小鼠模型助力解析小腸的營養供應及不吃早餐引發的嚴重后果
小腸在人體中發揮著至關重要的作用，它負責吸收營養、分泌激素、與微生物群相互作用，以及保護宿主免受病原體侵害。小腸通常從兩方面吸收營養：腸道會吸收飲食營養和微生物代謝產物（腸腔面），血管則為小腸提供來自宿主營養庫的系統代謝物（血供面）。
這種雙向的供應系統提供了一種獨特的營養環境，每種供應方式都對小腸的空間特化區域和細胞類型產生了不同的生理影響。之前的研究發現，營養物質進入小腸的“途徑”會產生局部和系統效應，但兩種途徑具體如何影響小腸生理學，目前還不清楚。
近日，浙江大學醫學院王迪教授團隊與浙江大學愛丁堡大學聯合學院劉琬璐團隊合作繪制了一張綜合的高分辨率圖譜，并生成了小腸雙向營養供應環境的多層調控網絡。此外，他們還發現不吃早餐會引發腸道對脂質的過度吸收，進而增加心血管疾病的風險。這項研究成果于2024年10月19日發表在《Cell》雜志上。
研究材料與方法
研究人員設計了三種小鼠喂養模式并收集了小鼠腸道間質液（GIF），采用無偏的代謝組學和定量蛋白質組學技術分析了GIF的組成，并通過16S核糖體DNA測序（rDNA-seq）和批量細胞RNA測序（RNA-seq）分別鑒定了空腸組織的黏膜相關微生物組和腸道轉錄組，以此來繪制小腸的雙向營養供應圖譜。他們還利用單細胞RNA測序評估了空腸內不同細胞類型對雙向營養供應的反應，并利用MALDI-MSI方法對代謝物進行空間定位和半定量。此外，在評估不吃早餐的影響時，他們使用了載脂蛋白E基因敲除小鼠（Apoe-/-，賽業生物提供）。
技術路線
研究結果
從多個尺度描繪小腸中的雙向營養供應系統
為了全面研究雙向營養供應系統的影響，研究人員設計了三種小鼠喂養模式，分別是對照組小鼠（Sham），自由進食飼料并通過靜脈注射生理鹽水；腸外營養組小鼠（TPN），剝奪飼料并通過靜脈注射營養液；以及禁食組小鼠（Starvation），剝奪飼料并通過靜脈注射生理鹽水（圖1）。
他們發現，通過腸腔面提供營養，腸道會優先富集脂質和膽汁酸代謝物，而血供面營養供應則誘導碳水化合物和有機酸的積累。通過整合分析，他們發現腸腔面營養對脂質吸收和代謝、上皮屏障功能和激素分泌有影響。相比之下，血供面營養對細胞外基質組成、DNA合成和免疫調節有更大的影響。這些結果表明小腸的營養供應環境在許多方面存在顯著的異質性。
圖1. 描繪小腸中的雙向營養供應系統
兩種營養供應方式在營養物質的吸收上存在差異
接下來，研究人員以葡萄糖、膽固醇和谷氨酰胺為代表，重點研究了它們的腸道吸收。他們通過口服（腸腔面）或靜脈注射（血供面）的方式向小鼠體內注入了2-NBDG、Cy3-膽固醇和Cy5-谷氨酰胺，并利用熒光顯微鏡觀察了熒光標記的營養物質在小腸絨毛內的時空分布。
當營養物質通過腸腔面提供時，葡萄糖的吸收幾乎沿小腸絨毛均勻分布，而膽固醇的吸收則主要發生在絨毛頂端。令人驚訝的是，吸收的谷氨酰胺主要積累在杯狀細胞和簇細胞中。不過，在通過血供面提供營養時，這些營養物質的吸收模式相似，沒有出現明顯的區域或細胞類型特異性。由此可見，兩種營養供應機制在營養物質的吸收模式上存在明顯差異。
研究人員推斷，營養物質吸收的差異賦予了小腸異質性的代謝環境，以支持不同細胞類型的特定功能。為此，他們采用了MALDI-MSI方法結合PAS/AB染色對空腸組織開展原位代謝分析，發現杯狀細胞表現出較高的谷氨酰胺積累，這與前面的研究結果一致。
