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锻炼可改变我们的肠道微生物,但是其中的作用机制仍不清楚

来源:本站原创 2019-08-31 22:46

2019年8月31日讯/生物谷BIOON/---Sara Campbell告诉《科学家》网站,当她2010年第一次在PubMed上输入“锻炼(exercise)和微生物组(microbiome)”并按回车键时,搜索结果实际上是零。Campbell刚刚开始在美国罗格斯大学担任运动科学助理教授。作为一名运动员,她在博士和博士后期间研究胆固醇代谢、运动和饮食,她那时就开始猜测锻炼是否会影响肠道中的微生物。

Campbell说,“我们知道锻炼可以完成所有这些令人难以置信的事情”,比如降低炎症和增强抗氧化防御。因此,她想到,“好吧,如果宿主和肠道微生物组之间存在共生和互惠,就必须有一些事情发生. . .在运动中肠道微生物发生变化”。当她在PubMed上的搜索结果为空时,她决定:“我必须开展这方面的研究”。
图片来自Gut Microbes, 2018, doi:10.1080/19490976.2017.1372077。

通过与来自罗格斯大学的微生物学家和毒理学家和来自美国俄克拉荷马市的一名病理学家合作,Campbell设计了一项实验来分析喂食正常饮食或高脂肪饮食12周的雄性小鼠的粪便样本。每组中的一些小鼠进行锻炼,每组中剩下的小鼠保持久坐。结果表明体力活动在小鼠的肠道中产生了独特的微生物组,与它们的饮食无关:特别地,锻炼的小鼠的肠道内含有粪杆菌(Faecalibacterium)、梭菌(Clostridium)和Allobaculum,而久坐的小鼠的肠道内则没有。高脂肪饮食也引起久坐小鼠的肠道中出现炎症,这在喂食高脂肪饮食并进行锻炼的小鼠中是观察不到的。

这些研究结果发表于2016年3月,支持了几年前的一项研究结果,即锻炼可以防止体重增加,并改变喂食高脂肪食物的肥胖小鼠体内的肠道微生物。他们在2018年发表的一项针对人类的纵向研究也很好地印证了这一点:他们发现身材苗条的久坐不动的人在锻炼六周后也会在他们的肠道中产生更高水平的梭菌(Clostridiales)、毛螺菌(Lachnospira)、罗氏菌(Roseburia)和粪杆菌,但是当他们停止锻炼时,这些细菌会恢复到基线水平。开始锻炼的肥胖者也改变了他们的肠道细菌,但是这些变化不同于在身材苗条的人中观察到的变化。

美国伊利诺伊大学香槟分校研究员Jeffrey Woods说,虽然身材苗条的人和肥胖的人之间的变化存在差异的原因尚不清楚,但是这些结果表明,无论饮食或身体组成如何,锻炼都会改变人类的肠道菌群。

他说,“这是一个相当新的领域,绝对是一个新的运动科学领域”,并解释说,虽然锻炼和肠道微生物变化之间的关联性已建立,“但是锻炼如何改变这些微生物,我们并不知道。”目前尚不清楚这些变化是否有益于健康,但是有线索表明可能就是如此。

锻炼和肠道存在关联性的线索

针对锻炼对肠道微生物组的影响,一个主要观点是,锻炼会增加产生丁酸的肠道微生物的水平,丁酸是一种短链脂肪酸,对人类具有一系列健康益处,比如产生抑制饥饿的饱腹感激素,在支持现有神经云存活和促进新的神经元生长方面发挥着作用。

粪杆菌与其他细菌,比如毛螺菌,在锻炼后似乎在肠道中的丰度增加了,通常会产生短链脂肪酸来应对摄入的膳食纤维。在2019年4月发表在Exercise and Sport Science Reviews期刊中的关于体力活动和肠道微生物组组成的一篇综述中,Woods及其同事们提出锻炼可能会改变肠道组织中免疫细胞的基因表达,从而导致更少的促炎细胞信号蛋白和更多的抗炎蛋白,以及抗氧化酶的产生。这些免疫细胞位于肠道微生物群落附近,可以产生破坏某些肠道细菌类群的抗菌化合物,同时促进产生丁酸的肠道细菌的生长。锻炼也可能改变肠道粘液的成分,这将影响生活在那里的细菌物种,比如Akkermansia muciniphila---一种具有抗炎特性的细菌,在锻炼后,它似乎会大量增加。

