限时进食通过调节肠道菌群重塑肝脏烟酰胺代谢改善非酒精性脂肪性肝病

Time-restricted feeding ameliorates non-alcoholic fatty liver disease through modulating hepatic nicotinamide metabolism via gut microbiota remodeling

作者信息Ruijia Feng, Wenchao Yang, Weiqi Feng, Xiuyi Huang, Meifeng Cen, Guiyan Peng, Wenrui Wu, Zhecun Wang, Yexiang Jing, Ting Long, Yunchong Liu, Zilun Li, Guangqi Chang, Kan Huang
PMID39154362
发布时间2024-01
DOI10.1080/19490976.2024.2390164

实验完整度

包含体内小鼠模型(HFD/TRF/PF)、体外HepG2细胞实验、FMT实验以及代谢组学和宏基因组学等多层级验证。

主要模型

C57BL/6J小鼠高脂饮食诱导NAFLD模型 HepG2细胞FFA诱导脂质沉积模型 高脂饮食小鼠粪便移植模型

重点核对

16:8限时进食方案,进食窗口8小时,禁食16小时,持续6周 N-Me-6-PY和N-Me-4-PY剂量(生理浓度2.5倍、5倍、10倍)及体内注射剂量(150 µg/kg和75 µg/kg) AOX1抑制剂肼苯哒嗪(hydralazine)给药剂量50 mg/kg,口服灌胃 FMT实验中抗生素鸡尾酒(新霉素、链霉素、杆菌肽)预处理1周,粪菌悬液200 µL/只,每周3次,持续4周 HFD配方(60%脂肪,TROPHIC,TP23400)

摘要

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)已成为全球健康问题,缺乏特异性治疗策略。限时进食(TRF)方案在NAFLD中显示出有益作用;然而,其潜在机制仍不清楚。在本研究中,我们通过高脂饮食(HFD)建立了NAFLD小鼠模型,并实施了为期6周的16:8 TRF方案。我们发现TRF显著减轻了HFD小鼠的肝脏脂肪变性。值得注意的是,醛氧化酶1(AOX1),肝脏烟酰胺(NAM)分解代谢中的关键酶,在HFD刺激下明显上调,导致N-甲基-6-吡啶酮-3-甲酰胺(N-Me-6-PY,也称2PY)和N-甲基-4-吡啶酮-5-甲酰胺(N-Me-4-PY,也称4PY)的异常积累,而TRF几乎将其恢复。N-Me-6-PY和N-Me-4-PY均促进肝细胞的从头脂肪生成和脂肪酸摄取能力,并在喂养普通饮食或HFD的小鼠中加重肝脏脂肪变性。相反,药理学抑制AOX1足以改善HFD诱导的肝脏脂肪变性和脂质代谢紊乱。此外,粪菌移植有效模拟了TRF对NAM代谢的调节作用,从而减轻了肝脏脂肪变性和脂质代谢紊乱,表明以肠道菌群依赖的方式。总之,我们的研究揭示了在TRF改善NAFLD过程中宿主NAM代谢修饰与肠道菌群重塑之间的复杂关系,为NAFLD的预防和治疗提供了有前景的见解。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
时间限制性进食(TRF)通过何种机制改善非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)?
核心机制
TRF通过重塑肠道菌群,下调肝脏AOX1表达,减少烟酰胺分解代谢产物N-Me-6-PY和N-Me-4-PY的过度积累,从而抑制肝细胞从头脂肪生成和脂肪酸摄取,减轻肝脏脂肪变性。
主要证据
高脂饮食小鼠模型中TRF降低AOX1表达和血浆N-Me-6-PY/4-PY水平;体外HepG2细胞中N-Me-6-PY/4-PY上调脂肪生成基因并增加脂质积累;粪菌移植(FMT)实验证明TRF菌群可再现TRF对NAM代谢的调节作用,改善肝脂肪变性。
研究意义
研究揭示了TRF通过肠道菌群-肝脏烟酰胺代谢轴改善NAFLD的新机制,为NAFLD的预防和治疗提供了潜在策略。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

建立NAFLD小鼠模型及TRF干预

评估TRF对HFD诱导的NAFLD小鼠肝脏脂肪变性的改善作用,并区分其与食物摄入减少的独立效应。

5-6周龄雄性C57BL/6J小鼠随机分为四组:普通饮食(CD)、高脂饮食(HFD)、限时进食(TRF,HFD 6周后给予16:8限时进食6周)、配对喂食(PF,HFD 6周后食物量与TRF组相同但不限制时间窗口),共12周。检测体重、食物摄入、肝脏组织学(H&E、油红O染色)、NAS评分、血浆和肝脏脂质水平、肝功能指标及氧化应激指标。

