A Comparative Study of Fecal Bacteria between Patients with Malignant Obstructive Jaundice and Healthy People
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摘要:
目的 初步探索恶性梗阻性黄疸患者粪菌群变化特征。 方法 以2019年1月至2019年5月入住昆明医科大学第二附属医院的87例恶行梗阻性黄疸患者为病例库，经纳入排除标准筛选，最终选取10例患者为研究对象、10例患者健康亲属作为对照组标本采集对象，记录年龄、性别、BMI；送检粪便测粪便中菌群16srDNA拷贝数。 结果 （1）实验组粪菌群丰度和多样性指数比对照组低，但无统计学意义（P > 0.05）；但是将丰度数据以群落Heatmap图呈现，直观差异明显；（2）将两组数据以菌属为单位按比例细分，发现实验组粪菌属组成较对照组发生了根本性的变化（P < 0.05），其中大肠杆菌志贺菌、链球菌、韦荣氏球菌属、肠球菌属、拟杆菌属显著增加，而魏斯式菌属、梭状芽胞杆菌属等菌属大幅下降。 结论 恶性梗阻性黄疸患者患者粪菌群结构与正常对照组的粪便菌群结构之间存在明显差异，优势菌群菌属发生了根本性的改变。 Abstract:Objective To explore the changing characteristics of fecal bacteria in patients with malignant obstructive jaundice. Methods From January 2019 to May 2019, 87 cases with malignant obstructive jaundice were taken as case bank and screened by inclusion and exclusion criteria. After that, 10 patients and 10 healthy relatives of patients were selected, age, sex and BMI were recorded, and faeces were sent for 16srDNA copy number. Results （1）The fecal bacteria abundance and diversity index of the experimental group were lower than that of the control group, but there was no statistical significance （P < 0.05）. However, when the data of fecal bacteria abundance were presented in the Heatmap, the intuitive difference was more obvious. （2） The data of the two groups were subdivided by bacteria genus, and it was found that the composition of fecal bacteria genus in the experimental group changed fundamentally compared with that in the control group （P < 0.05）. Among them, Escherichia-Shigella, Streptococcus, Veillonella, Enterococcus, Akkermansia increased significantly, while the bacteria genera of wiesia and clostridium declined significantly. Whether the intestinal flora can be rebalanced may affect the therapeutic effect. Conclusion The fecal flora structure of patients with malignant obstructive jaundice is significantly different from that of normal control group, and the dominant flora genus has been fundamentally changed. -