锻炼还可以提高人体的核心温度,减少流向肠道的血液,这可能导致肠道微生物与肠道粘液中的免疫细胞之间发生更直接的接触,并且有潜力改变肠道微生物的组成。胆汁酸的循环,可以改变肠道微生物群落,也会在锻炼期间增加,乳酸也会如此,这可能会改变肠道的pH值,从而改变肠道微生物群落的多样性。Woods 说,“这些是我们可以测试的一些可能的机制,但是它们不容易测试,这是因为很难隔离它们中的任何一个。”

锻炼、微生物和肠道健康

这些潜在的机制有助于解释科学家们在肠道微生物组和肠道健康之间观察到的一些关联性。比如,结肠直肠癌患者具有丰度下降的产生丁酸的细菌,比如罗氏菌和毛螺菌。健康细胞中的丁酸促进表观遗传修饰,从而导致细胞更新和细胞增殖,而在结肠癌细胞中,丁酸通过表观遗传学来抑制细胞增殖并促进细胞死亡,这表明对锻炼的结肠癌患者有益。

为了测量锻炼对抗肠道炎症的益处,Woods及其同事们在小鼠中进行了首次锻炼后粪便微生物组移植,并在2017年公布了他们的研究结果。他们从锻炼的小鼠和没有锻炼的小鼠中提取出粪便物并将其移植到无菌小鼠中。然后,一旦肠道菌群在小鼠受者中建立起来,他们就会让这些小鼠服用药物,从而在它们的结肠中引起极度炎症。与接受来自久坐小鼠的粪便微生物移植的小鼠受者相比,接受来自锻炼的小鼠的粪便微生物移植的小鼠受者体重减轻并且具有更少的炎症性疾病症状。类似的治疗方案是否可以帮助肠易激综合征---以持续性炎症为特征---患者仍有待检验。

还有一个独立的研究小组使用粪便微生物移植来测试它对肥胖的影响。在去年10月发表的一项研究中,他们报道了将来自锻炼的小鼠的粪便物移植到喂食高脂肪饮食的肥胖小鼠体内可导致后者体重减轻、空腹血糖水平降低以及更低水平的促炎细胞因子水平。这些研究人员指出,这些研究结果表明来自均衡饮食的或定期锻炼或者在最好的情况下这两者结合的小鼠供者的粪便微生物移植可能有助于减轻肥胖对人类的不良影响。

最近的一项研究发现,在怀孕期间锻炼的超重和肥胖的雌性大鼠也将有益于肠道健康的微生物转移到它们的婴儿身上。Campbell指出,有初步证据表明体力活动、肠道微生物和心理健康之间存在着潜在的关联性。她说,“这些相关性已存在。其中的机制. . .是我们将要开始研究的。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Exercise Changes Our Gut Microbes, But How Isn’t Yet Clear
https://www.the-scientist.com/news-opinion/exercise-changes-our-gut-microbes--but-how-isnt-yet-clear-66281

2.Sara C. Campbell et al. The Effect of Diet and Exercise on Intestinal Integrity and Microbial Diversity in Mice. PLoS ONE, 2016, doi:10.1371/journal.pone.0150502.

3.Christian C. Evans et al. Exercise Prevents Weight Gain and Alters the Gut Microbiota in a Mouse Model of High Fat Diet-Induced Obesity. PLoS ONE, 2014, doi:10.1371/journal.pone.0092193.

4.Jacob Allen et al. Exercise Alters Gut Microbiota Composition and Function in Lean and Obese Humans. Medicine & Science in Sports & Exercise, 2018, doi:10.1249/MSS.0000000000001495.

5.Lucy J. Mailing et al. A Review of the Evidence, Potential Mechanisms, and Implications for Human Health. Exercise and Sport Sciences Reviews, 2019, doi:10.1249/JES.0000000000000183.

6.Wang T et al. Structural segregation of gut microbiota between colorectal cancer patients and healthy volunteers. ISME Journal, 2012, doi:10.1038/ismej.2011.109.

7.Gut Microbes May Play a Role in Mental Health Disorders
https://www.the-scientist.com/news-opinion/gut-microbes-may-play-a-role-in-mental-health-disorders-66039

8.Shyam Prakaash Bhagavata Srinivasan et al. Impacts of Diet and Exercise on Maternal Gut Microbiota Are Transferred to Offspring. Frontiers in Endocrinology, 2018, doi:10.3389/fendo.2018.00716.

9.Allen JM et al. Exercise training-induced modification of the gut microbiota persists after microbiota colonization and attenuates the response to chemically-induced colitis in gnotobiotic mice. Gut Microbes, 2018, doi:10.1080/19490976.2017.1372077.


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