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Phenomics | 复旦大学王旭东团队开发新型纳米探针，可揭秘活细胞线粒体有氧呼吸代谢效率

已有 179 次阅读 2025-5-9 07:14 |系统分类:论文交流

近日，《表型组学（英文）》(Phenomics)在线发表了上海交通大学医学院附属儿童医学中心王纪文/王英燕团队与复旦大学生命科学学院王炜研究员题为" Comparative Analysis of Growth Dynamics and Relative Abundances of Gut Microbiota Influenced by Ketogenic Diet"的研究论文。

生酮饮食（KD）作为一种高脂肪、低碳水化合物的饮食模式，近年来在癫痫治疗和体重管理领域备受关注，其治疗效果也与其对肠道菌群的调节密切相关。然而，目前对生酮饮食到底如何影响各类细菌在肠道内的生长活性进而发挥疗效仍不清楚。本研究通过计算每种细菌基因组DNA拷贝数的峰谷比（Peak-to-Trough Ratio, PTR），深入分析了生酮饮食对肠道微生物生长动态的影响。

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论文DOI链接：

https://doi.org/10.1007/s43657-025-00228-7

论文引用格式：

Tang, M., Zhang, Z., Lin, L. et al. Comparative Analysis of Growth Dynamics and Relative Abundances of Gut Microbiota Influenced by Ketogenic Diet. Phenomics (2025). https://doi.org/10.1007/s43657-025-00228-7

研究背景

近年来，生酮饮食（Ketogenic Diet, KD）因其独特的营养组成和在医学治疗及体重管理中的广泛应用而备受关注。生酮饮食是一种高脂肪、低碳水化合物和适量蛋白质的饮食方式，最早在20世纪20年代被提出，并在临床实践中显示出对难治性癫痫的显著疗效。目前有越来越多的证据表明KD的疗效与其对菌群的影响调节有关。尽管已有大量研究探讨了生酮饮食对肠道菌群组成的影响，但其与菌群变化之间的关系仍未完全阐明。

肠道菌群的组成和功能特征受多种因素影响，如饮食、药物、压力、感染和生活方式等，其中饮食是日常生活中对菌群变化的最主要的影响因素。短期和长期的饮食模式变化都会影响肠道菌群中细菌物种的多样性和相对丰度（Relative Abundance, RA）。然而，不同研究中对生酮饮食引起的肠道菌群丰度变化趋势存在一些不一致。因此，为了更深入地理解生酮饮食如何影响肠道细菌，了解不同物种在KD中的生长动态变化至关重要。

近年来的研究提出了一种通过分析细菌DNA复制速度来测量各类肠道细菌生长速率的新型生物信息学方法。利用宏基因组数据计算细菌基因组中靠近复制起始点与靠近终点的基因拷贝数的比值，即PTR（Peak-to-Trough Ratio）来指示细菌的生长速度。

本研究中，作者通过PTR方法分析探讨生酮饮食对各种肠道细菌生长动态的影响，并结合体外培养实验，揭示了不同细菌对营养源的偏好，从而为深化我们对生酮饮食引起的肠道菌群变化及其治疗效果的理解提供了新的见解。

图1 本研究的动物模型构建、样本采集和数据分析流程图

研究结果

1 肠道菌群多样性和组成

1）多样性分析：KD组的Chao1多样性指数低于CD组，但KD和KD-S组之间的差异不显著。Shannon多样性指数在所有组间差异不显著。

2）主成分分析（PCA）：CD和KD组的样本倾向于聚类在一起，而KD-S组的样本显示出更高的组内多样性。

3）菌群相对丰度：KD处理增加了Akkermansia、Parabacteroides、Muribaculaceae unclassified、Bacteroides、Granulimonas、Faecalibaculum和Paramuribaculum等菌属的相对丰度。淀粉摄入后，Akkermansia、Bacteroides、Faecalibaculum和Paramuribaculum的相对丰度急剧下降。

图2 a.三组小鼠体重变化情况b.不同组小鼠血清葡萄糖和血清BHB水平c.三组小鼠宏基因组测序数据的α多样性d.基于宏基因组分类图谱的种水平（上）和属水平（下）主成分分析e.群间样本在属水平上的微生物组成和优势肠道微生物

2 CoPTR值与菌群相对丰度的一致性分析：

通过对宏基因测序数据进行深入分析发现，CoPTR所代表的细菌生长速度与其相应的相对丰度之间并不完全保持一致。

1）一致变化趋势的菌株：Bacteroides acidifaciens的CoPTR值和相对丰度在KD组增加，在淀粉摄入后下降。Lachnospiraceae bacterium和Muribaculum intestinale的CoPTR值和相对丰度在KD组较低，淀粉摄入后Lachnospiraceae bacterium的CoPTR值和相对丰度回升，而Muribaculum intestinale继续下降。

2）不一致变化趋势的菌株：Faecalibaculum rodentium和Parabacteroides gordonii在KD组的相对丰度和CoPTR值均较高。淀粉摄入后，F. rodentium的生长活性显著增加，但相对丰度仍较低；P. gordonii的生长活性略有下降，但相对丰度持续上升。这种不一致在某几种菌中可以用其较为极端的CoPTR值来解释。例如F. rodentium，其很低的CoPTR值意味着即使其生长速度在摄入淀粉后迅速升高，但仍不足以导致其相对丰度猛增。而P. gordonii的情况与其恰恰相反，很高的本底CoPTR值导致其在KD中即使生长速度仅稍有增快，但在相对丰度上的升高极为明显。但是有些细菌，例如Alistipes sp.，其不一致无法用这一原因来解释，提示了其在KD中丰度的显著下降可能存在其他间接原因。