2

非靶向血浆代谢组学分析

鉴定TRF改善NAFLD可能涉及的差异代谢物及相关代谢通路。

采用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)对小鼠血浆进行非靶向代谢组学分析,通过OPLS-DA、火山图、MSEA等分析差异代谢物,并与TRF/ PF比较。

3

靶向LC-MS/MS检测烟酰胺代谢物

定量验证TRF对肝脏和血浆烟酰胺代谢通路中关键代谢物水平的影响。

采用靶向LC-MS/MS分别测定血浆和肝脏样本中NAM、NA、NAD+、1-MNA、N-Me-6-PY、N-Me-4-PY的水平,并计算N-Me-6-PY/1-MNA和N-Me-4-PY/1-MNA比值以反映AOX1酶活性。

4

体外细胞实验验证N-Me-PYs促脂肪生成作用

验证N-Me-6-PY和N-Me-4-PY对肝细胞脂肪合成和脂质沉积的直接影响。

在HepG2细胞中,用不同浓度(生理浓度的2.5倍、5倍、10倍)N-Me-6-PY和N-Me-4-PY预处理1小时,然后与0.6 mM FFA(OA:PA=2:1)共孵育24小时,检测油红O染色、细胞内TG/TC含量,以及脂肪生成相关基因(SREBP-1c、ACC1、FASN)和脂肪酸摄取相关基因(CD36、FATP2、FABP4)的mRNA和蛋白表达。

5

体内给药实验验证N-Me-PYs和AOX1抑制剂的效应

验证N-Me-6-PY和N-Me-4-PY在体内是否加重肝脂肪变性,以及药理学抑制AOX1能否改善NAFLD。

给CD或HFD小鼠腹腔注射N-Me-PYs混合物(N-Me-6-PY 150 µg/kg,N-Me-4-PY 75 µg/kg)或溶剂,持续6周;另一组HFD小鼠口服AOX1抑制剂肼苯哒嗪(50 mg/kg)。检测肝脏组织学、脂质水平、体重等指标。

6

宏基因组测序分析肠道菌群变化

分析TRF对NAFLD小鼠肠道菌群组成和多样性的影响,并寻找与烟酰胺代谢相关的关键菌群。

对小鼠盲肠内容物进行宏基因组测序,分析α多样性、β多样性及不同分类水平上的菌群相对丰度差异,并通过Metastats分析鉴定TRF特异性调节的菌种,并与NAFLD相关指标及NAM代谢参数进行相关性分析。

