最近的研究表明，益生元在調(diào)節(jié)腸道微生物群以治療肥胖和/或相關(guān)代謝紊亂方面的優(yōu)勢正在顯現(xiàn)。益生元被定義為“被宿主微生物選擇性利用并具有健康益處的底物”。菊粉型果聚糖 （ITF） 等益生元已在肥胖和相關(guān)代謝紊亂的背景下進行了大量研究。

在健康益處中，多項研究在肥胖嚙齒動物模型中強調(diào)，攝入 ITF 可改善腸道屏障功能、輕度炎癥、脂肪積累 、葡萄糖耐受不良、餐后高甘油三酯血癥、肝脂肪變性和內(nèi)皮功能障礙。人體干預(yù)研究也證實了ITF補充劑在代謝紊亂和肥胖管理中的作用。有趣的是，營養(yǎng)干預(yù)（如節(jié)食）后的代謝改善因患者而異。

最近的研究指出，個體因素，如初始腸道菌群組成、通常的膳食纖維攝入或藥物（如二甲雙胍），可能會影響肥胖個體對ITF的代謝反應(yīng)。

在本文中，研究人員提出一個假設(shè)，即身體活動 （PA） 是另一種可能影響腸道微生物群和益生元功效的條件。事實上，運動訓(xùn)練是一種眾所周知的具有成本效益的干預(yù)措施，可以改善或預(yù)防代謝紊亂的發(fā)展。此外，與久坐不動的人相比，職業(yè)運動員的腸道微生物群組成不同。

雖然運動訓(xùn)練和 ITF 已被證明可以獨立影響腸道微生物群，并且都與有益的健康影響相關(guān)，但在臨床前和臨床干預(yù)中調(diào)查了作為益生元干預(yù)的菊粉攝入與肥胖背景下的 PA 之間的相互作用。使用在一組接受菊粉補充劑和富含菊粉的蔬菜與安慰劑治療的肥胖個體中獲得的數(shù)據(jù)，解決了兩個問題。

• 首先，菊粉干預(yù)是否會改變肥胖患者的 PA 水平？
• 其次，干預(yù)期間PA水平的變化是否會影響菊粉對腸道菌群和代謝的影響？

與此同時，我們設(shè)計了一項干預(yù)研究，在高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠中進行自愿運動和/或補充菊粉，以研究PA和菊粉聯(lián)合干預(yù)對代謝和微生物結(jié)果的調(diào)節(jié)背后的分子機制。

PA 最大限度地改善肥胖個體的菊粉干預(yù)后的臨床結(jié)果

使用在參加大型多中心臨床干預(yù)的肥胖患者隊列中收集的數(shù)據(jù)，旨在研究 3 個月的菊粉補充劑（16 克/天）或麥芽糊精（16 克/天）作為安慰劑的影響，并結(jié)合飲食建議食用富含 ITF 的蔬菜（菊粉組）與菊粉含量低的蔬菜（安慰劑組）。在這個隊列中，在兩個不同醫(yī)院招募的一部分患者 （ n ?= 61） 在基線和協(xié)議結(jié)束時填寫了 IPAQ 問卷，以評估協(xié)議期間每個參與者的 PA 水平。參與者在研究期間沒有收到改變 PA 的建議。在研究結(jié)束時，兩組參與者的低、中、高強度和總PA均無顯著變化（麥芽糊精為31，菊粉為30，圖1A-D）。

然而，在每組中，一些參與者自愿增加他們的活動，而其他參與者減少或沒有改變。在安慰劑組中，61% 的受試者在研究結(jié)束時總 PA 增加，而菊粉組為 47%。這使研究人員能夠?qū)㈥犃蟹譃樗慕M（麥芽糖糊精或菊粉組，PA 降低/未改變，麥芽糖糊精或菊粉組 PA 增加），以評估自愿增加PA和添加菊粉對腸道菌群組成和臨床結(jié)果可能的額外影響。在干預(yù)前，參與者表現(xiàn)出顯著不同的PA習(xí)慣（圖1E），這與BMI和總脂肪的差異有關(guān)。