那么，谷氨酰胺攝取是否在粘液分泌中發揮作用呢？利用不含谷氨酰胺（Gln）的食物喂養小鼠后，他們發現與對照組相比，Gln組的粘液分泌大大減少。這導致棲息在疏松粘液層的細菌數量顯著減少，而且小鼠更容易受到病原菌的侵襲。這些結果強調，通過進食攝取谷氨酰胺在促進杯狀細胞產生粘液方面發揮了關鍵作用。
營養供應模式調節小腸屏障的完整性
小腸上皮是一種結構嚴密的組織，需要精確調控的空間分區來發揮腸細胞的功能。研究人員在分析各組小鼠的單細胞RNA測序數據和腸道間質液的代謝組學數據后發現，在僅僅通過血供面提供營養時，真菌代謝產物細胞松弛素H（CyH）顯著增加，這種代謝產物能夠破壞肌動蛋白細胞骨架。
為了評估CyH與小腸屏障功能之間的相關性，他們采用靶向定量代謝組學方法來檢測腸道間質液中的CyH水平。在只有腸道外營養供應（也就是不吃飯只輸液）時，腸道間質液中的CyH含量顯著增加，同時小腸通透性也增加。利用抗真菌藥物處理后，CyH積累和屏障功能損傷都得到了恢復，表明真菌代謝產物在腸道外營養供應對屏障功能的調節中起著因果作用。
不吃早餐會誘導上皮細胞吸收脂質
最后，研究人員探討了營養物質剝奪如何誘導小腸營養吸收的動態適應。小鼠在不同時間的腸道外營養供應（0-24小時）后再攝入葡萄糖、膽固醇和谷氨酰胺。他們發現，在腸道外營養供應16小時后，通過腸腔面提供的營養物質（特別是脂質）在小腸中的吸收效率顯著提高（圖2）。這個結果讓他們想起了現在年輕人中比較常見的不吃早餐的現象。
為了模擬不吃早餐（BSF）的進食習慣，研究人員設計了一種自動的投喂裝置，將喂食時間限制在ZT16-ZT24，而對照組的喂食時間為ZT12-ZT24。10天后，他們發現在BSF組小鼠空腸上皮細胞內，編碼關鍵膽固醇轉運蛋白的Npc1l1基因表達水平顯著上升，編碼脂肪酸轉運蛋白的Fabp2基因表達水平也上升。有趣的是，模擬不吃午餐或不吃晚餐的喂食模式對Npc1l1上調的影響逐漸減弱（圖2），表明不吃早餐對營養吸收適應的影響更大。
之前的隊列研究發現，不吃早餐與心血管疾病的風險增加相關，但潛在機制仍不清楚。于是，研究人員使用了易患動脈粥樣硬化的載脂蛋白E基因敲除小鼠（Apoe-/-，由賽業生物提供），采用BSF或對照模式喂養10周。他們發現，BSF導致Npc1l1的上皮表達及其從細胞表面到細胞質區域的內吞作用急劇增加，表明小腸在BSF條件下對膽固醇的吸收增加。此外，BSF導致動脈粥樣硬化病灶面積顯著增加，病灶中積累了更多的脂質和膠原蛋白。
結論
總的來說，研究人員繪制了一張高分辨率的小腸雙向營養供應環境圖譜（圖3）。通過追蹤有代表性的營養素和分析特定區域的代謝活動，他們呈現了營養吸收的時空動態和細胞類型傾向性，以及絨毛內特定區域的代謝異質性。此外，他們還發現不吃早餐的后果比不吃午餐或晚餐更嚴重，特定窗口期缺乏腸內營養供應會導致脂質過度吸收，進而增加心血管疾病的風險。
原文檢索
Zhang et al., A two-front nutrient supply environment fuels small intestinal physiology through differential regulation of nutrient absorption and host defense, Cell (2024), https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.012
