導(dǎo)讀  

膳食纖維可以通過微生物組發(fā)揮改善心血管健康并預(yù)防代謝紊亂和癌癥的作用。為了了解膳食纖維補(bǔ)充劑對健康的益處，我們研究了兩種流行的純化纖維，阿拉伯木聚糖(AX)和長鏈菊粉(LCI)，以及五種纖維的混合物。我們提出了代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、宏基因組學(xué)、細(xì)胞因子的多組學(xué)特征，以及對健康和胰島素抵抗參與者的臨床測量。每一種纖維都與依賴于纖維的生化和微生物反應(yīng)有關(guān)。AX消耗與LDL的顯著降低及膽汁酸的增加有關(guān)，有助于膽固醇的降低；LCI與雙歧桿菌的增加有關(guān)。然而，在最高LCI劑量下，肝酶丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶升高且炎癥增加。

本項(xiàng)研究深入了解了纖維補(bǔ)充劑的影響以及纖維誘導(dǎo)的膽固醇降低背后的機(jī)制，并顯示了單一純化纖維對微生物組的影響。

論文ID

原名：Global, distinctive, and personal changes in molecular and microbial profiles by specific fibers in humans

譯名：特定纖維對人類分子和微生物譜的整體、獨(dú)特和個性變化影響

期刊：Cell Host & Microbe

IF：31.316

發(fā)表時間：2022.4

通訊作者：Michael P. Snyder

通訊作者單位：美國斯坦福醫(yī)學(xué)院

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)果

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和隊(duì)列

本研究是一項(xiàng)縱向、隨機(jī)、交叉設(shè)計(jì)(如圖1所示)，18名IRB同意的參與者(8名男性和10名女性)定期在飲食中補(bǔ)充AX和LCI兩種纖維，以及由等量的AX、LCI、阿拉伯膠、葡甘露聚糖和抗性淀粉組成的混合纖維。

參與者被隨機(jī)分配，首先服用AX或LCI，最后服用混合纖維。所有纖維每周的補(bǔ)充量從第一周10克/天(早餐)增加到第二周的20克/天(早餐和晚餐各10克)，最后增加到第三周30克/天(早餐、午餐和晚餐各10克)。纖維系列之間包括一個6-8周的沒有纖維補(bǔ)充的“清除”期。

我們使用純化纖維而不是全纖維食物，因?yàn)檫@最接近標(biāo)準(zhǔn)化干預(yù)，而且單一純化纖維會產(chǎn)生不受其他植物化學(xué)物質(zhì)影響的效果。參與者還保留了食物日志，以便監(jiān)測他們的整個飲食，包括來自其他來源的纖維。為了詳細(xì)檢查每種纖維的影響，我們在補(bǔ)充前、每周結(jié)束時、第3天(WD3)的基線時、清洗第10天(WD10)收集了血漿、血清和糞便樣本以及生理測量值(例如HR、血壓)。

最終沖洗(WF)用作后續(xù)纖維系列的基線?；旌侠w維沒有WF。除了臨床測量，血漿儲存在–80°C并通過LC-MS分析代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)；血清儲存在–80°C并通過62細(xì)胞因子和生長因子進(jìn)行分析；糞便儲存在–80°C，通過鳥槍法宏基因組學(xué)測序(3590萬個平均獨(dú)特reads/樣本)，并分析物種豐度和基因豐度(參見STAR方法)。參與者的平均年齡為56.9歲，標(biāo)準(zhǔn)差為7.7。我們的隊(duì)列對于大多數(shù)臨床值處在健康范圍內(nèi)，但LDL和總膽固醇除外，其平均隊(duì)列值(分別為113.18±36.46 mg/dL和193.20±40.40mg/dL)接近推薦健康水平的高端，即<160mg/dL和<240mg/dL(圖2B)。

盡管隊(duì)列規(guī)模較小(n=18)，但不同纖維劑量下的交叉設(shè)計(jì)和深度分析提高了統(tǒng)計(jì)能力，并提供了對不同纖維的個體反應(yīng)的深入評估。

圖1 研究設(shè)計(jì)概述。

參與者被隨機(jī)分為兩組，首先是AX(下部)或LCI(上部)，最后是混合纖維。參與者每天攝入越來越多的纖維，持續(xù)3周。在原始狀態(tài)、每周結(jié)束(第1-3周)和清洗期第3天和第10天(WD3和WD10)收集樣本。參與者在每個周期之間的6-8周內(nèi)沒有服用纖維補(bǔ)充劑，以使其恢復(fù)到基線水平。在每個指定的時間點(diǎn)采集血液和糞便樣本，并進(jìn)行組學(xué)和臨床分析。

圖2 基線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和一般纖維的發(fā)現(xiàn)。

(A)用小提琴圖顯示的選定臨床測量的基線。背景顏色代表每個測試的健康范圍：紅色，高于正常范圍；黃色，邊緣；綠色，正常范圍。(B)基線變異系數(shù)表示為帶有異常值的箱線圖。每個圖下方都列舉了特征的數(shù)量。(C)基線臨床測量的非度量多維標(biāo)度。每種顏色代表不同的參與者。(D)從宏基因組學(xué)中，計(jì)算所有時間點(diǎn)的所有纖維的Shannon多樣性。誤差線是平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。變化顯著(單因素方差分析)。WD3，沖洗第3天；WD10，清洗第10天；WF，最終清洗。(E)服用30 g時，在AX和LCI中計(jì)算的微生物基因豐度基線變化的散點(diǎn)圖。X軸，AX；y軸，LCI。受纖維補(bǔ)充影響最大的細(xì)菌是有顏色的。

2. 纖維的一般生物效應(yīng) 