图3 a.CoPTR值和RAs值变化趋势一致的菌株b.CoPTR值和RAs变化趋势不一致的菌株

3 体外生长曲线测定：

为了进一步对加深KD以及淀粉摄入后造成的细菌CoPTR和丰度变化的理解，作者进一步对五种细菌进行了不同营养物质调节下的生长曲线测定。发现A. muciniphila偏好大豆油而非葡萄糖或菊粉作为能量来源，这与其KD下的表现相符；F. rodentium更喜欢糖类而不是脂质；L. reuteri的生长被菊粉显著促进，解释了其在KD和KD-S组中相对丰度较低的原因；P. gordonii则展示了对多种营养素的良好适应性，也很好地解释了其在不同饮食处理组中的变化表现。以上数据表明，这五种细菌其在体内生长速度与丰度变化很可能是由于饮食成分的变化，而非其他间接因素造成的。

图4 不同营养物质添加条件下Akkermansia muciniphila (a)、Feacalibaculum rodentium (b)、Lactobacillus reuteri (c)、Parabacteroides gordonii (d)和Bifidobacterium pseudolongum (e)的体外生长曲线

研究结论

本研究通过CoPTR方法揭示了生酮饮食和突然淀粉摄入打断生酮饮食进程条件下对小鼠肠道菌群生长动态的影响。研究结果表明，不同细菌物种对营养物质变化的响应存在显著差异，这为理解生酮饮食引起的肠道菌群变化及其治疗效果提供了新的视角。体外培养实验进一步验证了这些发现，并揭示了不同细菌对营养源的偏好。未来的研究可以进一步探讨这些发现对人类生酮饮食样本的适用性。

上海交通大学医学院附属儿童医学中心王纪文教授、王英燕博士和复旦大学生命科学学院王炜研究员为共同通讯作者，2021硕士研究生唐蜜和2024级博士生张之栋为共同第一作者。该项目获得得到了多个资助机构的支持：

1. 中华人民共和国科学技术部高技术研究发展中心（项目编号：2019YFA0801900）；

2. 上海交通大学跨学科项目（项目编号：YG2023QNB22）；

3. 中国抗癫痫协会癫痫研究基金（项目编号：CJ-B-2021-21）；

4. 国家自然科学基金委员会（项目编号：22122702）；

5. 北京分子科学国家实验室（项目编号：BNLMS202306）。

Abstract

Although the compositional alterations of gut bacteria in ketogenic diet (KD) have been intensively investigated, the causal relationship between this extreme diet and the microbiota changes is not fully understood. Here, we studied the growth dynamics of intestinal bacteria in KD. We used the CoPTR method to calculate the peak-to-trough ratio (PTR) based on metagenomic sequencing data, serving as an indicator of bacterial growth rates. Notably, Akkermansia muciniphila, a bacterium strongly linked to the therapeutic benefits of KD, exhibited one of the highest growth rates, aligning with its markedly elevated abundance. Our findings also revealed discrepancies in the change patterns of CoPTR values and relative abundances for various bacteria across different diet groups, some of which might be attributed to the exceptionally high or low growth rates of specific species. For some of the species demonstrating obvious differences in growth rates between KD and standard diet, we conducted in vitro culture experiments, supplementing them with diverse nutritional sources to elucidate the underlying mechanisms. The integrative analysis of bacterial abundance and growth dynamics can help deepen our understanding of the gut microbiota changes caused by KD and the therapeutic effects of this special diet.

通讯作者

王纪文，主任医师，硕士生导师，上海儿童医学中心神经内科主任。长期从事儿童神经系统疾病的诊断和治疗，包括儿童癫痫、抽动障碍、头痛、热性惊厥、中枢神经系统感染及免疫性疾病、以及其他神经系统罕见病和疑难病等。目前担任中国抗癫痫协会理事、中国抗癫痫协会生酮饮食专业委员会副主任委员、中国抗癫痫协会精准医学与药物不良反应监测专业委员会和结节性硬化专业委员会委员、中华医学会儿科专业委员会神经学组委员、中国医师协会神经科专业委员会儿科神经学组委员、上海市抗癫痫协会理事、上海市医学会儿科专业委员会神经学组副组长等。主要研究方向：儿童难治性癫痫的诊断和治疗，生酮饮食疗法，儿童神经系统罕见病和疑难病的诊断等。

王炜，博士生导师，复旦大学生命科学学院青年研究员。2008年毕业于山东大学医学院，获得临床医学学士学位，2014年在美国密苏里大学获得生物化学博士学位，2015至2017年在北京大学化学院化学生物学系进行博士后研究。2018-2022年任职于上海交通大学医学院分子医学研究院，2023年2月入职复旦大学生科院。研究聚焦于通过发展化学的探针工具与研究策略，探究与人类健康密切相关的各类复杂细菌体系的微生物活动与功能。近年来针对肠道菌群发展了一系列定性、定量研究的化学生物学新方法，发表包括PNAS、Nature Communications、Science Advances、Accounts of Chemical Research、Angew. Chem. Int. Ed.在内的多篇研究论文，承担包括国家自然科学基金优秀青年基金在内的多项科研基金项目。

王英燕，医学博士，上海儿童医学中心神经内科主治医师，博士毕业于山东大学医学院儿科神经专业。主要从事儿童神经系统疾病的诊断与治疗，包括发热惊厥、癫痫、抽动障碍、神经系统感染及免疫性疾病、代谢性疾病等。精通生酮饮食系统治疗过程，对患者筛选评估、疗效评估及随访等经验丰富，并进行生酮饮食相关的临床及基础研究。目前担任中华医学会儿科学分会神经青年学组委员、中国抗癫痫协会精准医学与药物不良反应监测专业委员会委员、中国民族卫生协会卫生健康技术推广专家委员会委员（儿童神经）。

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