肥胖一直是世界医学界的热点话题，目前中国的肥胖人口数量超过美国，高居全球第一。5.7% 的新发癌症病例和肥胖、糖尿病有关，不仅威胁人类的健康，也是爱美人士的困扰。故而减肥手术因为速效并可以避免运动减肥和控制饮食的痛苦，成为很受欢迎的一种减肥方式。但是通过这种方式进行减重是否可以真正的一劳永逸呢？
 
宏基因组学（Metagenomics）：
 
亦称元基因组学，利用新一代高通量测序技术（NGS）以特定环境下微生物群体基因组为研究对象，在分析微生物多样性、种群结构、进化关系的基础上，可进一步探究微生物群体功能活性、相互协作关系及环境之间的关系，发掘潜在的生物学意义。
 
与传统微生物研究方法相比，宏基因组测序技术规避了绝大部分微生物不能培养、痕量菌无法检测的缺点。
 
国际知名杂志《Gut》在 2018 年 5 月发表了题为《Major microbiota dysbiosis in severe obesity: fate after bariatric surgery》（IF:17.016）的文章，阐述减重手术对机体的肠道微生物丰富度和代谢物所造成的影响。（文末有原文下载链接）
 

 
研究背景
 
在中度肥胖和重度肥胖人群中证明了肠道菌群的失调，肠道微生物成为肥胖的重要因素。减肥手术（BS）可以长期有效减重，具有降低多种恶性肿瘤发生风险，有效治疗多种肥胖并发症等优势。常见的减肥手术有可调节胃束带术（AGB）和胃旁路术（RYGB），AGB 通过缩小胃的容积，易产生饱腹感而达到减肥的目的，RYGB 则是改变肠道结构、关闭大部分胃功能的手段来控制热量的摄入值。
 
本文作者设置 4 个临床队列：重度肥胖（MB）、中度肥胖（MO）、独立队列 Atox 和 Eroic，队列的患者分别经历了 AGB 或是 RYGB 手术，随后进行术后不同时期的回访，运用粪便宏基因组和 LC-MS/MS 血清非靶代谢组学技术研究微生物基因丰度以及代谢物的变化。
 

 
研究结果
 
1. 重度肥胖患者肠道菌群基因丰度和临床表型
 
MB 队列中的 RYGB 和 AGB 患者有着相似的临床特征与体重指数，但是 RYGB 患者的躯干脂肪量和阻塞性睡眠呼吸暂停的患病率较高。粪便宏基因组检测后发现 AGB 患者的 MGR（微生物基因丰富度）较 RYGB 患者显著增高。
 
为了进一步了解 MGR 以外的微生物组成，作者应用 DMM（狄利克雷-多项式分布）方法描述 MB 队列的肠型组成，发现组成和 BSS（布里斯托大便分类法）没有显著的相关性，更有趣的是，作者观察到 B2 肠型的患者的 MGR 也较低，而 B2 肠型多见于 T2D（2 型糖尿病）患者。
 

 
2. 微生物基因丰富度随肥胖程度增加而降低
 
MB（超重）和 MO（中度）肥胖队列临床数据表明，MB 患者更年轻，所有女性表现出更糟糕的健康状况（总脂肪与躯干脂肪质量增加），并伴有高频率的心脏代谢并发症，包括 T2D、HTA（高血压）、C 反应蛋白和 IL6（白细胞介素-6）的增加。
 
MGR 从 MO 到 AGR，再到 RYGB 患者分别降低，与 BMI、总脂肪质量和躯干脂肪质量呈显著负相关，并随着 HTA 严重程度、葡萄糖不耐受和 T2D 而降低。在这些受试者中，作者考虑了所有的 786 个 MGS（宏基因组）物种，它们代表了至少 500 个基因的基因簇，通过主成分分析（PCoA）在 MGS 丰度水平上观察到肥胖与肠道微生物群之间的关联。从超重到病态肥胖，脂肪细胞肥大和显著的代谢并发症有关。
 

 
3. 与超重肥胖代谢恶化相关的宏基因组物种
 
作者检测这 786 个 MGS 是否与超重肥胖症的临床表型相关，发现约 29%（n=226）与 MGR 显著相关（FDR<0.05），极显著相关（FDR<0.01）的微生物有78种，其中19种微生物在种水平上被注释。富集分析结果表明厚壁菌门是 MGR 最普遍的门。更重要的是，作者通过 Atox 独立队列证实了低 MGR 的 MGS 特征，该队列由接受 RYGB 治疗的超重个体组成。大多数 MGS 与低 MGR 相关，MGR 与增加 BMI 和躯干脂肪质量之间具有显著的相关性。同样，并发症 T2D、HTA、抗高血压药物的使用会也使患者的MGR显著降低。

