE,以及β3-肾上腺素引起的热发生。许多以前的研究报告说,ABX或GF小鼠抵抗高脂肪饮食引起的肥胖,并改善了葡萄糖代谢。我们发现,UCP1表达和全身能量消耗随着肠道微生物群的枯竭而减弱。这与以前的研究表明的微生物群的消耗促进白色脂肪棕色化明显不同。他们使用的抗生素组合与我们使用的抗生素不同。因此,我们使用他们的抗生素配方(ABX-SZ)重复了我们的研究,但没有发现微生物群的耗竭促进白色脂肪中的棕色化。相反,我们发现抗生素治疗的小鼠(与所使用的”鸡尾酒“抗生素方法无关)和GF小鼠UCP1依赖热生成的能力受损。此外,我们观察到的UCP1表达降低与ABX小鼠血糖代谢性能的改善可能不一致。然而,葡萄糖的摄取能力并不总是与UCP1依赖性热发生呈正相关。例如,最近的研究表明,在Ucp1-敲除小鼠中,葡萄糖摄入量升高,棕色或米色的脂肪细胞可以通过SERCA2b途径以独立于UCP1的方式消耗葡萄糖。
健康的肠道微生物群有益于宿主代谢平衡,而肠道微生物群组成可以通过环境温度和饮食中的大量营养素来塑造。有人提出,SCFA水平与增强能量代谢正相关,而其他微生物群衍生代谢物,如三甲基胺和咪唑类与宿主健康负相关。微生物群衍生代谢物不仅在宿主免疫和病原体防御中起着至关重要的作用,而且还涉及宿主营养状况。在这里,我们确认ABX小鼠的能量吸收能力下降;此外,PF小鼠的结果表明,ABX小鼠的能量摄入和体重的暂时降低并不是能量消耗下降和产热降低的原因。通过抗生素治疗或GF模型实现肠道微生物群的缺失,可能导致肠道微生物发酵过程中代谢物的枯竭,从而促进肠道代谢物缺乏状态。我们与先前的研究结果表明,在ABX治疗下,所有类型的SCFA和胆汁酸几乎消失在盲肠中。先前的研究表明,冷刺激使产生丁酸盐的细菌增加,我们确认了这个发现。与对照小鼠相比,在ABX和ABX-SZ小鼠中,丁酸盐受体Hcar2的表达都显著增加,而其他SCFA受体Ffar2和Ffar3则没有区别。最近的几项研究表明,外源性丁酸盐可以增加宿主能源消耗,促进UCP1表达。在一项试验性研究中,我们还发现外源性丁酸比醋酸盐和丙酸(未显示数据)有更大的影响。这让我们评估外源性丁酸是否能挽救体温过低,并在肠道微生物群不存在时促进UCP1表达。使用C13-丁酸代谢分析,发现在丁酸盐进入循环后,丁酸盐在大脑中的摄入和利用比BAT和WAT更快。这表明,丁酸盐可能通过肠-脑轴在大脑中作用节食物摄入量和热发生。
总之,这些数据表明,抗生素介导的微生物群的耗竭不会通过2型细胞因子信号和交替激活的巨噬细胞促进WAT的棕色化,而是通过两者介导的自适应热生成的负面影响阻碍 BAT 和 scWAT 的棕色化。这些影响在GF小鼠和用不同ABX治疗的小鼠中得到确认。因此,完整的微生物群可能是热调节反应的重要组成部分,而微生物衍生的丁酸盐可能是这一作用的一个中介因素。

2.微生物群会温暖宿主吗?