本研究首先通過變異系數(shù)(CV)檢測了基線時不同組學(xué)強(qiáng)度的個體間變異。微生物數(shù)據(jù)中，微生物途徑豐度(中位數(shù)：1.071，IQR：1.100)和微生物基因(中位數(shù)：0.849，IQR：0.689)的CV變異最大。其次變化最大的組學(xué)層是蛋白質(zhì)組學(xué)(中位數(shù)：0.438，IQR：0.252)和脂肪組學(xué)(中位數(shù)：0.430，IQR：0.280)。變異最小的組是細(xì)胞因子(中位數(shù)：0.262，IQR：0.235)和代謝組學(xué)(中位數(shù)：0.066，IQR：0.074)數(shù)據(jù)。在比較不同組間的CV分布時存在顯著差異(除脂質(zhì)與蛋白質(zhì)外，所有比較p<0.05；圖2B)。 

纖維依賴性變化很明顯。但所有纖維類型都有一些一般性觀察結(jié)果。

首先，與個體之間的纖維類型和纖維劑量之間的差異相比，個體內(nèi)部的臨床值和其他組學(xué)測量值更相似(圖2C)。

其次，在所有纖維中，我們觀察到微生物組組成發(fā)生變化和微生物Shannon多樣性在纖維補(bǔ)充過程中下降(AX，p=1.38×10-7；LCI，p=4.91×10-5；Mix，p=0.0102；圖2D)。包括纖維混合物的所有纖維都引起了類似的多樣性下降(圖2D)。

在補(bǔ)充纖維的過程中，豐度沒有變化，Simpson多樣性的變化與Shannon多樣性的變化非常相似。

盡管微生物組的許多變化是特定于一種纖維的(如下所述)，但有些變化在AX和LCI之間是共享的(圖2E)。

具體而言，兩種纖維的Bacteroides ovatus和Bacteroides xylanisolvens均增加。其他泛纖維變化包括所有纖維的血尿素氮減少(AX，p=0.00711；LCI，p=3.90×10-4；Mix，p=0.0102)。 

對于AX和LCI，來自所有組的128,350種分析物或微生物中有606種在兩種纖維中的劑量依賴性反應(yīng)中增加。這些重疊的分析物不包括脂質(zhì)、細(xì)胞因子、蛋白質(zhì)或臨床測量值；而包括代謝物，如吲哚丙酸、吲哚和肉桂酰甘氨酸等。它們包括的微生物物種Bacteroides xylanisolvens和來自Bacteroides xylanisolvens、Haemophilus parainfluenzae、Veillonella parvula和Veillonella atypica的微生物基因。在分析物以劑量依賴性方式減少的集群中，128,350個特征中有1557個重疊。因此，雖然很小，但有更多共享的分析物或微生物在劑量依賴性反應(yīng)中減少。

該組缺乏細(xì)胞因子、臨床測量值和蛋白，但包括4種脂質(zhì)種類(一種磷脂酰乙醇胺、兩種磷脂酰乙醇胺-醚和一種磷脂酰乙醇胺-縮醛磷脂)、96種代謝物和Bacteroides stercoris，伴隨細(xì)菌基因變化和通路變化。

同時我們在所有纖維補(bǔ)充期間收集了有關(guān)參與者舒適度、糞便測量和飲食的自我報告數(shù)據(jù)。大便頻率隨著時間的推移而增加，AX和Mix顯示出最強(qiáng)的影響(AX，p=5.47×10-6；LCI，p=0.00186；Mix，p=3.47×10-6)。所有纖維的糞便體積增加，AX和Mix變化最大(AX，p=1.87×10-4；LCI，p=0.0200；Mix，p=2.76×10-4)。通過Bristol糞便圖表評分評估的糞便稠度在AX和Mix中增加(AX，p=8.76×10?6；LCI，p=NS；Mix，p=0.00250)。LCI和混合纖維的腹脹增加，補(bǔ)充結(jié)束后腹脹減少(AX，p=NS；LCI，p=6.55×10-5；Mix，p=0.00454)。

腸胃脹氣遵循類似的模式，在補(bǔ)充期間增加，然后在補(bǔ)充結(jié)束后減少(AX，p=0.00548；LCI，p=3.50×10-7；Mix，p=1.19×10-4)。 

當(dāng)將胃腸道癥狀與多組學(xué)相關(guān)聯(lián)時出現(xiàn)了重要趨勢。排便頻率與8/12膽固醇酯(CE)、2/5鞘磷脂(SM)和5/18磷脂酰膽堿(PCs)呈負(fù)相關(guān)

(所有錯誤發(fā)現(xiàn)率(FDR)校正p值<0.05)。然而，它與臨床膽固醇水平和膽汁酸無關(guān)。Bristol糞便量表與5/12 CEs呈負(fù)相關(guān)。對于宏基因組，AX和LCI(73 AX和70 LCI)中與排便頻率存在相似數(shù)量的相關(guān)性。LCI與腹脹變化(66 LCI和3 AX)和其他癥狀(25 LCI和5 AX)的相關(guān)性高于AX。

最后，與大便稠度變化(AX中80分，LCI中38分)、Bristol評分(AX中29分和LCI中8分)和糞便體積變化(AX中60分和LCI中28分)的相關(guān)性高于LCI。飲食雜志在纖維補(bǔ)充過程中告知了營養(yǎng)攝入量。整體效果幾乎沒有變化，其中包括總糖的增加(66.2±39.1 g至89.3±45.5 g，p=0.00214)和碳水化合物攝入量略有增加(181.0±62.9 g至224.0±81.1 g，p=0.0443)。然而，來自碳水化合物的卡路里以及其他常量營養(yǎng)素分布沒有改變?？紤]到纖維補(bǔ)充和飲食改變的其他可能性之間一年中時間的變化，參與者的飲食幾乎沒有變化。 