各組的受試者響應(yīng)飲食建議減少了能量攝入。在干預(yù)結(jié)束時，菊粉降低了體重和BMI，在增加PA的參與者中效果更明顯（表1）。后一組顯示出腰圍和腰臀比的減少。PA可改善內(nèi)臟脂肪，并有改善收縮壓的趨勢。此外，菊粉改善肝臟硬度和血漿 AST 水平，與 PA 變化無關(guān)。有趣的是，只有在增加 PA 的菊粉參與者中，血漿 gGT 和總膽固醇才顯著降低。該組還具有顯著降低的空腹胰島素和改善的 HOMA-IR（胰島素抵抗胰島素敏感性指數(shù)的穩(wěn)態(tài)模型評估）、HOMA-ISI（HOMA 胰島素敏感性指數(shù)）和松田指數(shù)（測量胰島素敏感性）。

最后，該組還具有降低的 DPP-IV（二肽基肽酶 IV）活性?？偠灾?，PA 對安慰劑組幾乎沒有影響，而在菊粉治療的參與者中顯著改善了代謝參數(shù)。 

通過問卷調(diào)查評估了胃腸道癥狀的出現(xiàn)和持續(xù)時間。惡心和反流幾乎沒有觀察到變化。根據(jù)曲線下面積評估，菊粉組的呼嚕聲、痙攣、腹脹和腸胃氣脹顯著增加。腸胃脹氣隨著時間的推移而減少，并且 PA 減少了菊粉組的腹脹和痙攣。總的來說，這些數(shù)據(jù)表明，在補充益生元期間，自愿增加PA可以改善肥胖個體的體重減輕、代謝參數(shù)和胃腸道耐受性。

PA增強菊粉對肥胖個體的雙歧化作用

從與細菌豐富度或均勻度相關(guān)的不同α-多樣性指數(shù)可以看出，PA和菊粉對腸道微生物群落的總體組成沒有影響。使用Bray-Curtis指數(shù)，基于差異矩陣的判別分析并沒有顯示干預(yù)前后不同組之間明確的特定聚類。在基線， 組間只有兩個屬的表達不同。然而，單變量分析揭示了門、科和屬水平的顯著變化（表 2）。

我們觀察到隨著 PA 組的增加，菊粉中的放線菌、雙歧桿菌顯著增加。雙歧桿菌屬傾向于隨著菊粉的補充而增加（p = 0.06），但與 PA 聯(lián)合使用時這種效果要強得多（p和q < 0.05，圖2，表2）， 僅在 PA增加的菊粉組中觀察到鏈型桿菌屬和小桿菌屬豐度顯著增加（圖2 B， C）。還觀察到菊粉后厭氧菌屬的增加，與 PA 變化無關(guān)，以及在增加 PA 的兩組參與者中 狹義梭菌的減少。

然后進行了擴增子序列變體 （ASV） 分析，并確定了 35 個 ASV 在組間受到不同的調(diào)節(jié)。其中，屬于雙歧桿菌（ASV530） 和厭氧菌（ASV217） 的特定 ASV 在菊粉與 PA 中增加。然后，在觀察到的臨床結(jié)果和 ASV 的顯著變化之間進行了相關(guān)性分析（圖2D）。ASV530的變化與BMI、體重和HOMA-IR的變化呈負相關(guān)，與HOMA-ISI和Matsuda指數(shù)的變化呈正相關(guān)。ASV358 （顫螺菌屬） 與 gGT 和空腹胰島素呈正相關(guān)，而 ASV98 與肝硬度和 DPP-IV 活性呈正相關(guān)。其他 ASV，如 ASV765 和 ASV2804（不能歸入已知類群）與 BMI、體重、總膽固醇或肝臟硬度呈負相關(guān)。

在屬于雙歧桿菌屬（已知菊粉的主要靶點）的ASV中，在菊粉加PA組中ASV24增加最多。ASV26 （青春雙歧桿菌）和 ASV530（雙歧桿菌）在菊粉 PA 組中也有特異性增加，而在兩個菊粉組中發(fā)現(xiàn)ASV362 （角雙歧桿菌）的增加與 PA 變化無關(guān)。ASV158 （假鏈狀芽孢桿菌）在攝入菊粉并增加PA的受試者的糞便中有增加的趨勢。綜上所述，這些數(shù)據(jù)強有力地支持了PA改變了發(fā)酵曲線并影響了菊粉靶向的某些細菌的生長。

在高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠中，自愿運動與菊粉補充結(jié)合，可促進腸道運輸和盲腸發(fā)酵

