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消失的微生物 第十三章而且……更胖 第一節

發布人:奧姆龍   時間:2021-01-28   閱讀:856

       為什么抗生素使得動物們更肥更胖?我們打算在實驗室里模擬出農場動物體重與身高的增加,然后分析這一現象發生的機理。要解答這個問題需要一個相當規模的團隊。幸運的是,我遇到了多位科學家,他們發揮了關鍵作用:周義盛 (Ilseung Cho)是一位腸道方面的實習醫生;勞瑞?考克斯 (Laurie Cox)是一位研究生,她的研究課題以小鼠為模式生物,自14歲起,她就在父親的公司里培養細菌,為醫院的細菌實驗室提供樣品;還有一位大學生耶爾?諾貝爾(Yael Nobel) o沒有這些人的聰明才智與兢兢業業,我的假說無法得到檢驗。與此同時,許多人也加入了探索的行列,包括暑期來進行獨立研究的高中生和大學生,還有來自世界各地的訪問學者。
       2007年,經過了多次嘗試,我們終于建好了模型。于是我們開始了第一批完整的實驗:在喂食小鼠的飲用水里添加4種低于臨床治療劑量的抗生素,完全模擬牧場里的做法。我們稱之為亞臨床劑量濃度抗生素處理實驗(subthera- peutic antibiotic treatments, STAT) o 我們的實驗只在雌性小鼠中進行,因為它們不像雄性那樣劇烈反抗,使得工作更容易進行。最初的結果并不令人振奮:亞臨床劑量抗生素處理小鼠與對照組之間并無體重的差異。
       當周義盛的研究課題委員會得知小鼠的體重并未增加的 時候,一位專家問道:“它們的身體組成有沒有變化?"他問的是脂肪、肌肉及骨骼含量。我們一頭霧水。
       “你們為什么不進行DEXA分析呢?”他問道。
       DEXA是什么?它是雙能量X射線吸收骨質密度儀 (Dual-energy X-ray absorptiometry) o DEXA分析是用來檢測女性骨質并預防骨質疏松癥的一項測試,但同樣可以檢測身體內脂肪及肌肉含量。
       事后來看,這個建議至關重要。我們發現,4組亞臨床劑量抗生素處理小鼠比對照組的脂肪含量高15%,這個差別不可能是隨機事件。
       這是我們得到的第一份證據,它表明抗生素改變了代謝,并影響了身體組成。亞臨床劑量抗生素處理小鼠合成了更多的脂肪,但肌肉含量與對照組相當。我們還獲得了一個意外發現:從第7周開始,也就是攝入抗生素3周之后,小鼠骨骼的生長速度明顯加快。更多的骨骼形成暗示著它們將長得更大、更長、更高。但是到了第10周,所有小鼠的骨骼質量都差不多了。也就是說,抗生素對骨骼的影響僅在早期比較明顯。在本書后面,我將提到后續實驗,我們發現了,某些對骨骼的影響是終身性的。再一次,這種效果并不局限于某一種抗生素——如果它果真如此,那我們也許會認為這是該抗生素的副作用,但是這種效果在所有的抗生素里都有出現。我們的工作支持了下述觀點:除了更好的營養與清潔的水源,抗生素的使用可能也促進了人類身高的增長。
       現在,我們有了證據表明亞臨床劑量抗生素處理改變了早期發育。不過,我們依然沒有理解這些變化發生的機制。添加的抗生素如何影響了發育呢?什么使得動物們發胖?而早期骨骼迅速生長?我們推測,藥物可能改變了腸道微生物的組成。因此,我們首先觀察的是小鼠的糞便。糞便代表了腸道活動的終產物,而且我們可以每天都對每只小鼠的糞便進行單獨取樣。這些糞樣方便了我們對同一批小鼠進行追蹤,并對不同抗生素處理(包括無抗生素處理)或者不同飲食的小鼠進行比較。