3. 宏基因組響應(yīng)阿拉伯木聚糖而發(fā)生變化 

接下來，我們深入研究了每種膳食纖維對臨床和組學(xué)測量的影響。標(biāo)準(zhǔn)化后(參見STAR方法)，我們使用C均值聚類將分析物聚類為縱向流行模式。觀察到三種主要模式以及其他次要模式。在AX補(bǔ)充期間，微生物、微生物基因家族和分子分析物以I類聚類模式表示(8016/128350分析物)，隨后隨著纖維的劑量反應(yīng)增加(圖3A)。例子包括在結(jié)腸中發(fā)酵纖維的兩個類群Roseburia (p=0.00286, F=2.33)和Bacteroides xylanisolvens (p=1.38×10-5，F(xiàn)=3.01)。

此外，還包括L-瓜氨酸代謝的宏基因組超通路(p=0.00206，F(xiàn)=2.41)和木糖降解IV (p=0.0379，F(xiàn)=1.73)。該簇還包含負(fù)責(zé)代謝AX和與其結(jié)合的酚酸的宏基因組酶，木聚糖酶(K01181，p=0.00531，F(xiàn)=2.19)和阿魏酸酯酶(K09252，p=1.19×10?8，F(xiàn)=5.26)。木聚糖酶是一種碳水化合物活性酶，它是一種糖苷水解酶，負(fù)責(zé)分解阿拉伯木聚糖中糖之間的鍵。然后，我們在C均值聚類內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)性分析。

在I類中，脂質(zhì)和微生物組之間存在負(fù)相關(guān)(所有FDR<0.05)。與脂質(zhì)簇呈負(fù)相關(guān)的微生物是副流感嗜血桿菌(Haemophilus parainfluenzae)、Veillonella parvula、Veillonella dispar和Megasphaera micronuciformis(所有FDR<0.05)。這表明那些在補(bǔ)充AX期間脂質(zhì)增加的參與者沒有這些微生物或微生物低于檢測限，而那些脂質(zhì)反應(yīng)最弱的參與者具有更高的微生物豐度。

II類簇(7149/128350分析物)顯示分析物或微生物減少，并揭示了與阿拉伯糖和木糖代謝相關(guān)的基因本體(所有重要基因FDR<0.01；K15921，p=0.0111，F(xiàn)=2.02；K18205，p=1.71×10-6，F(xiàn)=4.02；K18206，p=5.34×10-6，F(xiàn)=3.76；和K08138，p=0.00128，F(xiàn)=2.51)。這些基因編碼的蛋白代謝來自其他植物的阿拉伯木聚糖形式。因?yàn)檫@個類含有豐富的脂質(zhì)，包括臨床脂質(zhì)，因此在下文進(jìn)一步深入討論。

與AX補(bǔ)充劑相關(guān)的第三種主要模式顯示分析物以非劑量反應(yīng)方式增加(III類；8128/128350分析物)。這些在30 g時增加，并在洗脫時間點(diǎn)D3和D10期間保持升高，在WF時再次降低至接近基線水平。

這種延遲反應(yīng)集群包括與發(fā)酵相關(guān)的途徑，例如乙酸鹽生產(chǎn)、混合酸發(fā)酵和幾種脂肪酸途徑。該簇中的基因家族包括木糖和阿拉伯糖代謝基因(所有重要基因FDR<0.05；K02099，p=0.00617，F(xiàn)=2.16；K02100，p=0.00555，F(xiàn)=2.18；K02467，p=0.0113，F(xiàn)=2.02；K06041，p=0.00536，F(xiàn)=2.19；K07806，p=0.00207，F(xiàn)=2.41；K10011，p=0.0123，F(xiàn)=2.00；K10537，p=0.00222，F(xiàn)=2.39；K10538，p=0.0114，F(xiàn)=2.02；K10539，p=0.0125，F(xiàn)=2.00；和K10544，p=0.0219，F(xiàn)=1.86)。

該延遲類別還包含幾種細(xì)胞因子。因此，這些特征需要更長的時間才能通過補(bǔ)充纖維來提高，但在去除纖維后也會持續(xù)更長時間?？傊?，這些發(fā)現(xiàn)顯示了對纖維補(bǔ)充的動態(tài)和持久的宏基因組反應(yīng)(圖3A)。

圖3 服用AX時的系統(tǒng)生物學(xué)變化。

(A)所有組學(xué)的C均值聚類，遵循劑量反應(yīng)和反向劑量反應(yīng)。為每個顯示選擇的路徑和靶標(biāo)特征。使用多元線性回歸檢驗(yàn)單個分析物的顯著性。(B)在補(bǔ)充過程中所有三種纖維的LDL趨勢。AX和Mix都顯著(單因素方差分析)。將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化為基線，然后提高到隊(duì)列的平均值。誤差線是平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。(C)膽汁酸UDCA、CDCA和LCA在所有三種纖維的纖維補(bǔ)充過程中的縱向響應(yīng)。由單因素方差分析確定顯著性。誤差線是平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。(D)膽汁酸(y軸)和微生物類群(x軸)之間的顯著相關(guān)性由氣泡圖表示。氣泡按相關(guān)系數(shù)方向著色，氣泡大小用–log10(p值)表示。

p值由Spearman相關(guān)性確定，F(xiàn)DR校正。(E)通過補(bǔ)充AX以劑量反應(yīng)方式顯著降低的CEs。由單因素方差分析確定顯著性。誤差線是平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。(F)脂質(zhì)、膽汁酸和臨床膽固醇水平的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其中負(fù)相關(guān)與紅色邊緣相連，正相關(guān)與藍(lán)色邊緣相連。橙色節(jié)點(diǎn)，膽汁酸；黃色節(jié)點(diǎn)，脂質(zhì)；藍(lán)色節(jié)點(diǎn)，臨床血脂值。 