BIOTREE 小课堂 | 宏基因组学的运用方向
 
医学领域：代谢病研究、肿瘤癌症研究等；
畜牧领域：肠道、瘤胃与动物健康/营养消化研究等；
农业领域：根际微生物与植物互作、农业耕作、土壤微生物群落等；
环境领域：雾霾处理、污水治理、石油降解、酸性矿水处理及海洋环境研究等；
生物能源：特殊功能的菌株、基因挖掘、工程菌的开发等；
特殊极端环境：极端环境条件下的微生物类群研究。
 
4. 与 MGR 相关的代谢产物及菌种功能
 
经过血清代谢组检测后发现，9 种血清代谢物（占检测物质数量的 4%）与 MGR 显著相关（Spearman 相关性，FDR<0.05），一种代谢物（戊二酸）与 MGR 呈负相关，8 种代谢物（根皮酸、马尿酸、L-组氨酸等）与 MGR 呈正相关，3-甲氧基本乙酸表现出最强的相关性，特别是与 GU:6 B. vulgatus, GU:183 Erysipela-toclostridium ramosum 和 GU:373 Coprococcus_sp5 这些菌株的相关性。
 
KEGG 分析显示这些 MGS 与谷胱甘肽、马尿酸盐和 L-组氨酸的功能相关。琥珀酸半醛脱氢酶/戊二quan半醛脱氢酶（K0135），它将戊二quan半醛氧化成戊二酸，仅在 MGS 中编码 3 个。GU:347 编码两种与 d-赖氨酸降解为己二酸酮（k00128，k00832）有关的酶，根据在恶臭假单胞菌中的 c-13 标记实验，这些酶可通过脱羧反应生成戊二酸乙酰辅酶A。
 
在 MGS 中，有 27 个 MGS 编码马尿酸水解酶，负责将马尿酸降解为甘氨酸和苯甲suan盐。在假定马尿酸盐是微生物来源的情况下，血清的马尿酸盐水平与 MGR 呈正相关，符合 MGS 在降低 LGC（低基因丰富度）患者马尿酸盐中的作用。
 
从临床变量的相关性来看，3-甲氧基本乙酸与女性脂肪分布呈正相关，与躯干脂肪质量和甘油三酯呈负相关，HTA 和代谢综合征患者的 L-组氨酸降低。随着糖化血红蛋白的升高，糖尿病耐受患者的谷胱甘肽水平也升高。总的来说，作者发现了超重肥胖患者低 MGR、相关 MGS、代谢物浓度和 MGS 代谢途径之间存在新的关系。
 

 
5. 减肥干预后部分微生物的恢复
 
MB 队列患者进行 BS 手术后1（M1）、3（M3）和 12（M12）个月随访，与 AGB 患者相比，RYGB 患者在 1 年后身体状况、代谢和炎症有所改善。RYGB 患者体内的益生菌数量略高于 AGB 患者，此差异维持在 M12（在 M12 时，MGR 在 RYGB 和 AGB 分别增加 1.39 倍和 1.27 倍），这表明两种手术后机体的微生物菌群丰富度恢复模式相似。
 
独立队列 Atox 证实 BS 后 MGR 的增加。有趣的是，MGR 在 RYGB 后的 1-5 年稳定下来，遵循与 MB 患者相似的模式。BS 改变了肠道微生物生态系统，从 M1 到 M12 的轨迹来看，这些变化是在整个随访过程中发生的，AGB 与 RYGB 之间存在显著差异（P<0.013）,与 AGB 相比，RYGB 对微生物的改变程度较高。
 
代谢检测后发现，有 30 种代谢物在 M12 时期发生了显著变化，减少了 50%（主要与氨基酸、支链氨基酸、苯丙氨酸和色氨酸途径代谢物有关）。MB 队列在 M12 时期发现有一组代谢产物（如甘氨酸、乙酰甘氨酸、甲基丙二酸）在 RYGB 后增加，与体重和脂肪细胞直径的减少呈显著负相关。丙二酸甲酯和甘氨酸的变化也与两种 BS 后 MGS（即 GU:203 Bacteroides finegoldii 和 GU:235 coprobacillus_sp）的变化显著相关。在 Eroic 队列中，确认了 18 种代谢物在 RYGB 后 1 年的代谢产物变化与临床变量改变具有相同趋势。
 

 

 
文章总结
 
重度肥胖症的特点是 MGR 很低。此外，一个特定的 MGS 与临床特征相关，如内脏肥胖，脂肪细胞肥大，代谢和炎症。作者发现了新的宏基因组特征、相关功能和 MGR 降低相关的血清代谢物。目前尚不清楚这种低 MGR 是否是肥胖及其持续时间的原因或结果，但它代表了肠道微生物群变化的良好生物标记物，对疾病分型有重要作用。在 BS 后，观察到肠型改变，但大多数患者仍然保持很低的 MGR。干预措施，如粪便转移实验，使得代谢综合征患者的 MGR 和代谢得到改善。因此，这项工作旨在 BS 之前或期间通过干预来恢复肠道微生物的生态系统，并验证这些干预是能否进一步改善 BS 后的 MGR 以及相关临床指标。