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肥胖细菌狩猎记(一) 精选

已有 12852 次阅读 2012-12-14 04:56 |个人分类:肠道菌与健康|系统分类:科研笔记| 肥胖, 肠道菌群

        博主按:2005年把肠道菌群的工作开始向肥胖聚焦时,我就坚信,一定会找到一些具体的细菌种类,它们在肥胖的发生中起着关键作用,或者促进肥胖,或者抑制肥胖。 8年连续不懈的努力,终于把第一个这样的细菌验明正身。有了这个方法,会有更多的与肥胖直接相关的细菌被发现,并可以研究清楚这些细菌参与肥胖发生、发展的分子机理,为肥胖和相关代谢病的预防和治疗提供新的靶点。

        
 “这是第一次证明人体肠道里有些条件致病菌的确有引起肥胖的能力,它们在肥胖症患者肠道里过度生长是肥胖的原因,而不是结果。”

        该论文2012年12月13日在线发表在ISME Journal,很快成为ISMEJ网站被下载最多的10篇论文的第一名。
       http://www.nature.com/ismej/topten/index.html

       
该论文以开放获取模式发表,欢迎免费下载。
       
       不要忘记下载附录,那里面有大量的数据啊。先进入下面的网页,然后找到Dec 13在线发表的论文列表,翻到最后,找到本文的题目:
An opportunistic pathogen isolated from the gut of an obese human causes obesity in germfree mice
就可以下载正文和附录了:
http://www.nature.com/ismej/journal/vaop/ncurrent/index.html#13122012
                                             
                                              “肥胖菌”狩猎记(一)

上海交大 赵立平

 

           肥胖像野火一样在全球蔓延,已成为一大健康公害。美国CDC把肥胖率超过30%的州用红颜色标注,放眼望去,美国已是“江山一片红”。中国也不甘落后,上世纪80年代以来,肥胖率如坐上火箭一样直线上升。今日的中国,无论是农村,还是城市,大腹便便的成人和儿童已比比皆是。

          20103月,我在太原做肥胖人群营养干预试验,晚上在宾馆看报纸,一眼看到山西晚报上登的一张照片,一位很胖的小女孩在称体重,旁边的标题很醒目,2岁女童重达83斤,谁来帮帮她?看完新闻,我感到非常沉重。如此肥胖的女童,就是在肥胖大国美国也是非常罕见的呀?可怜的孩子她到底是怎么啦?据孩子妈妈介绍,这位小胖丫出生体重8斤左右,但在5个月后开始“疯长”,一岁时就有40多斤了,两岁时就超过了80斤。一年增加差不多40斤,这是何等的生长速度。是什么力量推动着这个幼小的身体在拼命地合成和积累脂肪呀?

        长期以来,肥胖研究界占统治地位的理论是“热量学说”,认为现代社会的人摄入的热量太多、消耗的太少,能量不平衡,多余的热量成为脂肪存储起来,就导致体重不断增加,严重的就成为肥胖症。按照这个理论,减肥的主要办法是减少热量的摄入、增加运动量。但是,对于前面说到的这位小胖丫,减少热量摄入很难。她每天睁开眼睛就要吃东西,饥饿感非常强烈,明明刚吃了一顿,很快又叫饿。看着孩子饿得可怜巴巴的样子,家长哪里能忍心不让她吃呢?目前的减肥食谱要么通过去掉脂肪,要么通过去掉碳水化合物来降低热量,这种营养不平衡的膳食,对于一个正在快速发育的孩子显然是不合适的。胖丫静止时候的心律已经超过每分钟110下,两条小腿不堪重负已经弯曲,走路不超过10分钟就嚷嚷腿疼,因此,让胖丫通过增加运动量来减肥显然行不通。

        怎么办?用什么办法能救救这样的孩子?

        胖丫是不幸的,小小年纪就患上这样严重的肥胖症 。

        胖丫也是幸运的。2004年到2009年,我开始研究肠道菌群与肥胖的关系,并摸索出一套膳食干预方法,首先在自己身上取得成功,健康减重40斤。2009年到2010年,我们进行了大规模的临床研究,并令体重350斤的重症肥胖患者减重103斤,身体各项指标恢复正常。这些研究正好在我见到她时取得实质性进展,使我们能够揭示出她患病的原因,而且安全、有效地帮她把体重从92斤减到了60斤,血压、血脂、胰岛素抵抗等各种生理指标恢复正常。孩子可以去上幼儿园了。

 