Key words:
- Malignant obstructive jaundice /
- Fecal bacteria /
- Balance
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肥胖症是发达国家和新兴发展中国家都面临着的重大公共健康问题[1]。肥胖不仅与胰岛素抵抗和2型糖尿病（type 2 diabetes，T2DM）有关，而且与睡眠呼吸暂停低通气综合征（sleeping respiratory arrest hypoventilation syndrome，SRHS）、胃食管反流病（gastroesophageal reflux disease，GERD）、高血压（hypertension）、高血脂（hyperlipidemia）等慢性疾病相关，甚至可导致肿瘤，严重影响人类健康和生存，给社会造成严重的经济负担[2]。肥胖糖尿病患者很难通过饮食调节、运动和简单的药物治疗达到满意的效果，手术已经成为1种有效的治疗方案[3]。目前，胃旁路手术（roux-en-Y gastric bypass surgery，RYGB）和袖状胃切除术（sleeve gastrectomy，SG）[4]是2种主要的减肥代谢手术。除了有效治疗肥胖和2型糖尿病外，SG的优点是操作简单，学习曲线短，不需要重建消化道，术后并发症比RYGB少，故SG已成为最受欢迎的代谢手术之一[5]。
真核细胞利用自噬作为1种依赖于溶酶体的降解途径，将细胞代谢的细胞质成分转运到溶酶体降解[6]。真核细胞内环境的稳态可以通过重复利用自噬溶酶体产生的游离脂肪酸、核苷酸、氨基酸和其他某些小分子物质来维持[7]。在肥胖患者中，自噬可能通过调节肥胖脂肪组织中的脂肪细胞分化和炎症状态发挥其作用。此外，也有人注意到[8]自噬活性的改变可导致胰岛素抵抗，自噬与炎症系统密切相关。自噬一方面可激活或抑制炎症反应，同时炎症信号通路也可诱导或抑制自噬。在肥胖患者中，自噬增加是对抗肥胖患者诱导的炎症引起的一种保护机制。然而，自噬受损会抑制这种保护作用导致胰岛素抵抗加速发展，同时也会导致肝脏内质网应激和胰岛素抵抗受损从而引起糖尿病。
然而，尽管SG手术在肥胖患者中越来越流行[9]，但对于肥胖患者在术前的高自噬水平是否可以通过SG在术后改善，从而减少胰岛素抵抗进而降低血糖和控制体重未见相关报道。因此，本研究旨在通过复制肥胖小鼠模型，通过观察SG术后小鼠体重、日摄食量、空腹血糖值及葡萄糖耐量实验的变化，同时通过PCR技术进一步测定自噬因子以及钠协同葡萄糖转运蛋白1（sodium-glucose cotransporter 1，SGLT1）的mRNA变化，从而研究SG术后自噬的变化机制以及自噬活性改变后肥胖和血糖水平改善的原因。
1. 材料与方法
1.1 实验动物
选取昆明小鼠（体量50～60 g，6～8周），肥胖小鼠分为假手术组（Sham组）与SG组（每组n=6），实验小鼠在标准无菌条件下，严格按照12 h黑暗循环下饲养，该实验经昆明医科大学第二附属医院伦理委员会批准（kmmu20220386），严格遵循科技部于2006年发布的《关于善待实验动物的指导性意见》[10]。
1.2 试剂
RNA 提取试剂 TRIzol试剂（Invitrogen，Carlsbad，CA，USA）及M-MLV逆转录酶（Promega，San Luis Obispo，CA，USA）由美国公司生产，SYBR Green（Life Technologies）、RT-PCR（ABI 7900HT; Applied Biosystems）和PrimeScript RT reagent kit 均为日本产品；PCR 引物由 Primer Premier 5.0 软件设计，由上海捷瑞生物工程有限公司合成；总RNA 提取试剂盒、cDNA 第一链合成试剂盒、SYBR Green 荧光定量检测试剂盒等实验耗材均购于武汉质优惠生商贸科技有限公司。
1.3 复制肥胖小鼠袖状胃切除术模型