這種雙向的供應系統提供了一種獨特的營養環境，每種供應方式都對小腸的空間特化區域和細胞類型產生了不同的生理影響。之前的研究發現，營養物質進入小腸的“途徑”會產生局部和系統效應，但兩種途徑具體如何影響小腸生理學，目前還不清楚。
近日，浙江大學醫學院王迪教授團隊與浙江大學愛丁堡大學聯合學院劉琬璐團隊合作繪制了一張綜合的高分辨率圖譜，并生成了小腸雙向營養供應環境的多層調控網絡。此外，他們還發現不吃早餐會引發腸道對脂質的過度吸收，進而增加心血管疾病的風險。這項研究成果于2024年10月19日發表在《Cell》雜志上。
研究材料與方法
技術路線
設計三種小鼠喂養模式，利用多種技術繪制小腸的雙向營養供應圖譜
↓
追蹤宏量營養素在小腸絨毛內的時空分布，分析絨毛內特定區域的代謝異質性
↓
利用單細胞測序和代謝組學數據來分析營養供應模式對腸上皮細胞的調節作用
↓
探討營養物質剝奪如何誘導小腸營養吸收的動態適應，深入分析不吃早餐有何影響
↓
追蹤宏量營養素在小腸絨毛內的時空分布，分析絨毛內特定區域的代謝異質性
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利用單細胞測序和代謝組學數據來分析營養供應模式對腸上皮細胞的調節作用
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探討營養物質剝奪如何誘導小腸營養吸收的動態適應，深入分析不吃早餐有何影響
研究結果
從多個尺度描繪小腸中的雙向營養供應系統
為了全面研究雙向營養供應系統的影響，研究人員設計了三種小鼠喂養模式，分別是對照組小鼠（Sham），自由進食飼料并通過靜脈注射生理鹽水；腸外營養組小鼠（TPN），剝奪飼料并通過靜脈注射營養液；以及禁食組小鼠（Starvation），剝奪飼料并通過靜脈注射生理鹽水（圖1）。
他們發現，通過腸腔面提供營養，腸道會優先富集脂質和膽汁酸代謝物，而血供面營養供應則誘導碳水化合物和有機酸的積累。通過整合分析，他們發現腸腔面營養對脂質吸收和代謝、上皮屏障功能和激素分泌有影響。相比之下，血供面營養對細胞外基質組成、DNA合成和免疫調節有更大的影響。這些結果表明小腸的營養供應環境在許多方面存在顯著的異質性。
圖1. 描繪小腸中的雙向營養供應系統
兩種營養供應方式在營養物質的吸收上存在差異
接下來，研究人員以葡萄糖、膽固醇和谷氨酰胺為代表，重點研究了它們的腸道吸收。他們通過口服（腸腔面）或靜脈注射（血供面）的方式向小鼠體內注入了2-NBDG、Cy3-膽固醇和Cy5-谷氨酰胺，并利用熒光顯微鏡觀察了熒光標記的營養物質在小腸絨毛內的時空分布。
當營養物質通過腸腔面提供時，葡萄糖的吸收幾乎沿小腸絨毛均勻分布，而膽固醇的吸收則主要發生在絨毛頂端。令人驚訝的是，吸收的谷氨酰胺主要積累在杯狀細胞和簇細胞中。不過，在通過血供面提供營養時，這些營養物質的吸收模式相似，沒有出現明顯的區域或細胞類型特異性。由此可見，兩種營養供應機制在營養物質的吸收模式上存在明顯差異。