4. 膽固醇、膽汁酸和脂質(zhì)對AX的反應(yīng) 

有臨床相關(guān)的分析物顯示出與AX的反向劑量反應(yīng)(II類；圖3A)。其中包括LDL和總膽固醇(LDL，p=3.12×10-4；總膽固醇p=8.79×10-4；圖3B)。混合纖維過程也顯示出對AX的類似較小效果的反向劑量反應(yīng)，效果較小可能是因?yàn)樗休^低劑量的AX。

與AX不同，LDL沒有因補(bǔ)充LCI而發(fā)生變化，這與一些已發(fā)表的報告相矛盾(圖3A)。補(bǔ)充AX期間HDL膽固醇沒有顯著變化(p=0.158)。此外，在脂質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)中檢測到的許多CE物種與纖維呈反向劑量反應(yīng)(圖3E；所有FDR<0.05)?？傊?，這些結(jié)果表明，在補(bǔ)充AX期間，包括LDL在內(nèi)的總膽固醇減少了。 

膽汁酸是一類由膽固醇合成并通過腸肝循環(huán)重吸收的重要分子。在我們的隊(duì)列中，血漿膽汁酸庫在纖維補(bǔ)充期間發(fā)生了變化。在對纖維補(bǔ)充與不補(bǔ)充進(jìn)行隨機(jī)森林分類時，纖維補(bǔ)充的前八個預(yù)測因子中有六個是膽汁酸，膽汁酸是最顯著預(yù)測AX的分子之一。

特別是膽汁酸熊去氧膽酸(UDCA；p=0.00966)和鵝去氧膽酸(CDCA；p=0.0439)，已知的膽固醇調(diào)節(jié)劑，在補(bǔ)充纖維后糞便中出現(xiàn)劑量依賴性增加(圖3C)。這些膽汁酸與許多微生物相關(guān)(所有FDR<0.05；圖3D)。例如UDCA與雙歧桿菌呈正相關(guān)。這些關(guān)聯(lián)突出了微生物組與膽汁酸豐度的相互作用。

膽汁酸和微生物組之間的相關(guān)性在纖維類型之間沒有共享，因?yàn)槟懼岷退腥N纖維補(bǔ)充劑中存在的微生物之間沒有相關(guān)性。

其他次級膽汁酸，如石膽酸(LCA；p=0.686)，并沒有隨著AX的增加而顯著增加，而在LCI中顯著降低(p=0.0227)。因此，纖維不僅獨(dú)特地塑造了微生物組，而且還塑造了膽汁酸庫。 在后續(xù)的7個人隊(duì)列中，我們遵循了類似的方案，除了沒有增加劑量，我們持續(xù)三周給參與者每天20克纖維。膽固醇趨勢與前隊(duì)列相同，在纖維補(bǔ)充過程中顯著下降并在清除期恢復(fù)到基線(p=1.17×10-4，F(xiàn)=7.85)。此外，我們看到膽汁酸尤其是鵝去氧膽酸(p=0.0174，F(xiàn)=2.73)增加。因此，這些結(jié)果驗(yàn)證了原始劑量-反應(yīng)研究的結(jié)果。 在AX纖維補(bǔ)充過程中出現(xiàn)反向劑量反應(yīng)關(guān)系的是一組脂質(zhì)，包括PCs、磷脂酰乙醇胺(PEs)、PE縮醛磷脂(PEPs)、神經(jīng)酰胺(CER)、SM和CEs(所有脂質(zhì)FDR<0.05)。PCs和PEs與膽汁一起在卵磷脂中分泌，但通過腸肝循環(huán)的程度與膽汁酸不同。這些脂質(zhì)也是髓鞘的富集成員。

總體而言，這種脂質(zhì)減少表明AX具有普遍的降血脂作用。顯示反向劑量反應(yīng)的分子相互關(guān)聯(lián)，包括PC、PEs、CEs、LDL和總膽固醇(所有FDR<0.05；圖3F)。此外，這些分子與次級膽汁酸呈負(fù)相關(guān)(所有相關(guān)性FDR<0.05；圖3F)。在該集群中的12個CEs中，8個與FDR校正后的排便頻率呈負(fù)相關(guān)?？傊?，這些因素表明，在補(bǔ)充AX期間與微生物組相關(guān)的脂質(zhì)和膽汁酸的變化。 

5. 膽固醇反應(yīng)者有不同的系統(tǒng)性效應(yīng) 

每個參與者對AX纖維補(bǔ)充劑都有獨(dú)特的膽固醇反應(yīng)。為了了解不同的膽固醇反應(yīng)，我們將我們的隊(duì)列分成三組，每組六人分析了我們的隊(duì)列。第一組的膽固醇降低幅度最大(即強(qiáng)烈反應(yīng)者)，第二組有中等反應(yīng)，第三組是無反應(yīng)者。

我們發(fā)現(xiàn)三種AX劑量的強(qiáng)反應(yīng)者和無反應(yīng)者之間存在許多顯著差異。中間反應(yīng)者和其他任何一組之間幾乎沒有顯著差異。

從宏基因組來看，螺桿菌(FDR=0.00864)和氰化氫合酶(FDR=0.00269)在反應(yīng)者中較低，而混合酸發(fā)酵(FDR<0.0500)、牛磺酸雙加氧酶(FDR=0.00183)、色氨酸通透酶(FDR=0.00183)、對羥基苯甲酸外排泵(FDR=0.0123)和阿魏酸酯酶(FDR=0.0123)在反應(yīng)者中較高(圖4A)。

強(qiáng)反應(yīng)者臨床測量的總血清蛋白水平較低，主要是高豐度白蛋白、球蛋白和纖維蛋白原(圖4B)。通過血漿蛋白質(zhì)組學(xué)測量的幾種關(guān)鍵的低豐度蛋白在反應(yīng)者中升高，包括心臟蘭尼堿受體(RY2R)和載脂蛋白C(APOC4；圖4C)。