       认识到肠道菌群与肥胖的关系就是我们可以帮助胖丫的理论基础。

 

        2004年,美国大学的戈登教授领导的研究在美国科学院院刊上表一篇研究文,指出道菌群可以调节动物的脂肪存道菌群与肥胖研究的开山之作。他是用无菌物做的试验。通无菌接生、在无菌境里用无菌料来养,科学家能培育出身体里没有任何微生物的小鼠。如果菌群在动物的脂肪合成、存储、利用中有自己的作用,无菌小鼠就会与有菌小鼠在肥胖症的发生中有不同的表现。

        戈登教授的研究组用无菌小鼠做了很有意思的研究,他们发现,B6自交系无菌小鼠回接了正常菌群以后,身体内积累的脂肪比无菌时增加了57%,但进食量反而减少27%。当用NMRI自交系做同样试验时,结果更加惊人:有菌化以后的小鼠比无菌时的体内总脂肪量增加90%,进食量减少31%。也就是说,有菌群以后,小鼠吃得少了,积累的脂肪却多了,说明菌群有可能可以帮助动物更有效地从食物中吸收热量变成脂肪存起来。

        更有意思地是,他们发现小鼠肠道里有一个基因fiaf,编码一种叫做“饥饿诱导的脂肪因子”的蛋白质,在动物饥饿时,这个基因表达出的蛋白质可以减少脂肪存储,增加脂肪的利用。无菌动物的fiaf基因是一直在表达的,不需要饥饿的诱导,因此,无菌动物不能积累脂肪。甚至给无菌动物吃高脂饲料,它们也不会肥胖,就是这个道理。不过,把fiaf基因单独破坏了以后,无菌小鼠吃高脂饲料以后就可以变胖了,说明fiaf基因在动物肥胖的发生发展中的确有重要的作用。

        戈登他们发现,无菌动物有菌化以后,fiaf基因的活性就被抑制了,小鼠开始积累脂肪,而消耗脂肪变得更加困难,更有甚者,有菌化以后,小鼠肝脏里合成脂肪需要的基因的活性明显提高。换句话说,无菌小鼠有了菌群以后,身体受到菌群的控制,开始走上容易合成和积累脂肪、不容易消耗脂肪的代谢通路。戈登小组后来把肥胖小鼠的菌群接到无菌小鼠里,发现比来自健康小鼠的菌群更能够促进脂肪的积累。戈登实验室这一系列的工作令大家相信,肠道菌群在小鼠肥胖症的发生发展中可能具有非常重要的作用。

        2004年戈登的菌群调节脂肪存储的论文发表以后,学术界开始重新关注肠道菌群与健康的关系。以法国农科院著名的微生物基因组学家俄利锡教授为代表的科学家提出应该像测定人的基因组一样,组织一个大的计划把人体共生微生物的基因组序列测定出来,这是理解共生微生物与人体健康的基础。20054月,我在德国斯图加特大学施密德教授那里访问时,遇到了同时在那里讲学的法国工程院院士莽松教授。中午吃饭时,大家谈到了肠道菌群与健康的关系的重要性,他告诉我,法国农科院正在组织一个国际圆桌会议,要讨论推动人类微生物组计划的事情,他是组委会成员,因此,他希望提名我代表中国参加会议。我欣然接受了他的邀请。

      20055月,我应西蒙乃教授邀请,参加在法国里昂召开的欧洲细菌遗传学与生态学会议并作主旨报告。会后,我顺道去图卢兹访问了莽松教授。然后到巴黎拜访了俄利锡教授,并通过他认识了肠道菌群研究领域很有名气的多海教授(有一个肠道细菌属就是用他的名字命名的)。这是我第一次去巴黎,周末在巴黎游览时,我在巴黎圣母院后面的桥上留了个影。那时的我腰围33寸,看上去依然是大腹便便的样子。

        200510月,在俄利锡等人的努力下,国际人类微生物组圆桌会议在巴黎召开。共有13个国家的科学家参加了这次会议。中国参加会议的除了我,还有杨焕明教授派出的代表。会议经过热烈的讨论后,提出“巴黎声明”,呼吁国际力量联合起来,启动对人的共生微生物进行测序的“人类微生物组计划”,因其规模实际超过人类基因组计划,对人体健康的意义可能一点也不亚于人类基因组计划,因此,国际社会开始称之为“人的第二基因组计划”。在这次会议上,大家多次谈到戈登教授发现肠道菌群与肥胖关系的论文,都一直认为这是说明肠道菌群对人体健康重要性的最有力的证据之一。会议期间,摸着自己的大肚子,我暗暗问自己,我的肥胖与细菌是不是有关系呢?