為了研究益生元結(jié)合自主運動（Ex）對宿主生理和腸道微生物組成的有益作用機制，對小鼠進行自主運動（Ex）和添加菊粉。小鼠被喂食高脂肪（HF）飲食，以誘發(fā)肥胖相關(guān)的代謝紊亂。在8周的時間里，分別在籠子中放置或不放置自愿跑步輪，每天給小鼠補充0.3 g菊粉。每日Ex記錄顯示，攝入菊粉后總跑步距離趨于減少（對數(shù)轉(zhuǎn)換后p ?= 0.07），而兩組運動小鼠在轉(zhuǎn)輪上的時間相似（圖3A， B）。隨著運動，可觀察到食物攝入量增加的趨勢（圖3C），而水攝入量沒有變化，因此菊粉攝入量沒有變化（數(shù)據(jù)未顯示）。HF飲食的小鼠以類似的方式增加體重（圖3D）。如預(yù)期的那樣，添加菊粉導(dǎo)致盲腸組織和含量顯著增加（圖3E， F）。自愿Ex組的盲腸含量增加更大，這表明Ex使菊粉的腸道發(fā)酵最大化。菊粉組和滾輪組24 H糞重高于其他各組，Ex組糞重增加（圖3G、H）。這些數(shù)據(jù)表明，Ex調(diào)節(jié)腸道運輸，這可能是添加菊粉時盲腸內(nèi)容物增加的一個解釋。

接下來研究了腸道生理。菊粉顯著增加了結(jié)腸粘蛋白2 （Muc2，參與腸道屏障功能的粘多糖合成的標記物）的mRNA水平，尤其是在久坐的小鼠中（圖3I）。菊粉還提高了回腸抗菌肽再生胰島衍生蛋白3-gamma （Reg3?）、α-防御素（Defa）和磷脂酶A2 IIA組（Pla2g2a）的mRNA水平（圖3J）。結(jié)腸Reg3? mRNA的表達也明顯增加。Ex對這些標記沒有影響。最后檢測了結(jié)腸YY肽（PYY）和胰高血糖素原的mRNA表達。PYY在所有HF組之間相似，而菊粉顯著增加胰高血糖素原，特別是在久坐的小鼠中（圖3K）。

然后分析了空腸部分的葡萄糖轉(zhuǎn)運體，即鈉葡萄糖共轉(zhuǎn)運體1 （SGLT1）和葡萄糖轉(zhuǎn)運體2 （Glut2）和Glut5。與常規(guī)飲食相比，HF飲食組的己糖轉(zhuǎn)運體減少，但HF組之間沒有差異（圖3L）。

總而言之，Ex與菊粉結(jié)合不影響 HF 喂養(yǎng)小鼠的體重增加。有趣的是，它確實促進了菊粉驅(qū)動的腸道發(fā)酵，這一效應(yīng)表明腸道微生物群發(fā)生了變化。

自愿運動調(diào)節(jié) HF 喂養(yǎng)小鼠菊粉治療后的腸道微生物群分布

由于Ex對菊粉的腸道發(fā)酵有一定的促進作用，研究人員分析了小鼠腸道微生物群。菊粉顯著增加了盲腸內(nèi)容物中的總細菌量，并且當與 Ex 結(jié)合時，這種效果被放大。在第 4 周，兩個菊粉組在糞便中的總細菌水平較高，并且在實驗結(jié)束時與 Ex 組合時趨于較高。對盲腸內(nèi)容物進行了 16S rRNA 測序。菊粉和運動都不會影響細菌豐富度指標chao1和觀察到的ASV數(shù)量（圖4A， B）。

然而考慮到均勻度，Ex 降低了指標，觀察到菊粉和 Ex 之間的相互作用對 Simpson、Shannon、Simpson 均勻度和 Heip 均勻度指標的調(diào)節(jié)（圖4C-F）。事實上，在接受菊粉并暴露于轉(zhuǎn)輪的小鼠的盲腸內(nèi)容物中觀察到這些指標的減少。通過Bray-Curtis距離的主坐標分析（PCoA）來可視化不同的聚類，結(jié)果顯示菊粉對整體腸道菌群組成有很強的影響（ADONIS permanova，菊粉效應(yīng)p ?< 0.001，圖4G）。

在門水平上，單變量分析表明組間有幾個顯著變化（圖4H，表3）。菊粉對放線菌的增加僅在久坐組中顯著，這與菊粉組雙歧桿菌科和雙歧桿菌屬的數(shù)量均高于菊粉加Ex的情況一致（表3）。在菊粉處理后觀察到的其他細菌調(diào)節(jié)在久坐組和活躍組之間存在差異。在Ex小鼠中，菊粉對顫螺菌屬和Alistipes的降低更為明顯（表3）。同樣，喂食菊粉后，活躍小鼠瘤胃球菌的數(shù)量增加高于靜坐小鼠。