此外，蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)的獨(dú)特通路分析顯示(QIAGEN)，調(diào)節(jié)膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸的核受體、肝X受體(LXR)和法尼醇X受體(FXR)在反應(yīng)者與無反應(yīng)者中的增加不同。LXR在補(bǔ)充AX期間上調(diào)，F(xiàn)XR控制蛋白的表達(dá)發(fā)生顯著變化(LXR，p=1.59×10-33；FXR，p=2.49×10-34)。在整個隊(duì)列中沒有差異的臨床甘油三酯在反應(yīng)者補(bǔ)充期間較低(p=0.0164)。最后，我們從飲食期刊中發(fā)現(xiàn)，在基線時，膳食蛋白質(zhì)與纖維的攝入比(p=0.00749)以及總蛋白質(zhì)攝入量(p=0.0318)在反應(yīng)者中更高(圖4D)。除此之外，總營養(yǎng)攝入量與無反應(yīng)者沒有差異。

因此，膳食蛋白質(zhì)攝入量較高的參與者可能對AX有更好的膽固醇和降血脂反應(yīng)。

圖4 相對于無反應(yīng)者，與強(qiáng)AX膽固醇反應(yīng)者相關(guān)的系統(tǒng)性效應(yīng)。

NR，無反應(yīng)者；R，反應(yīng)者。(A)糞便樣本中螺桿菌屬和宏基因組基因阿魏酸酯酶在兩類中的相對豐度。Y軸是相對于基線的log2倍數(shù)變化，p值由Wilcoxon秩和檢驗(yàn)確定，F(xiàn)DR校正。(B)在臨床血清樣本中，比較不同類別之間的總蛋白和甘油三酯。p值由Wilcoxon秩和檢驗(yàn)確定，F(xiàn)DR校正。(C)火山圖顯示反應(yīng)者組中的蛋白顯著增加。X軸是30 g AX時蛋白相對于基線的值，y軸是log2倍數(shù)變化。(D)反應(yīng)者與無反應(yīng)者的膳食蛋白質(zhì)與纖維的比例。p值由Wilcoxon秩和檢驗(yàn)確定，F(xiàn)DR校正。 

6. LCI改變宏基因組并在30g時產(chǎn)生有害反應(yīng) 

與補(bǔ)充AX一樣，我們確定了對LCI補(bǔ)充的三種主要縱向反應(yīng)模式(圖5A)。來自每個組學(xué)層的分析物/微生物遵循增加的劑量反應(yīng)(I類；5851/128350分析物)。

微生物組分析顯示，產(chǎn)生丁酸鹽的梭菌簇XIVa的成員存在劑量反應(yīng)。它還包括兩種雙歧桿菌，B. bifidum和B. pseudocatenulatum。

I類細(xì)菌生化途徑包括己糖醇發(fā)酵成乳酸，I類微生物基因家族包括那些參與果糖代謝的微生物基因家族，果糖是菊粉中的主要糖(所有重要基因FDR<0.05；K01193，p=2.51×10?4，F(xiàn)=2.88；K01624，p=0.0101，F(xiàn)=2.04；K02768，p=0.0356，F(xiàn)=1.75；K02769，p=0.00724，F(xiàn)=2.12；K02770，p=0.0322，F(xiàn)=1.77；K10709，p=0.00857，F(xiàn)=2.08；和K19506，p=0.00174，F(xiàn)=2.45)。這組基因家族包括一種用于分解菊粉中糖之間的酯鍵的糖苷水解酶。

I類簇還包含在補(bǔ)充LCI期間升高但在去除LCI后在沖洗期間不穩(wěn)定的脂質(zhì)。對于許多分析物，移除纖維并不會導(dǎo)致清潔“關(guān)閉”狀態(tài)。

同樣，對于來自每個組學(xué)層的分析物(II類；7724/128350分析物)，菊粉與劑量呈反比關(guān)系。在這個簇中，有抗生素基因和木糖同向轉(zhuǎn)運(yùn)體(所有重要基因FDR<0.05；K19061，p=3.06×10-16，F(xiàn)=10.8；K10673，p=6.91×10-4，F(xiàn)=2.65；K08223，p=0.0391，F(xiàn)=1.72；K08218，p=8.41×10?4，F(xiàn)=2.61；K04343，p=1.31×10?5，F(xiàn)=3.55；和K13252，p=0.0447，F(xiàn)=1.69；K08138，p=0.00128，F(xiàn)=2.51) (圖5A)。 補(bǔ)充LCI的另一個突出的縱向模式是在30 g時分析物/微生物的峰值(III類；8824/128350分析物)。

從宏基因組來看，尖峰的分類群包括放線菌門，主要由動物雙歧桿菌以及Dorea、Lachnospiraceae和Klebsiella屬的成員驅(qū)動(圖5C)。

在該組中，存在與果糖代謝、抗生素生物合成、抗生素抗性基因和群體感應(yīng)基因相關(guān)的基因(所有顯著基因FDR<0.05；K16306，p=0.00739，F(xiàn)=2.17；K18333，p=2.03×10-9，F(xiàn)=5.72；K01597，p=2.77×10-4，F(xiàn)=2.86；K18926，p=3.91×10-6，F(xiàn)=3.82；K18900，p=0.00220，F(xiàn)=2.39；K18893，p=4.99×10?4，F(xiàn)=2.72；K18348，p=1.13×10?19，F(xiàn)=14.1；K18214，p=4.91×10?4，F(xiàn)=2.73；K14982，p=1.59×10?5，F(xiàn)=3.50)，后者可能表明密集的細(xì)菌物種在過度擁擠的生態(tài)位中競爭。

