這麼多忠告，記住了結論的同時，你想知道為什麼嗎?今天，我們就要“知其然也知其所以然”，奇點糕要通過一個新發表在《科學》雜誌上的研究告訴大家，富含膳食纖維的食物對腸道微生物好，而抗生素會破壞菌群平衡的原因。
這項研究由加州大學戴維斯分校醫學院的 Andreas Bäumler 教授帶領團隊完成 [1]。我們的腸道通常是缺少氧氣的，有很多厭氧微生物生活在其中，比如厚壁菌門和擬杆菌門的細菌，它們量大而又活躍，避免一些可以致病的腸杆菌科細菌過度繁殖，像大名鼎鼎的大腸杆菌和沙門氏菌。而且還可以消化我們吃掉的食物，產生一些有益的代謝物，比如丁酸鹽。
這些厭氧細菌是如何全麵壓製腸杆菌科細菌的呢?主要是通過限製硝酸鹽和氧氣的產生 [2,3]。因為大腸杆菌和沙門氏菌等腸杆菌科細菌都是兼性厭氧菌，它們在無氧和有氧的環境下均可以生長，不過在無氧環境下它們隻能維持基本的繁殖，無法壯大家族，而有氧環境則更可以讓它們繁殖能力猛增。
不過氧氣含量增加對於有益腸道的厭氧細菌來說就很不友好了，它們難以在這樣的環境中存活。這就帶來了一個問題，有益的厭氧細菌會減少，而腸杆菌科細菌會大量繁殖，這是腸道內穩態失調的一個標誌。
早在 2013 年，Bäumler 教授就發現大腸杆菌等細菌可以利用硝酸鹽作為氧氣來源，進行有氧呼吸，使得本就菌群失調的炎症性腸病患者的有益菌更少，炎症更加嚴重。這項成果也發表在《科學》雜誌上 [4]。
那麼硝酸鹽和氧氣是如何增加的呢?這就是 Bäumler 教授的新發現了。首先，如果要產生硝酸鹽，誘導型一氧化氮合酶(iNOS)是一個重要的因素，於是研究人員誘導了它的編碼基因 NOS2 在結腸上皮細胞中的表達，然後將這些細胞放入含有大量丁酸鹽的培養基中培養。
丁酸鹽是由一係列丁酸鹽產生菌分解膳食纖維產生的，具有抗炎和免疫調節功能，這些丁酸鹽產生菌是嚴格的厭氧菌，也是腸道菌群中的重要功能類群。甚至有科學家認為，它們會成為治療炎症性腸病的新“藥物”。研究人員發現，丁酸鹽明顯抑製了 NOS2 的表達，減少了 iNOS 的產生，自然也減少了硝酸鹽的量。也就是說，丁酸鹽可能正是硝酸鹽產生的“克星”，它的存在讓腸杆菌科細菌失去了氧氣來源，不能大量繁殖。
而丁酸鹽作用的信號通路中有一條比較特殊，就是 PPAR-γ(過氧化物酶體增殖物激活受體 -γ)通路。PPAR-γ是重要的轉錄因子，在腸道中高水平表達 [5]，它特殊的點在於，隻能響應丁酸鹽，其他的短鏈脂肪酸和它都“不匹配”[6]。
那麼這條“唯一的通路”和抑製硝酸鹽的產生有沒有關係呢?事實證明是有的。研究人員再次培養了誘導表達 NOS2 的結腸上皮細胞，用 PPAR-γ激動劑羅格列酮(一種曾用於治療 II 型糖尿病的藥物)去處理它，發現 iNOS 和硝酸鹽的產生都減少了。
在野生型小鼠(WT)和缺少 PPAR-γ小鼠(Pparg)幾種丁酸鹽產生菌比例相差不大(B)的情況下，野生型小鼠(WT)和缺少 PPAR-γ小鼠(Pparg)NOS2 表達量的對比(A)
在小鼠體內進行的實驗中，研究人員使用基因工程手段獲得了缺少 PPAR-γ的小鼠，發現與野生型小鼠相比，即使不刻意殺死丁酸鹽產生菌、減少丁酸鹽含量，PPAR-γ缺陷小鼠的 NOS2 表達水平仍然明顯增加。這就表明，PPAR-γ這條信號通路的存在對抑製硝酸鹽的產生是必要的。綜合這些實驗，我們可以得到這樣一個思路：當攝入了富含膳食纖維的食物後，腸道中一係列厭氧的丁酸鹽產生菌可以分解它們，產生丁酸鹽，通過關鍵的 PPAR-γ通路抑製了腸道細胞中 NOS2 的表達，減少了 iNOS 和硝酸鹽的產生。這樣，腸杆菌科細菌就不能利用硝酸鹽來進行有氧呼吸，不能大量繁殖，也就不會破壞腸道菌群穩態。
接下來，研究人員使用鏈黴素處理了野生型小鼠，鏈黴素是一類非常常用的抗生素，可以用來治療結核病。它的處理顯著減少了小鼠腸道細菌的數量，尤其是梭菌綱細菌，其中包含許多丁酸鹽產生菌。意料之中的，丁酸鹽的水平出現了明顯的下降，NOS2 的表達則上升了，同時硝酸鹽的利用率也增加了。而且，他們發現一個受到 PPAR-γ正調控的基因表達出現了下調，當給這些小鼠使用羅格列酮時，它的表達又得到了恢複，硝酸鹽的產生和利用也得到了抑製。
未使用鏈黴素處理(-)和使用鏈黴素處理(+)調節性 T 細胞的量的對比