然后通過定量PCR對盲腸內(nèi)容物中特異性細菌的含量進行定量。證實了在久坐的小鼠中，菊粉對雙歧桿菌的影響更大。另一種菊粉降解物Roseburia也因菊粉而增加，但在活躍的小鼠中增加更多。各組間未觀察到黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila）的變化。僅在進行自愿運動的小鼠中，添加菊粉后乳酸菌數(shù)量顯著增加。總之，這些數(shù)據(jù)強調(diào)了補充菊粉對久坐或活躍小鼠腸道微生物群組成的不同影響。

自愿運動，但不是菊粉，可降低血清和肝臟脂質(zhì)

即使組間總體重沒有變化，與久坐的小鼠相比，Ex 限制了 HF 飲食后脂肪量的增加和無脂肪量的減少。這是由于皮下脂肪組織量減少；其他脂肪組織的質(zhì)量在各組之間保持相似。

在進行 Ex 的小鼠中，血漿甘油三酯和非酯化脂肪酸（NEFA）顯著降低，而膽固醇沒有變化（圖5A-C）。在肝臟中，Ex 減少了總脂質(zhì)積累，而菊粉沒有效果。肝甘油三酯和膽固醇含量在各組之間沒有差異。Ex 傾向于減少肌肉內(nèi)的脂質(zhì)積累。肝臟或肌肉中脂肪酸轉(zhuǎn)運或氧化基因的mRNA表達普遍不受Ex的調(diào)控。運動組肝臟中只有過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1- α （pgc-1α） mRNA表達下降，兩組菊粉組均有下降趨勢。甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白 1 （Srebp1c）是脂肪酸合成的驅(qū)動因子，在菊粉作用下降低，但與 Ex 結(jié)合使用時這種作用消失了。在腓腸肌中，菊粉降低了分化的脂肪酸受體簇 36 （cd36）和長鏈脂肪酸轉(zhuǎn)運蛋白 4 （fatp4） 的表達，與 Ex 無關(guān)。

自愿運動結(jié)合菊粉補充劑可改善小鼠的葡萄糖耐量

在實驗第7周，對小鼠進行了口服葡萄糖耐量試驗（OGTT）。所有組的空腹血糖和胰島素水平相似（圖5D， E）。OGTT期間，從葡萄糖灌胃后60分鐘開始，給予菊粉和暴露于跑步輪的小鼠的血糖水平降低（圖5F）。在120min，菊粉 Ex組小鼠的血糖水平與飼料組小鼠相當。葡萄糖曲線下面積顯示菊粉和Ex均有改善糖耐量的趨勢，但組合效果顯著（圖5G）。菊粉增加了葡萄糖負荷后15分鐘的早期胰島素峰值，當小鼠進行自主運動時，這種效應(yīng)降低（圖5H）。葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4 （GLUT4）的表達在運動小鼠的骨骼肌中較高，而菊粉則沒有調(diào)節(jié)作用（圖5I）。綜上所述，這些數(shù)據(jù)表明，通過針對不同的器官和過程，將菊粉補充與運動結(jié)合在一起，可以改善HF飲食喂養(yǎng)的小鼠的糖耐量。

本研究強調(diào)，在肥胖個體和嚙齒動物中，當這種補充劑與自愿 PA 相結(jié)合時，菊粉可以改善代謝參數(shù)和胃腸道耐受性。這些有益效果可以通過可發(fā)酵纖維的腸道發(fā)酵曲線的差異來解釋。這項研究指出了飲食對于調(diào)節(jié)運動對代謝紊亂的有益影響的重要性。研究人員相信，將 PA與包括具有益生元特性的可發(fā)酵纖維在內(nèi)的飲食干預(yù)相結(jié)合，將優(yōu)化肥胖個體干預(yù)的結(jié)果。

原文來源：

Rodriguez, J., Neyrinck, A. M., Van Kerckhoven, M., Gianfrancesco, M. A., Renguet, E., Bertrand, L., Cani, P. D., Lanthier, N., Cnop, M., Paquot, N., Thissen, J. P., Bindels, L. B., & Delzenne, N. M. (2022). Physical activity enhances the improvement of body mass index and metabolism by inulin: a multicenter randomized placebo-controlled trial performed in obese individuals. BMC medicine, 20(1), 110. https:///10.1186/s12916-022-02299-z.