        200511月,经过一年多的筹备,陈竺院士担任院长的“上海系统生物医学研究中心”成立。我当时作为常务副院长,张罗各种筹备事务。在成立大会结束时,我站在门口送大家,瑞金医院的宁光教授笑呵呵地拍着我的大肚子说,立平,你要减肥啦,否则,咱们合作搞糖尿病研究,自己将来得了糖尿病怎么办?怎么说服别人呀?我赶紧笑着告诉他,我要拿自己做试验,看看改变肠道菌群到底能不能减肥。这一年9月,我有4位博士生入学,全是女孩子。长得小巧玲珑的张晨虹说她愿意做肠道菌群与肥胖的关系,于是,我就有了第一位做肥胖与菌群关系的博士生。

        2006年这一年,我们试着开始做动物试验。在贾伟教授实验室做中药与糖尿病关系的动物实验里,我们采集粪便样品,做些菌群结构的分析。这时的分析方法主要是一种叫变性梯度凝胶电泳的方法,只能检测出丰度超过1%的优势菌。而且,由于跑到同一个位置的条带序列可能不一样,因此,做不同样品的横向比较不够准确,需要结合每个条带的测序鉴定才行。速度慢,通量低,每次能分析的样品数有限。因此,进展很慢。另外,我们申请的国家863项目没有获得批准,一下子实验室进入开不了锅的状态,好在系统生物医学研究院从筹备经费里给我一点支持,这才苟延残喘,勉强支撑下去。

       20066月,陈竺院长访问巴黎时,法国农科院院长贵瑶女士特意邀请他到院部会谈。专门商量如何推动两国在肠道菌群研究领域的合作。回国以后,陈院长请人类基因组南方中心的执行主任赵国屏院士和我们一起推动项目的进展,中科院营养所的前所长史香林和后来的所长陈雁教授,也参与项目的组织。

      在次期间,有幸认识了法国农科院的两位“干部”,一位是法国农科院住北京办事处的负责人李正先生,一位是法国农科院负责营养学研究的局长亚威博士。他们从管理的角度竭尽全力地推动这个合作项目的进展。20067月,我接到亚威博士从巴黎打来的电话,说当时的总统希拉克将于10月份最后一次访华,法国农科院正在联系法国外交部,希望把中法肠道菌群研究列入中法国家间的科技合作协议里。他说法国外交部已经同意,并会积极与中方磋商。中国负责此类事务的是科技部国际合作司,具体负责处理的是欧洲处的邢处长。我专门到北京向邢处长汇报了项目的情况。虽然不是生物医学专业出身,邢处长却敏感地感觉到,肠道菌群研究应该大有前途,应该大力支持。在陈院长、赵院士的指导下,我和陈雁起草了有关的项目说明和报告,送到科技部,开始了推动肠道菌群进入中法科技合作协议的努力。中法双方的各级领导都在积极地推动,特别是法国新任驻华大使,可能接到了法国外交部的指令,不遗余力地与中国科技部领导沟通。终于在最后一刻,“中法肠道元基因组合作声明”被列入中法政府利用希拉克访华的机会签署的14个协议中。李正先生作为北京办事处主任在我们与法国农科院、中国科技部和法国领事馆的沟通中发挥了积极的作用,也为我们多次赴巴黎与农科院同事协商项目事宜提供了申请签证的方便。亚威局长作为法方负责推动人类微生物组研究的领导,在协调中法合作协议签署和推动欧盟为肠道菌群与肥胖和炎性肠病关系研究立项方面立下汗马功劳。2007年欧盟第七框架能出资12百万欧元支持肠道菌群研究,与亚威局长的工作是分不开的。这个项目就是后来著名的MetaHIT计划。

        2007年元月,亚威局长带领法国农科院代表团访问上海交大,双方联合召开了中法肠道元基因组研讨会。这次会议,标志着中法肠道菌群研究合作的开始。我是中方的负责人,多海博士是法方的负责人。这一年,在连续申请7年之后,我们终于成功申请到国家自然科学基金重点项目。科技部和上海市科委也从国际合作重点项目支持了中法合作;863计划生物信息主题也给了交大2个重点项目。有了这些经费,我们的工作开始进入快车道。

        就在这一年,国际上对肠道菌群与肥胖关系的研究出现了一个令人振奋的新的进展,这就是所谓“代谢性内毒素血症假说”的提出。

        肥胖的动物,除了能高效地合成和积累脂肪以外,还表现出一系列的代谢受损的症状,其中最重要的是胰岛素抵抗。我们知道,胰岛素抵抗是因为炎症因子破坏了胰岛素受体造成的。肥胖症的小鼠和胖人一样,身体里有一种低度的、全身性的慢性炎症。正是这种慢性炎症不仅破坏胰岛素受体,造成胰岛素抵抗,而且破坏血管,造成大小血管病变。这种炎症是怎么来的?是什么因素在不断刺激白细胞,使他们一直处于发炎的状态,不断产生炎症因子破坏人和动物的身体呢?       