在腸炎小鼠模型中，使用鏈黴素減少了丁酸鹽產生菌，PPAR-γ信號通路被抑製，小鼠腸腔中氧氣和氧氣利用率增加。但是他們發現了一個很有意思的事情，不使用抗生素殺死丁酸鹽產生菌，而隻單單抑製 PPAR-γ時產生的氧氣是少於使用抗生素的，這是為什麼呢?
研究人員想，問題可能出在了丁酸鹽這裏，包括它在內的短鏈脂肪酸對腸道中免疫細胞的成熟起著重要作用，尤其是調節性 T 細胞，它起著抑製促炎症反應的作用，過去的研究也顯示，抗生素的使用會減少調節性 T 細胞的量 [7]。於是研究人員進行了實驗，果然，用鏈黴素處理後，調節性 T 細胞的量減少到了原來正常值的 1 /3!接下來，研究人員又驗證了單獨缺少調節性 T 細胞時，產生的氧氣同樣是相對較少的，而隻有它和 PPAR-γ同時被抑製，才能達到足夠的氧氣含量。
這說明，丁酸鹽不僅作用於腸道上皮細胞，免疫細胞也同樣受到它的調節，共同維護腸道中的缺氧狀態，創造適合有益菌生長繁殖的環境。
這個研究為我們指出了，PPAR-γ在維持腸道菌群平衡中是一個重要且必要的信號通路，而當腸杆菌科的致病菌增加，打破腸道菌群平衡甚至導致了疾病時，靶向 PPAR-γ也可以是一個潛在的治療方法。最後的最後，奇點糕還要再次提醒大家，多吃富含膳食纖維的食物，謹慎使用抗生素!
參考文獻：
[1] Mariana B, et al. Microbiota-activated PPAR-g signaling inhibits dysbiotic Enterobacteriaceae expansion. Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam9949
[2] Spees A M, Wangdi T, Lopez C A, et al. Streptomycin-induced inflammation enhances Escherichia coli gut colonization through nitrate respiration[J]. MBio, 2013, 4(4): e00430-13.
[3] Rivera-Chávez F, Zhang L F, Faber F, et al. Depletion of butyrate-producing clostridia from the gut microbiota drives an aerobic luminal expansion of Salmonella[J]. Cell host & microbe, 2016, 19(4): 443-454.
[4] Winter S E, Winter M G, Xavier M N, et al. Host-derived nitrate boosts growth of E. coli in the inflamed gut[J]. science, 2013, 339(6120): 708-711.
[5] Lefebvre M, Paulweber B, Fajas L, et al. Peroxisome proliferator-activated receptor gamma is induced during differentiation of colon epithelium cells[J]. Journal of Endocrinology, 1999, 162(3): 331-340.
[6] Alex S, Lange K, Amolo T, et al. Short-chain fatty acids stimulate angiopoietin-like 4 synthesis in human colon adenocarcinoma cells by activating peroxisome proliferator-activated receptor γ[J]. Molecular and Cellular Biology, 2013, 33(7): 1303-1316.
[7] Atarashi K, Tanoue T, Shima T, et al. Induction of colonic regulatory T cells by indigenous Clostridium species[J]. Science, 2011, 331(6015): 337-341.