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19490976.2016.1182294?scroll=top&needAccess=true

ABSTRACT

所有天然动物和植物都是全息生物,由宿主和丰富多样的微生物群组成。在过去20年中,许多研究表明,微生物群以多种方式在特定环境中参与宿主的生存和繁殖,包括促进其形态、发育、行为、生理、对疾病的抵抗力和进化。在这里,我们假设微生物群对宿主的另一种可能的贡献,这种贡献被未充分开发——热的产生。我们估计,例如,人类肠道中的微生物代谢产生61千卡/小时,相当于一个普通人在休息时总热量的70%。

和所有细胞一样,作为酶催化基质和细胞材料合成的副产品,微生物产生热量。单位重量微生物产生的热量比其他任何生物体都多。细菌产生的热量取决于生长基质、生长速率和生长阶段。一般来说,热生产与生长速率成反比:增长越快,单位重量的热生产速度越低。使用微热量计测量,据报道,Bacteroides ruminicola菌,重新分类为了Prevotella ruminicola,以葡萄糖为基质厌氧生长,其热产生率分别为135毫瓦(mW)/克(干重)和247毫瓦/克,在2.5小时和4小时倍增。考虑到哺乳动物肠道中细菌的平均倍增时间是2.7~2.9小时,预测的热产量将为168~11mW/克细菌。这接近Streptococcus bovis菌在葡萄糖上厌氧生长报告的170 mW/g细菌。

由于 1 W = 0.24 卡路里/秒,肠道细菌的平均估计热产量(168 mW/g)等于每克细菌 0.0403 卡路里/秒。因此,人类结肠的常驻细菌,对应于约300克干重细菌(NIH人类微生物群落项目2012年),将产生约12卡/秒,或43千卡/小时。 假设热量分布在70公斤的人身上,并且没有热量损失,肠道细菌会使体温升高约1.0°C/小时。相比之下,人类在休息时产生的总热量约为1 W/kg,即一般人70W,对应于 60 千卡/小时。因此,在休息时大约70%的身体热量是肠道细菌代谢的结果。哺乳动物肠道微生物生长和热生产的主要基质来源是不可消化的复杂膳食纤维和宿主产生的粘蛋白。

这个理论包含几个假设,其中一些已经在上面提到。另一些是肠道细菌产生的热量,其速率类似于在厌氧环境中缓慢生长的P.ruminicola,而人类肠道中细菌的干重(可变)是大约300克。无论温度上升的确切幅度如何,微生物产生的热量显然有助于维持动物的体温。符合这一概念的是,关于兔子和啮齿动物的报道,用抗生素会降低体温。与常规饲养的动物相比,无菌小鼠和小猪的体温也有所下降。
在反刍动物、白蚁和其他木纤维素降解动物中,大部分的热量产生是微生物群的结果,直接来自微生物代谢,或者间接地通过生产发酵产品,由宿主使用的代谢过程。在排空其盲肠的微生物群后,观察到山羊的热生产减少了约50%,这表明在禁食过程中,动物产生的热量的一半是由于微生物发酵,另一半宿主代谢。还观察到肠微生物群产生的热量受饮食的影响。某些食品添加剂通过优化微生物发酵来降低瘤胃的温度,从而产生更多的丙酸和更少的醋酸酯。基于这些数据和饮食影响人类肠道微生物群组成的事实,我们建议,食物可以有“变暖”或“变冷”的特性,这取决于他们在微生物群带来了什么变化。这能帮助解释中药对温性和寒性食品的概念吗?

据我们所知,曾考虑过微生物群在植物中的变暖效应的唯一一份已经发表的报告,涉及冬草
Helleborus foetidus的花朵。居住在花蜜的酵母种群的糖催化产生的热量增加了花的温度,也改变了花内微热环境。花蜜的温度与原酵母细胞密度呈线性相关,在酵母种群密度最大的花蜜中达到+6°C。与花蜜中酵母的存在相关的热效应是强烈的发酵-氧化糖代谢的结果,特别是通常的花蜜中发现的极端C:N不平衡。

综上所述,共生微生物的热生产是一种普遍现象,因为所有的动植物都含有丰富的微生物,所有微生物都会产生热量。微生物产生的热能与其他身体产的热结合,在温血动物中,温度将由良好的反馈系统控制。虽然微生物产生热能的重要性尚未得到研究,但其贡献可能具有深远的意义。它可以帮助温血动物避免低温在寒冷的气候是体温过低,并为冷血动物(外温动物)提高体温。在这方面,与生活在寒冷环境中的动物(可能也是人类)相比,在寒冷环境中进化是否选择了产生更多热量的微生物群,这将是有趣的。

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