        2007年,当时在法国医科院做博士后、现就职于比利时天主教卢文大学的卡尼和他的合作者的一篇论文,把大家的目光再次聚焦到肠道菌群与炎症的关系上来。

      表在糖尿病域的志《糖尿病》的文中,卡尼他们发现,用高脂喂正常有菌群的小鼠,8周以后,小鼠出肥胖和胰素抵抗的症状。这时的肥胖小鼠血液里,一种叫做内毒素的生的毒素的度比健康照升高23倍。这样的低然只有急性感染50100分之一,但已足刺激全身的白于低度的炎性状。因此,来自道菌群的内毒素可能是引起肥胖小鼠全身性低度炎症的重要因素。

        证实这个假,卡尼他从希格化学公司购买了一种准的内毒素-用一种大杆菌的胞壁提出来的脂多糖成份。他用一种注射给吃普通饲料本来不会胖的小鼠持皮下注射这种内毒素,剂量与肥胖小鼠血液里的内毒素浓度相当,这些小鼠开始出现低度炎症,最后变成肥胖小鼠,而且也有了胰岛素抵抗。看来,细菌产生的内毒素是引起动物肥胖的一个关键致病因子。

       为了搞清楚内毒素引起的炎症在肥胖和胰岛素抵抗发生发展中的作用,卡尼他们做了进一步的试验。内毒素进入人或者动物体内后,会被一种叫做“脂多糖结合蛋白”的蛋白质运送到白细胞的表面,在那里与一种叫做CD14的受体结合,然后把信号传递到细胞内,刺激有关基因表达,令白细胞开始分泌炎性因子,进入发炎的状态。如果CD14受体被破坏了,白细胞就失去感知内毒素的能力,尽管血液里内毒素升高,它们也当作没看见,不会采取任何措施,不会进入炎性状态。卡尼他们把低剂量的内毒素皮下注射给CD14受体基因敲除的小鼠,结果没有观察到炎性反应的产生,也没有像普通野生型的小鼠一样产生肥胖和胰岛素抵抗。换句话说,内毒素注射引起肥胖症必须经过诱导炎症这一步。如果没有炎症的发生,肥胖症就不会发生。

     卡尼他们把这种低剂量的内毒素进入血液引起低度的慢性炎症从而导致肥胖、胰岛素抵抗等代谢损伤的机制叫做“代谢性内毒素血症”,区别于肠道条件致病菌“移位”,从肠道进入血液和内脏引起的急性败血症。

      这是国际学术界首次把肠道里产生内毒素的条件致病菌与动物的肥胖和胰岛素抵抗等代谢损伤联系在一起,而且强烈提示内毒素与肥胖症是因果关系。

        这个结果发表以后,受到很多质疑,例如,有人认为他们用于诱导肥胖症的高脂饲料的脂肪含量过高,人的膳食中脂肪含量是达不到这么高的,因此,这个工作对人类肥胖症研究意义不大。

      作为一名从1983年进入研究生学习就研究细菌的人,看到卡尼的这篇论文,我感到非常兴奋,当天晚上几乎没有睡好觉。结合我读到的有关冠心病人等人体血液里发现细菌内毒素升高和有炎症的各种论文,一幅图像开始清晰地呈现在我的脑海里:肠道里有些可以产生内毒素的细菌可能就是肥胖症的致病因素。我们需要把这种细菌找出来,证明它们可以引起肥胖。这应该是接下来我们的工作重点。

        在人类传染性疾病研究领域,要证明某种因子是引起某种疾病的原因,需要遵循“科赫法则”。所谓“科赫法则”是1876年由德国医生科赫在研究动物炭疽病的致病菌时发展出来的一套“证明某种细菌是引起某种疾病的病因”的研究规则。