這些基因也可能表明，該組中的細(xì)菌包括強(qiáng)大的抗生素生產(chǎn)者，盡管最著名的抗生素生產(chǎn)者鏈霉菌不包括在被補(bǔ)充的放線菌中。在補(bǔ)充30 g LCI時，與健康狀況不佳相關(guān)的分析物也很明顯。雖然不是全隊(duì)列范圍的反應(yīng)，但三名參與者的肝酶丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(ALT)在30 g時超出正常范圍(圖5B)。在臨床或代謝組學(xué)測量中，膽紅素和初級膽汁酸均未增加，這表明我們觀察到的ALT峰值具有除膽汁淤積以外的病因。

在ALT反應(yīng)后，參與者迅速從菊粉中移除；因此，如果持續(xù)暴露于LCI，他們以后可能會發(fā)展為膽汁淤積癥。與AX中的LDL類似，我們將ALT升高的參與者(反應(yīng)者)與沒有反應(yīng)的參與者(無反應(yīng)者)進(jìn)行了比較。顯著差異包括微生物基因Entericidin B K36148 (p=0.0394；圖5E)、克雷伯氏菌屬(p=0.0443)、生物膜形成基因K11907(p=0.0393)和蛋白IGHV3-53(p=0.00728)的增加，而在ALT-spike組中流行率較低的是基因膽汁酸-輔酶A連接酶K15868 (p=0.0421；圖5D)。

最重要的是，在補(bǔ)充30g時存在顯著的細(xì)胞因子級聯(lián)反應(yīng)，包括細(xì)胞因子IL-6 (p=0.0484)、TGF-b (p=0.0359)和VEGF-A (p=0.0456)等，這表明全身炎癥反應(yīng)。同時在較低劑量下細(xì)胞因子低于基線(圖5F)，表明LCI相關(guān)炎癥的劑量依賴性效應(yīng)。具有最大細(xì)胞因子峰值的個體不是那些具有ALT峰值的個體，表明對高菊粉壓力有兩種不同的反應(yīng)。

此類的相關(guān)性表明，細(xì)胞因子與Pediococcus pentosaceus、Subdoligranulum variabile、Clostridium ramosum、副流感嗜血桿菌和鏈球菌屬呈負(fù)相關(guān)(所有FDR<0.05)。有炎癥反應(yīng)的個體內(nèi)這些微生物的水平較低。

圖5 服用長鏈菊粉時的系統(tǒng)變化。

(A)來自多組學(xué)數(shù)據(jù)的劑量反應(yīng)和反向劑量反應(yīng)途徑，由C均值聚類確定。由多元線性回歸確定的單個分析物的意義。(B)參與者ZOZOW1T、ZVBQY1N和ZL9BTWF在30 g LCI時都觀察到ALT高于正常水平，其中大多數(shù)參與者(個體，灰色；平均隊(duì)列，黑色)顯示ALT水平幾乎沒有變化。誤差線是平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。(C)在補(bǔ)充LCI的過程中可以看到每個參與者的雙歧桿菌豐度，其中ALT異常值是彩色的，整個隊(duì)列的平均增加是黑色的。所有其他參與者都是灰色的，所有參與者的平均值是黑色的帶有標(biāo)準(zhǔn)誤差線。(D)與沒有尖峰的人相比，在ALT尖峰者中減少的宏基因組基因：膽汁酸-輔酶A。每個點(diǎn)顏色代表不同的參與者。p值由Wilcoxon秩和檢驗(yàn)確定，F(xiàn)DR校正。NC ALT，ALT沒有變化。(E) ALT反應(yīng)者中的Entericidin B增加。p值由Wilcoxon秩和檢驗(yàn)確定，F(xiàn)DR校正。(F)與基線相比，服用10 g和20 g LCI時細(xì)胞因子減少；然而，在30 g時，細(xì)胞因子豐度顯著增加。使用單因素方差分析表示顯著增加的單個細(xì)胞因子(*)。

7. 混合纖維表現(xiàn)出較小的中間表型 

攝入多種不同的纖維對人體健康很重要。在我們的隊(duì)列中，與任何一種單獨(dú)的纖維相比，混合纖維補(bǔ)充劑產(chǎn)生的顯著變化較小，這表明在我們的研究中，單一纖維可能具有最強(qiáng)的效果。

混合纖維補(bǔ)充劑包含AX和LCI，我們觀察到許多相同的分析物趨向于與純纖維相似的劑量依賴性反應(yīng)。

例如與單獨(dú)補(bǔ)充AX相比，膽固醇適度降低(低密度脂蛋白，p=0.00351；總膽固醇，p=0.00204；圖3B)。此外，與單獨(dú)的菊粉相比，存在中間細(xì)胞因子反應(yīng)，顯著的細(xì)胞因子較少，反應(yīng)幅度較小。因此，與純纖維相比，我們發(fā)現(xiàn)纖維組合的中間表型。 

8. 對纖維的個性化反應(yīng) 

盡管在整個隊(duì)列中觀察到了趨勢，但每個參與者也表現(xiàn)出對纖維補(bǔ)充的獨(dú)特反應(yīng)。如上所述，大多數(shù)隊(duì)列的AX降低了膽固醇，但有些個體沒有反應(yīng)。在另一種纖維LCI中，一些參與者甚至增加了LDL。同時如臨床研究中那樣可能會出現(xiàn)一系列反應(yīng)，并且由于微生物組、纖維來源和研究人群的復(fù)雜性，纖維研究具有高度可變性。 為了系統(tǒng)地評估個體反應(yīng)，我們使用異常值分析來檢測強(qiáng)烈的個體反應(yīng)。每個人在補(bǔ)充纖維期間都有一些異常的分析物及微生物；然而，有些人的分析物集中在特定的途徑中。