7

粪菌移植实验验证肠道菌群的因果作用

验证TRF调节的肠道菌群是否能转移TRF对NAM代谢和肝脏脂肪变性的有益效应。

以HFD喂养9周的受体小鼠,先用抗生素鸡尾酒(新霉素、链霉素、杆菌肽各1 mg/mL)处理1周以清除肠道菌群,然后口服来自HFD或TRF供体小鼠的粪菌悬液(100 mg粪便/1 mL PBS,200 µL/只,每周3次,持续4周)。检测体重、肝脏组织学、脂质、肝功能以及血浆N-Me-6-PY/4-PY水平和肝脏AOX1、NNMT蛋白表达。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
高脂饲料TROPHICTP23400
新霉素MCEHY-B0470
链霉素MCEHY-B1906
杆菌肽APExBIOB1670
磷酸盐缓冲液----
杜氏改良Eagle培养基GibcoC11995500BT
胎牛血清Gibco10099148
油酸Sigma-Aldrich75090
棕榈酸SolarbioP9830
N-甲基-6-吡啶酮-3-甲酰胺MCEHY-113432
N-甲基-4-吡啶酮-5-甲酰胺MCEHY-113472
肼苯哒嗪Sigma-AldrichH1753
甘油三酯检测试剂盒Nanjing Jiancheng Bioengineering InstituteA110-1-1
总胆固醇检测试剂盒Nanjing Jiancheng Bioengineering InstituteA111-1-1
低密度脂蛋白胆固醇检测试剂盒Nanjing Jiancheng Bioengineering InstituteA113-1-1
ALT检测试剂盒Nanjing Jiancheng Bioengineering InstituteC009-2-1
AST检测试剂盒Nanjing Jiancheng Bioengineering InstituteC010-2-1
GSH检测试剂盒Nanjing Jiancheng Bioengineering InstituteA006-2-1
MDA检测试剂盒SolarbioBC0025
CCK8检测试剂盒BeyotimeC0037
油红O溶液Sigma-AldrichO0625
RIPA裂解液Fdbio scienceFD009
蛋白酶抑制剂混合物CWBIOCW2200S
磷酸酶抑制剂混合物CWBIOCW2383S
BCA蛋白定量试剂盒Fdbio scienceFD2001
PVDF膜----
ECL化学发光试剂MilliporeWBKLS0500
NNMT抗体Proteintech15123-1-AP
AOX1抗体Proteintech19495-1-AP
FASN抗体Proteintech10624-2-AP
ACC1抗体Proteintech67373-1-Ig
FABP4抗体Proteintech12802-1-AP
FATP2抗体Proteintech14048-1-AP
β-actin抗体Proteintech66009-1-Ig
CD36抗体ImmunowayYT5585
SREBP-1c抗体ImmunowayYT6055
二抗ProteintechSA00001-1
二抗AsbioAS006
AG RNAex Pro总RNA提取试剂Accurate BiotechnologyAG21102
Evo M-MLV逆转录试剂盒Accurate BiotechnologyAG11728
SYBR Green qPCR预混液Accurate BiotechnologyAG11702
引物GENEray Biotechnology--
磁珠法土壤和粪便DNA提取试剂盒TIANGEN BIOTECHDP712
Qubit® dsDNA检测试剂盒Life Technologies--
Qubit® 2.0荧光计Life Technologies--
NEBNext® Ultra™ DNA文库制备试剂盒NEB--
AMPure XP磁珠纯化系统Beckman Coulter--
Agilent 2100生物分析仪Agilent Technologies--
cBot簇生成系统Illumina--
Illumina NovaSeq测序平台Illumina--
超高效液相色谱仪SCIEX--
QTRAP®质谱系统SCIEX--
Agilent 1290 Infinity II超高效液相色谱Agilent Technologies--
6470B三重四极杆液质联用系统Agilent Technologies--
Waters ACQUITY UPLC HSS T3 C18色谱柱Waters--
Thermo Hypersil Gold C18色谱柱Thermo Fisher Scientific--
NanoDrop 2000分光光度计Thermo Fisher Scientific--
LightCycler 480实时荧光定量PCR仪Roche--
ImageJ软件National Institutes of Health--
GraphPad Prism 9.0GraphPad Software--
R软件R Foundation--
MetaboAnalyst 5.0MetaboAnalyst--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物模型建立
小鼠品系、性别、年龄、饲养环境(SPF、光照周期、温度、湿度)、HFD配方(60%脂肪,TROPHIC,TP23400)、饮食干预周期(12周)
阅读提示:Materials and methods: Animal experiment and diet design
TRF干预
TRF具体方案(16:8限时进食,进食窗口8小时,禁食16小时)、TRF起始时间(HFD喂养6周后)、干预时长(6周)
阅读提示:Materials and methods: Animal experiment and diet design; Figure 1(a)
配对喂食(PF)
PF组食物量匹配TRF组但不限制时间窗口的具体操作
阅读提示:Materials and methods: Animal experiment and diet design
肠道菌群清除与粪菌移植
抗生素鸡尾酒(新霉素、链霉素、杆菌肽)浓度、给药方式(饮水)、持续时间(1周)、粪菌悬液制备(100 mg粪便/mL PBS)、移植体积(200 µL/只)、频率(每周3次)和持续时间(4周)
阅读提示:Materials and methods: Fecal microbiota transplantation (FMT)
体外细胞模型
HepG2细胞培养条件(DMEM、10% FBS、37°C、5% CO2)、N-Me-6-PY和N-Me-4-PY的浓度梯度(2.5倍、5倍、10倍生理浓度)、FFA处理(总浓度0.6 mM,OA:PA=2:1)及处理时间(1小时预处理,24小时刺激)
阅读提示:Materials and methods: Cell culture; Result section: N-Me-6-PY and N-Me-4-PY promote...
体内给药
N-Me-PYs混合物剂量(N-Me-6-PY 150 µg/kg + N-Me-4-PY 75 µg/kg)和给药方式(腹腔注射);肼苯哒嗪剂量(50 mg/kg)和给药方式(口服灌胃);干预周期(6周)
阅读提示:Materials and methods: N-Me-PYs in vivo assay
代谢组学分析
血浆样本体积、提取溶剂比例、UPLC-MS/MS参数(色谱柱、流动相、梯度、流速、柱温)、质谱参数(ESI温度、电压、气体压力等)
阅读提示:Materials and methods: Untargeted plasma metabolomic analysis; Targeted LC-MS/MS
宏基因组分析
测序平台(Illumina NovaSeq)、文库构建试剂盒、数据分析流程(Fastp质控、MEGAHIT组装、基因预测等)
阅读提示:Materials and methods: Metagenome sequencing