        科赫用显微镜观察得炭疽病死亡的动物的标本,发现血液里都有一种杆状的细菌。他据此提出,这种细菌可能是引起炭疽病的原因。但是,有人指出,得病的动物体内出现这种病菌也可能是得病以后的动物身体有利于这种细菌的生长,因此,血液里出现大量这种杆菌很可能只是发病的结果而已。科赫接着把病死的动物的血液接种到健康的动物体内,结果健康的动物开始发病死亡,而且血液里也出现看上去一样的大量这种杆菌,因此,这种杆菌可以传染这种疾病,它应该是致病的原因。人们又质疑说:血液里有各种各样的物质,直接用病死动物的血液接种,不能说明是这种杆菌引起了疾病,也许是某种用显微镜看不到的、未知的东西导致了疾病的发生。科赫随后发明了一种培养基,从血液里把这种杆菌分离出来,经过反复传代培养,得到了一种纯的培养物。然后,他把这种纯培养的细菌接种给健康的动物,发现它们都得了典型的炭疽病。从得病死亡的动物血液和组织里,他又分离出纯的杆菌,经过比较,与原来接种给健康动物的是同一种细菌。这个用纯培养的细菌令健康动物患病的试验才“一槌定音”,确认了炭疽病是炭疽杆菌引起的结论。这是人类第一次证明传染病是病菌引起的,把疾病的预防和治疗带入了一个新的时代。这是人类能够有效地控制传染病的开始。

         科赫法则经过一百多年的风风雨雨,做了很多的修改,并不是因为规则本身有错,主要是在很多疾病病因的研究中,完全满足原来的科赫法则是非常困难的。例如,有很多病菌或者病毒不能被分离培养;有的病菌接种到健康动物很难发病,因为,除了要有病菌,很多疾病的发生还需要合适的环境条件,或者只有当动物的免疫力低下时才能发病。还有,人类的很多疾病找不到合适的动物模型,即使有了可疑病菌的纯培养物,也没法子做回接造病试验。而对于非传染性的慢性病来说,由于病因很复杂,用科赫法则来证明病因更是困难重重。尽管如此,科赫法则依然是证明某种因素是引起某种疾病的黄金法则,慢性病也不例外。在无法完全满足科赫法则的情况下,我们也要尽量满足科赫法则那种内在的、严谨的逻辑的美,为自己的结论提供尽可能多的各方面的证据。例如,证明吸烟与肺癌的发生有直接关系,就是在遵循科赫法则的逻辑框架的前提下,主要用大量的流行病学的证据来达成这一结论的。

        1976年,正值科赫法则发表一百周年之际,耶鲁大学的伊文思教授发表文章,系统总结了从科赫法则提出以来,为了寻找包括传染病和非传染病在内的人类各种疾病的病因医学界所作的不懈的努力。

        简单说来,要证明某种因子是引起人类某种疾病的致病因素,需要提供三个方面的证据:

        1)相关性证据:病人有这个因子,健康人没有,或者,病人这个因子多,健康人少;同一个人,健康时没有这个因子或者数量少,得病了,就有了这个因子,或者这个因子数量增加;想办法减少或者清除这个因子,病人的疾病症状会减轻或者消除。

        2)疾病复制证据:把因子纯化出来,转移到一种模型动物中,创造合适的条件,使动物发生与人体疾病类似的症状,也就是在动物中把疾病复制出来。

        3)发病机制证据:用分子方法详细研究从这个因子数量增加到宿主最后发病的每一个步骤,用分子生物学和生物化学的方法从细胞到整体把因果链串起来。

        有了这三方面的证据,这种因子是引起这种疾病的病因的结论就比较可靠了。

        戈登和卡尼他们的工作,其实也是在遵循科赫法则的要求,尽量为“肠道菌群是引起肥胖症的重要因素”这个假说提供有力的证据。

         但是,无论是戈登他们发现肠道菌群可以扰乱脂肪代谢基因的表达,还是卡尼他们发现肠道里条件致病菌产生的内毒素可以引起肥胖症,都有一个根本问题没有解决:在肠道里生活的上千种细菌中,到底哪些种类真正与肥胖症的发生、发展有关系?

         肠道菌群结构非常复杂,到底怎么做,才能把与肥胖症发生、发展相关的细菌找出来呢?只有找到了与肥胖症相关的细菌种类,才有可能去分离它们、做疾病的复制试验以及致病机理试验,提供细菌引起肥胖的确切证据!

        因此,把与肥胖症发生、发展有关的细菌种类鉴定出来,这是肠道菌群与肥胖关系研究领域面临的第一个挑战。



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