有幾個有趣的反應(yīng)，參與者ZOZOW1T在第2周和第3周在混合纖維補(bǔ)充期間出現(xiàn)炎癥反應(yīng)。

在進(jìn)一步調(diào)查臨床記錄和調(diào)查反應(yīng)后，沒有發(fā)現(xiàn)參與者在這段時間有臨床癥狀或明顯的疾病。這些發(fā)現(xiàn)表明，個體的細(xì)胞因子和免疫系統(tǒng)可能會在幾周內(nèi)發(fā)生巨大變化，而不會出現(xiàn)任何癥狀或常規(guī)臨床測試的變化。對細(xì)胞因子峰值期間ZOZOW1T中發(fā)生變化的代謝物的分析表明能量代謝發(fā)生了很大變化。此外，雖然在補(bǔ)充30 g菊粉時對我們隊(duì)列中的一些成員造成負(fù)面健康影響，但參與者ZQFL1P3的瓜氨酸、酚酸和血漿膽汁酸濃度較高，這些通常都與健康的纖維反應(yīng)有關(guān)。這些健康改善通過健康代謝途徑(包括泛酸和CoA生物合成以及花生四烯酸代謝)的富集得到證實(shí)。因此，這些參與者對纖維補(bǔ)充劑有獨(dú)特的反應(yīng)，這可能會為他們的個人健康或微生物組健康提供見解。

討論

膳食纖維與改善代謝和心血管健康有關(guān)，但尚未使用多組學(xué)數(shù)據(jù)集研究了解單一纖維對微生物和代謝組學(xué)反應(yīng)的影響。在調(diào)查臨床標(biāo)志物(例如膽固醇和葡萄糖)的研究中，報告的結(jié)果有時不一致。使用交叉研究設(shè)計(jì)和對數(shù)千個標(biāo)志物和微生物途徑的深入分析，我們發(fā)現(xiàn)單一纖維可以在群體和個體水平上產(chǎn)生顯著而不同的反應(yīng)。 

總體而言，AX以劑量依賴性方式改善了脂質(zhì)譜，降低了LDL、總膽固醇和其他脂質(zhì)。然而，個體反應(yīng)各不相同，一些參與者發(fā)現(xiàn)膽固醇水平幾乎沒有變化。那些反應(yīng)強(qiáng)烈的個體表現(xiàn)出不同的全身反應(yīng)，包括其宏基因組中更多的酚酸代謝基因和更低的臨床甘油三酯。

在LCI補(bǔ)充期間，低劑量顯示細(xì)胞因子適度減少和通常被認(rèn)為有益的細(xì)菌增加。然而，在補(bǔ)充30g時，一些參與者經(jīng)歷了細(xì)胞因子和肝酶ALT的峰值，這表明這種纖維過多可能是有害的。

總體而言，本研究結(jié)果表明，纖維的益處取決于纖維類型、劑量和參與者，由纖維、腸道微生物組和宿主之間相互作用產(chǎn)生的一系列因素。這些結(jié)果對個性化響應(yīng)和干預(yù)具有重要意義。 目前的研究認(rèn)為來自整個水果和蔬菜的異質(zhì)纖維對健康是有益的，盡管尚未全面研究它們在發(fā)酵能力和其他化學(xué)特性方面的差異。在本研究中，混合纖維相對于單一纖維具有中間效應(yīng)，表明這種特殊的纖維組合沒有協(xié)同作用。例如纖維混合物顯示出與純化AX相似的膽固醇降低趨勢，但程度較小。此外，在補(bǔ)充30 g混合纖維期間，部分細(xì)胞因子會出現(xiàn)峰值，類似于LCI，但程度較輕。

幾種高纖維食物具有降低膽固醇的作用，本研究表明，這些降低可能是由未精制植物性食物中纖維混合物的個別成分驅(qū)動的。 當(dāng)前研究的一些局限性值得注意。我們的混合纖維補(bǔ)充劑中不包含不溶性纖維，這可能會改變可溶性混合纖維的特性。

此外，在我們的研究設(shè)計(jì)中，混合纖維總是出現(xiàn)在純化纖維之后，這可能會引入一個混雜變量。然而，我們在每次補(bǔ)充纖維之間包含了一個漫長的清除期，這種情況可能不會發(fā)生。此外，我們的研究沒有將混合纖維補(bǔ)充劑與天然食品中混合纖維的消耗進(jìn)行比較。

因此，我們的結(jié)果可能會受到食用方式的影響，而全植物食品可能包括其他已知的植物化學(xué)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，這些植物化學(xué)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)可以推動系統(tǒng)生物學(xué)朝著其他可能更健康的方向發(fā)展。 來自多種植物的AX可降低膽固醇，研究假設(shè)這是由于AX直接結(jié)合腸腔中的膽固醇，幫助膽固醇直接通過消化系統(tǒng)。本研究結(jié)果表明AX降低膽固醇與膽汁酸產(chǎn)生增加或膽汁中的其他變化有關(guān)。尤其是我們發(fā)現(xiàn)在補(bǔ)充AX期間膽汁酸增加。

除了排出膽固醇池外，它們還充當(dāng)膽固醇代謝的信號分子，結(jié)合受體FXR和LXR，控制膽固醇代謝及其轉(zhuǎn)化為膽汁酸。這些受體在我們研究的參與者中優(yōu)先受到調(diào)節(jié)，膽固醇降低幅度最大。與這一假設(shè)一致，膽汁酸含量與膽固醇和膽固醇酯呈負(fù)相關(guān)。