SG组小鼠术前禁食8 h，不禁水，电子称测量小鼠体质量并记录。腹腔注射麻醉药物1%戊巴比妥钠0.005 mL/g。待麻醉良好后，于后肢注射阿莫西林，电动备皮刀剃干净手术区域体毛并用纸胶布固定小鼠四肢，牵出小鼠舌头以防舌根后坠而窒息。常规消毒、铺巾，沿左上腹做长约1 cm左右斜切口，逐层剪开皮肤、肌肉和腹膜，用生理盐水浸湿两支棉签，将胃挤出腹腔，分离胃周血管、黏膜后用显微止血钳夹闭食管下端血管和十二指肠上端血管。用纱布垫在胃下部防止胃内容物污染腹腔，离短胃周围组织后切除胃大弯侧2/3的胃壁组织，留下与食管下段和幽门连续的管状残留胃，保留1/3胃组织，沿胃大弯做幽门-贲门-幽门连续横褥式缝合。对切缘进行单向连续缝合后，返折锁边缝合。生理盐水冲洗胃表面后将胃放回腹腔，向腹腔内注射生理盐水0.5～1 mL/g。予以5～0可吸收线行腹膜和肌肉、皮肤的连续缝合。
Sham组：使用相同药物麻醉相同的手术时间，取正中切口切开腹腔进行胃的类似分离，然后沿着食管括约肌和幽门之间的连线手动对小鼠胃施加一钝钳的压力。术后送入温箱复苏，待其复苏后送回恒温动物房正常饲养，每日记录小鼠日摄食量及体重的变化。
1.4 动物组织取材
SG组和Sham组小鼠在术后15 d和30 d时于麻醉状态下分别取小鼠肠段和肝脏组织，用剪刀剪开腹腔在Triez韧带以下6 cm为小肠组织，剪下完整肝脏为肝脏组织。小肠组织进行剖开用生理盐水冲去肠道内容物，随后将每部分组织分别在液氮中快速冷冻并储存在-80 ℃的冰箱中。
1.5 口服葡萄糖耐量及空腹血糖测量实验
测量前禁食12 h，不禁水。小鼠腹腔注射1%的戊巴比妥钠给予麻醉，按照0.005 mL/g给药以防止应激对血糖变化的影响。待其皮肤四肢对钳夹的反应消失后，由十二指肠近端给小鼠灌入由9%盐水配制的浓度为25%的D-葡萄糖（3 g/kg）。同时进行剪尾采血、擦除第1滴血后使用血糖仪测量血糖，并在20 min、40 min、60 min、80 min、100 min、120 min时重复测量。测量完成后送入温箱复苏，复苏后送返恒温动物房继续饲养。将血糖值变化的数据绘制成曲线图，采用各时间点连线下曲线面积代表消化道葡萄糖吸收量。
1.6 RT-qPCR检测相关因子的mRNA表达
采用GAPDH（内参基因）法测定mRNA在小鼠肝脏及肠道中的表达。使用TRIzol试剂（Invitrogen，Carlsbad，CA，USA）从组织中提取总RNA，使用M-MLV逆转录酶（Promega，San Luis Obispo，CA，USA）从总RNA（2 μg）逆转录cDNA，然后SYBR Green（Life Technologies）在96孔板上进行RT-qPCR（ABI 7900HT; Applied Biosystems）。根据基因的序列设计引物并进行PCR扩增，并测试扩增效率和特异性。上机设定条件进行RT- qPCR，同时使用2-ΔΔCT方法计算分析。使用的引物[11]见表1。
表 1 引物序列Table 1. Primer sequence基因 正向引物 反向引物 SGLT1 F：5'-CCAAGCCCATCCCAGACGTACACCC-3' R：5'-CTTCCTTAGTCATCTTCGGTCCTT-3' P62 F：5'-ATGTGGAACATGGAGGGAAGA-3' R：5'-GGAGTTCACCTGTAGATGGGT-3' Beclin1 F：5'-CCAGATGCGTTATGCCCAGAC-3' R：5'-CATTCCATTCCACGGGAACAC-3' LC3I F：5'-TATGGCACCAGTACGACG-3' R：5'-GCATTGTCAGTCACC-3' LC3II F：5'-TAGGCGATATAGCCGAACG-3' R：5'-CGGATAATGGATCAT-3' GAPDH F：5'-AGGTCGGTGTGAACGGATTTG-3' R：5'-TGTAGACCATGTAGTTGAGGTCA-3' 1.7 统计学处理
符合正态分布的计量资料以均数±标准误（χ2±SEM）表示，采用 SPSS 27.0 统计软件对数据进行分析。采用LSD模块t检验，多组间均数比较采用单因素方差分析；统计结果采用GraphPad Prism （version 7.0，USA）进行作图，检验水准α=0.05，P < 0.05为差异具有统计学意义。
2. 结果
2.1 体重和日摄食量变化
和Sham组相比，SG组术后15 d和30 d时小鼠体重明显减轻（17.95%、23.86%）。SG组术后1 d食物摄取急剧下降（73.64%），8 d后恢复至稳定水平但未达到假手术组水平，但术后15 d和30 d仍然低于术前及假手术组，见图1A，1B。