我們同樣研究了結腸上端,也就是盲腸里的微生物。當然,這需要犧牲掉小鼠。盲腸的成分對我們的研究非常重要,因為它可以告訴我們哪些微生物在體內生活著,而不僅僅是在排出的糞便里。由于必須通過外科手術才能進行盲腸取樣,每只小鼠只有一次取樣的機會,取樣之后,小鼠就犧牲了。在小鼠與人體里,大多數的腸道物質,無論是在結腸里還是在糞便里,都是未消化的纖維、水分和細菌。DNA幾乎都是細菌的。我們進行了16S核糖體RNA (16S rRNA)分 析,以期獲得全部細菌的組成信息。
所有的細菌都包含編碼16S rRNA的基因,這樣才能組 裝成完整的核糖體來合成蛋白質。雖然所有的細菌都具有這些基因,但是不同種類細菌的基因序列中卻彼此不同。舉例而言,大腸埃希菌的16S rRNA基因與金黃色葡萄球菌的 16S rRNA基因就不同,這反映的是演化歷程中的差異。通過測序,我們可以獲得所有細菌的16S rRNA基因序列,從而知道“誰在那里”。這類似于在紐約或者芝加哥進行人口普查,我們可以詢問有多少教師、律師、警察、學生等等。 在這里,我們詢問的是梭狀芽泡桿菌、類桿菌屬、鏈球菌屬等數千種細菌各有多少?;谶@些普查結果,我們便可以回答一系列重要的問題。
       首先,亞臨床劑量抗生素處理改變細菌的多樣性了嗎?換言之,接受了抗生素處理的小鼠與對照組小鼠相比,體內的微生物多樣性是否一樣?雖然兩份樣品里可能都會有許多的教師、學生和警察,因為這些職業非常普遍——但兩份樣品里是否也具有同樣多的公證人、鋼琴調音師等稀有職業?還是說,這些稀有職業已經不見了?
我們發現,亞臨床劑量抗生素處理對微生物多樣性并沒有明顯的作用,這可能是由于劑量太低。接著剛才的職業類比,在亞臨床劑量抗生素處理組與對照組中有同樣數目的 “職業”。
       不過,微生物群系的組成呢?繼續借用職業的類比,教師、警察與不同職業之間的相對比例是否有差異呢?我們可以進行人口統計來回答這個問題。比如說,我們可能預期紐約與芝加哥在職業分布上更接近,而德黑蘭或者北京的職業分布差別要大得多。在腸道微生物組里,我們發現的正是后者。
由此,事情變得有趣起來。亞臨床劑量抗生素處理改變了腸道微生物群系的組成,糞便樣品及盲腸樣品都支持這一發現。無論是正常劑量的抗生素,還是亞臨床劑量的抗生素,它們都改變了微生物群系的組成。
       但是細菌的功能是否也被抗生素改變了?回答依然是肯定的。你吃進去的大多數食物在小腸里被消化吸收,到達大腸的殘余食物基本上都難以消化。但是在這里,細菌可以幫你一把。要知道,大腸里的某些細菌可以消化這些物質,并分泌出短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA),后者可以被結腸吸收。這些短鏈脂肪酸相當于每日膳食里5%? 15%的能量。如果你體內的微生物從這些“難以消化”的食物里汲取能量的效率更高,那么,你將會得到更好的營養, 可能也會更胖。
我們測量了盲腸里短鏈脂肪酸的濃度。結果發現,亞臨 床劑量抗生素處理小鼠中的濃度顯著高于對照組的濃度。這 意味著亞臨床劑量抗生素處理小鼠在早期組織發育的時候, 從它們體內的微生物那里獲得了更多的能量。
       下一步我們研究的是肝臟身體里最重要的代謝器官。它將腸道吸收的物質,包括短鏈脂肪酸,轉化成有用的產物,包括蛋白質、用于提供能量的糖類和淀粉類,以及用于儲存能量的脂肪。我們比較了亞臨床劑量抗生素處理小鼠與對照組小鼠肝臟里的基因表達水平。事實如我們所料一亞臨床劑量抗生素處理小鼠的肝臟上調了一些基因的表達, 包括脂肪合成基因以及將脂肪轉運至外周組織所需的基因——肥胖動物里肥嘟嘟的贅肉就是儲藏在外周組織的脂肪。我們知道亞臨床劑量抗生素處理小鼠積累了更多的脂肪,而它們不是憑空產生的。肝臟填補了這個理解上的空 白——它是獲取能量的腸道與儲存脂肪的組織之間的戰略樞紐。

網絡轉載《消失的微生物》作者馬丁?布萊澤。

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