在AX補(bǔ)充期間，PCs、PEs、CEs和其他脂質(zhì)也會減少。

與膽固醇類似，這些脂質(zhì)以卵磷脂的形式在膽汁中分泌，但不像膽汁酸那樣參與腸肝循環(huán)。因此，通過腸肝循環(huán)的膽汁中的脂質(zhì)(即膽汁酸)增加，而不通過腸肝循環(huán)的脂質(zhì)(即PEs、PCs和CEs)減少。這種增加的膽汁流量可能是由微生物組驅(qū)動的，因?yàn)樵S多膽汁酸與微生物組顯著相關(guān)。因此，我們發(fā)現(xiàn)AX通過改變微生物組，使膽汁酸池多樣化和擴(kuò)大化，增加膽汁流量并改變膽汁成分，這些行為有助于消耗膽固醇池(圖6)。此外，盡管膽固醇本身與排便頻率無關(guān)，但在AX補(bǔ)充組中，一些CEs與排便頻率呈負(fù)相關(guān)。

這表明增加排便的降膽固醇作用可能是由于膽固醇酯直接通過腸道。盡管排便頻率增加，但在補(bǔ)充LCI期間CEs不會減少，表明這種現(xiàn)象是AX特有的。因此，我們建議要完全了解膳食纖維降低膽固醇的作用，應(yīng)該考慮影響膽固醇水平的多種機(jī)制，包括膽汁的變化和由微生物產(chǎn)生次級膽汁酸驅(qū)動的膽汁酸池。

圖6 觀察到的纖維對宿主系統(tǒng)生物學(xué)的影響。

綠色分析物表示增加的分析物，紅色表示減少的分析物。黑色箭頭表示分析物通過身體的運(yùn)動。AX的假設(shè)作用機(jī)制。 為了進(jìn)一步了解膽固醇反應(yīng)，我們將最強(qiáng)的膽固醇反應(yīng)者與最弱的反應(yīng)者進(jìn)行了比較。

微生物群落和基因庫發(fā)生了變化，包括代謝兩種酚酸的宏基因組酶阿魏酸酯酶和對羥基苯甲酸外排質(zhì)子泵增加。這些酶的變化可能是由于與AX結(jié)合的酚酸在腸道微生物發(fā)酵后可生物利用被吸收。酚酸本身是疏水分子，已知具有抗氧化特性，并且已知與多酚一起有助于微生物健康茁壯成長。阿魏酸也被認(rèn)為可以降低小鼠和人類的低密度脂蛋白。因此，菊粉中不存在的酚酸可能會專門選擇有助于降低LDL膽固醇和改變脂質(zhì)分布的微生物。 低密度脂蛋白的降低在膳食蛋白質(zhì)與纖維比例較高的人群中更為明顯。

鑒于LDL反應(yīng)組和無反應(yīng)組的總纖維攝入量相似，高蛋白飲食的個體可能從膳食纖維補(bǔ)充劑中獲益更大。 菊粉是一種常用的纖維補(bǔ)充劑，與許多積極的健康結(jié)果相關(guān)。然而，有研究將小鼠的菊粉消耗與肝損傷聯(lián)系起來。本研究證實(shí)了高劑量菊粉對人體的不利影響，觀察到一部分參與者的ALT升高。ALT的增加是已知的肝損傷的潛在標(biāo)志物，在沒有膽汁淤積的情況下發(fā)生表明其他機(jī)制可能導(dǎo)致這種現(xiàn)象。我們還看到了在補(bǔ)充LCI 30g下誘導(dǎo)的許多炎癥和細(xì)胞因子標(biāo)志物(最強(qiáng)烈的IL-6、TGF-b和VEGF-A)，表明這種纖維在較高劑量下會引起炎癥。

ALT和細(xì)胞因子的峰值在不同的個體中不同，表明個人對高菊粉壓力的反應(yīng)存在差異。有人提出，高劑量的菊粉會導(dǎo)致腸道發(fā)酵失調(diào)，每天攝入超過20克可能會對健康產(chǎn)生負(fù)面影響。然而，人們認(rèn)為低劑量的菊粉對人體是安全的，并且在低劑量的LCI下，我們看到炎癥標(biāo)志物相對適度減少。

此外，在補(bǔ)充LCI期間，石膽酸減少，雙歧桿菌增加，兩者都與長期腸道健康有關(guān)。

這些研究結(jié)果表明，菊粉劑量對于健康益處至關(guān)重要，并進(jìn)一步證明對不同個體健康的影響各不相同。 本研究的兩個限制是參與者消耗纖維的時間短和參與者人數(shù)少。這些限制被收集和分析的大量樣本的深層分子和微生物分析所平衡。使用的標(biāo)準(zhǔn)劑量和沖洗分析使我們能夠跟蹤不同纖維的劑量反應(yīng)效應(yīng)以及它們的作用持續(xù)的動力學(xué)。參與者的數(shù)量很少，但交叉的縱向設(shè)計(jì)使我們能夠跟蹤每種纖維對同一參與者的影響。 綜上所述，本研究闡述了兩種流行的純化膳食纖維補(bǔ)充劑LCI和AX的全身作用。

研究結(jié)果包括

(1)發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)阿拉伯木聚糖代謝的AX糖苷水解酶，

(2)發(fā)現(xiàn)在我們的人群中單一纖維比混合纖維具有更強(qiáng)的作用，

(3)血漿膽汁酸增加，纖維不會消耗膽汁酸，

(4)高劑量LCI會增加人體肝損傷的風(fēng)險，

(5)補(bǔ)充LCI會引起人體炎癥，

(6) AX的全脂類降血脂效果，特別是PCs、PEs和CEs，

(7)補(bǔ)充純化纖維后微生物多樣性降低，以及(8)對純化纖維的個性化反應(yīng)，這對于理解個性化營養(yǎng)至關(guān)重要。

本研究結(jié)果表明，兩種纖維的生理、微生物和分子效應(yīng)差異很大。此外，本研究結(jié)果展示了使用由微生物組介導(dǎo)的靶向纖維在可預(yù)測的個性化方向上推動健康和系統(tǒng)生物學(xué)的廣闊前景。

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