图 1 小鼠体重和日摄食量的变化（χ2±SEM，n=6）A：Sham组与SG组术后30 d内小鼠体重的变化；B：Sham组与SG组术后30 d内小鼠日摄食量的变化。与Sham组比较，*P < 0.05，**0.05 < P < 0.01，***P < 0.001。Figure 1. Changes in body mass and daily food intake of mice （χ2±SEM，n=6）2.2 空腹血糖测量和葡萄糖耐量实验
相比较于Sham组，SG组小鼠术前空腹血糖差异无统计学意义（P > 0.05），但是在术后15 d和30 d时空腹血糖明显降低，差异具有统计学意义（P < 0.001），见图2A；为了评估SG术对葡萄糖吸收的影响，在术后15 d和30 d对小鼠进行口服葡萄糖耐量试验（oral glucose tolerance test，OGTT）。结果表明SG术后15 d和30 d小鼠葡萄糖摄入后血糖变化水平明显低于假手术组，曲线下的面积（area under curve，AUC）也显著降低，差异具有统计学意义（P < 0.05），见图2B～图2E。
图 2 小鼠空腹血糖值、口服葡萄糖耐量试验血糖变化及曲线下面积（χ2±SEM，n=6）A：Sham组与SG组术前、术后15 d和30 d小鼠的空腹血糖值；B~E：Sham组与SG组小鼠术后15 d、30 d进行口服葡萄糖耐量试验血糖变化水平及血糖变化曲线下面积。与Sham组比较，ns P > 0.05，*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001。Figure 2. Fasting blood glucose levels，oral glucose tolerance test blood glucose changes，and area under the curve in mice （χ2±SEM，n=6）2.3 RT-qPCR检测肝脏自噬因子及肠道SGLT1 mRNA表达情况
RT-qPCR结果显示，与Sham组相比，SG组小鼠在术后15 d和30 d小肠的SGLT1 mRNA表达丰度明显下降，差异具有统计学意义（P < 0.001），见图3A；Sham组术后15 d和30 d相比、SG组术后15 d和30 d相比其小肠的SGLT1 mRNA表达差异无统计学意义（P > 0.05），见图3A；与Sham组相比，SG组小鼠在术后15 d和30 d肝脏的P62 mRNA表达丰度明显升高，差异具有统计学意义（P < 0.05），见图3B；Sham组术后15 d和30 d相比、SG组术后15 d和30 d相比其肝脏的P62 mRNA表达差异无统计学意义（P > 0.05），见图3B；与Sham组相比，SG组小鼠在术后15 d和30 d肝脏的Beclin-1 mRNA表达丰度明显降低，差异具有统计学意义（P < 0.001），见图3C；Sham组术后15 d和30 d相比、SG组术后15 d和30 d相比其肝脏的Beclin-1 mRNA表达差异无统计学意义（P > 0.05），见图3C；与Sham组相比，SG组小鼠在术后15 d和30 d肝脏的LC3I、LC3II mRNA表达丰度明显降低，差异具有统计学意义（P < 0.001），见图3D、3E；Sham组术后15 d和30 d相比、SG组术后15 d和30 d相比其肝脏的LC3I、LC3II mRNA表达差异无统计学意义（P > 0.05），见图3D、3E。
图 3 术后肝脏自噬因子（P62、Beclin-1、LC3I、LC3II）及肠道SGLT1的mRNA表达变化（χ2±SEM，n=6）A：Sham组与SG组术后15 d、30 d小肠的SGLT1 mRNA表达丰度；B：Sham组与SG组术后15 d、30 d肝脏的P62 mRNA表达丰度；C：Sham组与SG组术后15 d、30 d肝脏的Beclin-1 mRNA表达丰度；D~E：Sham组与SG组术后15 d、30 d肝脏的LC3I、LC3II mRNA表达丰度。与Sham组比较，ns P > 0.05，*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001。Figure 3. Changes in mRNA expression of liver autophagy factors （P62，Beclin-1，LC3I，LC3II） and intestinal SGLT1 after surgery（χ2±SEM，n=6）3. 讨论
目前减肥代谢手术可以有效、持久地减轻肥胖患者的体重，改善其高血糖、高血脂、高尿酸等代谢相关疾病。SG手术作为治疗肥胖引起的代谢综合征的有效外科干预方式，它包括切除胃底、胃窦和大弯，导致胃容量减少、食物摄入量减少、食欲激素水平下降[11]。SG的减肥和治疗代谢性疾病的机制是复杂的，笔者的前期研究[12]发现SG术后小鼠的体重及血糖降低与胃肠道的SGLT1减少有关，其他研究[13]也发现胃组织切除可能导致胃体积减少与胃排空率增加，同时如瘦素、酪酪肽、胰高血糖素样肽-１等胃肠激素分泌减少也是术后减重降糖的机制。T2DM的发病是胰岛素缺乏和胰岛素抵抗的结果[14]，胰岛素抵抗通常是肥胖患者发生T2DM的主要原因。疾病早期胰岛能够补偿其功能的衰竭，在能够分泌较多的胰岛素和C肽，但随着胰岛细胞逐渐失代偿功能，其代偿功能逐渐下降[15]。然而，由于炎症水平的增加和机体的应急等原因，肥胖伴糖尿病患者往往比正常人有更高水平的自噬。
自噬过程是一个高度保守的自我消化过程，可以促进物质的循环和维持细胞内稳态。已有研究[16]证实了自噬在脂肪细胞合成、代谢和脂质平衡中的作用。自噬可以调节脂质代谢和脂肪细胞分化，同时肥胖患者脂肪组织的自噬活性增强，高自噬水平与胰岛素抵抗和炎症[17]相关。Song BQ等[18]研究发现小鼠胚胎成纤维细胞（ mouse embryonic fibroblast cells，MEFs） 被诱导分化为脂肪细胞时，自噬过程被激活，同样具有自噬抑制功能的氯喹通过抑制自噬活性[19]可以来降低脂肪细胞分化，这表明自噬对脂肪细胞分化和脂肪形成具有重要作用。这与笔者的研究发现肥胖小鼠在经过SG术后自噬活性及血糖都有明显改善结果相一致，笔者的研究结果也说明了肥胖体质需要更高的自噬活性去参与脂肪细胞的形成进而维持体质量。
研究表明脂肪细胞的合成和分化，以及细胞稳态都受到自噬的影响，除调节脂肪细胞分化和脂肪组织发育[20]外，自噬还参与炎症细胞反应（包括巨噬细胞、中性粒细胞和淋巴细胞）形成炎症因子进而在细胞稳态[21]中发挥重要作用。此外张一文等[22]的研究也表明，适度激活自噬可以对肥胖脂肪组织的炎症反应产生有益的影响，进一步调控肥胖的发生发展。自噬起始的1个重要组成部分是Beclin-1，它在自噬活动中发挥调节作用，LC3是自噬标志蛋白，主要参与自噬小体形成[23]。Beclin-1蛋白及其配体Ⅲ类磷酸肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）除了促进自噬小体的形成外还调控自噬[24]，它们是激活或抑制自噬的主要靶点，以便协调自噬蛋白与细胞之间的需求。有研究表明，LC3 II/LC3I比值的升高和P62蛋白水平的降低是自噬[25]升高的指标，有证据表明小檗碱、人参皂苷和针刺治疗可降低自噬相关基因的表达（如Beclin-1）有利于减轻肥胖[26]。在本实验中，笔者发现SG组肥胖小鼠较假手术组相比，其肝脏的自噬因子Beclin1、LC3I和LC3II明显升高，P62水平降低，结果也说明了肥胖小鼠在接受SG术后体重降低可能部分原因是由于自噬活性减弱后脂肪生成降低。
糖尿病患者的胰岛素抵抗是遗传和环境因素共同作用的结果，是1种机制复杂的病理状态。胰岛素抵抗[27]过程中可观察到自噬活性的改变，自噬平衡紊乱与糖尿病、肥胖、胰岛素抵抗[28]等代偿性疾病有关。小鼠肝脏中活性氧的存在可抑制细胞自噬，导致细胞内受损线粒体大量积累，影响细胞内胰岛素信号转导，导致胰岛素抵抗[29]。Kosacka等[30]通过对肥胖和2型糖尿病患者皮下和内脏脂肪组织的透射电镜和免疫荧光染色，发现自噬基因LC3和Atg5 mRNA表达上调，mTOR和p62蛋白表达降低。这表明肥胖患者的体质自噬增加。李璇等[31]报道肥胖小鼠脂肪组织中LC3蛋白表达水平明显高于正常小鼠，说明肥胖显著影响自噬基因的表达。这些研究表明，自噬在脂肪细胞的分化和形成中发挥着不可替代的作用，提示适当阻断自噬可能是减肥的有效手段。
本研究发现 ，SG组术后15、30d的体重、日摄食量、空腹血糖值均低于假手术组 ，差异具有统计学意义 （P < 0.05），同时OGTT也提示SG组的葡萄糖吸收量也低于假手术组。由此说明SG术对于肥胖小鼠可以起到控制体重、降低血糖的作用。实验结论提示在临床工作中，肥胖且伴有血糖升高的患者可以采用袖状胃切除术来改善糖代谢从而达到降糖效果。笔者之前的研究也表明了SG降低血糖水平是通过减少肠道的SGLT1的表达、减小胃容积和肠道绒毛的面积进而减少葡萄糖转运来实现的[31]。本研究结果还显示，SG组小鼠在术后自噬因子P62增高，而Beclin-1、LC3I、LC3II及SGLT1的mRNA表达均低于假手术组，差异具有统计学意义（P < 0.05），而组间对比差异无统计学意义 （P > 0.05）。由此说明对于肥胖合并糖尿病可以采用袖状胃切除术治疗，不仅可以稳定血糖及降低体重，而且还可以改善高自噬的水平有效减少胰岛素抵抗，同时注意结合日常运动以及饮食控制能够达到良好治疗效果。
综上所述，SG可改善肥胖小鼠高自噬水平，这可能与体重降低后体内脂肪因子代谢改变和炎症介质水平的变化有关；同时SG术后能够通过减少葡萄糖的吸收进而控制血糖和减缓胰岛素的抵抗。但由于本次研究为单中心研究，缺乏对SG术前进行药物干预自噬活性的对比研究，未来仍需多中心、多组别的研究来进一步探讨自噬活性与肥胖和糖尿病的内在机制。
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图 1 两组粪菌群丰度泛物种分析（pan物种）
Figure 1. Pan species analysis of fecal flora abundance in two groups （pan species）
图 2 两组粪菌群丰度泛物种分析（Heatmap图）
Figure 2. Pan-species analysis of fecal flora abundance in two groups （Heatmap）
图 3 两组间粪菌群多样性分析（sobs指数）
Figure 3. Analysis of faecal flora diversity between the two groups （sobs index）
图 4 实验组粪菌群优势菌属比例图
Figure 4. Proportion diagram of dominant faecal flora in the experimental group
表 1 患者一般临床资料比较（n/
$\bar x \pm s$ ）Table 1. Comparison of patients’ general clinical data （n/
$\bar x \pm s$ ）组别 n 性别（n） 年龄（岁） BMI（kg/m2） 男 女 g1 10 6 4 57.00 ± 10.10 25.47 ± 2.60 g2 10 6 4 56.80 ± 7.62 26.38 ± 2.26 t 0.050 −0.843 P P > 0.05 P > 0.05 
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表 2 两组间总体粪菌群丰度、多样性的比较
Table 2. Comparison of the abundance and diversity of total fecal flora between the two groups
组别 菌群丰度（pan物种）
（$ \bar {{x}} \pm s$）菌群多样性（sobs指数）
（$ \bar {{x}} \pm s$）g1 373.05 ± 104.01 165.00 ± 41.03 g2 402.01 ± 107.48 195.44 ± 40.54 t −0.597 −1.624 P P > 0.05 P > 0.05
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表 3 两组优势菌属对比（
$ \bar x \pm s$ ）Table 3. Comparison of dominant bacteria genera between the two groups （
$\bar x \pm s $ ）组别 g1优势菌属 g2优势菌属 g1 12.53 ± 5.43 165.00 ± 41.03 g2 2.36 ± 2.07 0.74 ± 1.63 t 4.644 4.94 P P < 0.05 P < 0.05
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