研究人員推斷，營養物質吸收的差異賦予了小腸異質性的代謝環境，以支持不同細胞類型的特定功能。為此，他們采用了MALDI-MSI方法結合PAS/AB染色對空腸組織開展原位代謝分析，發現杯狀細胞表現出較高的谷氨酰胺積累，這與前面的研究結果一致。
那么，谷氨酰胺攝取是否在粘液分泌中發揮作用呢？利用不含谷氨酰胺（Gln）的食物喂養小鼠后，他們發現與對照組相比，Gln組的粘液分泌大大減少。這導致棲息在疏松粘液層的細菌數量顯著減少，而且小鼠更容易受到病原菌的侵襲。這些結果強調，通過進食攝取谷氨酰胺在促進杯狀細胞產生粘液方面發揮了關鍵作用。
營養供應模式調節小腸屏障的完整性
小腸上皮是一種結構嚴密的組織，需要精確調控的空間分區來發揮腸細胞的功能。研究人員在分析各組小鼠的單細胞RNA測序數據和腸道間質液的代謝組學數據后發現，在僅僅通過血供面提供營養時，真菌代謝產物細胞松弛素H（CyH）顯著增加，這種代謝產物能夠破壞肌動蛋白細胞骨架。
為了評估CyH與小腸屏障功能之間的相關性，他們采用靶向定量代謝組學方法來檢測腸道間質液中的CyH水平。在只有腸道外營養供應（也就是不吃飯只輸液）時，腸道間質液中的CyH含量顯著增加，同時小腸通透性也增加。利用抗真菌藥物處理后，CyH積累和屏障功能損傷都得到了恢復，表明真菌代謝產物在腸道外營養供應對屏障功能的調節中起著因果作用。
不吃早餐會誘導上皮細胞吸收脂質
最后，研究人員探討了營養物質剝奪如何誘導小腸營養吸收的動態適應。小鼠在不同時間的腸道外營養供應（0-24小時）后再攝入葡萄糖、膽固醇和谷氨酰胺。他們發現，在腸道外營養供應16小時后，通過腸腔面提供的營養物質（特別是脂質）在小腸中的吸收效率顯著提高（圖2）。這個結果讓他們想起了現在年輕人中比較常見的不吃早餐的現象。
為了模擬不吃早餐（BSF）的進食習慣，研究人員設計了一種自動的投喂裝置，將喂食時間限制在ZT16-ZT24，而對照組的喂食時間為ZT12-ZT24。10天后，他們發現在BSF組小鼠空腸上皮細胞內，編碼關鍵膽固醇轉運蛋白的Npc1l1基因表達水平顯著上升，編碼脂肪酸轉運蛋白的Fabp2基因表達水平也上升。有趣的是，模擬不吃午餐或不吃晚餐的喂食模式對Npc1l1上調的影響逐漸減弱（圖2），表明不吃早餐對營養吸收適應的影響更大。
圖2. 特定時間窗口期缺乏腸內營養物質會擾亂小腸對脂質的吸收
之前的隊列研究發現，不吃早餐與心血管疾病的風險增加相關，但潛在機制仍不清楚。于是，研究人員使用了易患動脈粥樣硬化的載脂蛋白E基因敲除小鼠（Apoe-/-，由賽業生物提供），采用BSF或對照模式喂養10周。他們發現，BSF導致Npc1l1的上皮表達及其從細胞表面到細胞質區域的內吞作用急劇增加，表明小腸在BSF條件下對膽固醇的吸收增加。此外，BSF導致動脈粥樣硬化病灶面積顯著增加，病灶中積累了更多的脂質和膠原蛋白。
結論
總的來說，研究人員繪制了一張高分辨率的小腸雙向營養供應環境圖譜（圖3）。通過追蹤有代表性的營養素和分析特定區域的代謝活動，他們呈現了營養吸收的時空動態和細胞類型傾向性，以及絨毛內特定區域的代謝異質性。此外，他們還發現不吃早餐的后果比不吃午餐或晚餐更嚴重，特定窗口期缺乏腸內營養供應會導致脂質過度吸收，進而增加心血管疾病的風險。
原文檢索
Zhang et al., A two-front nutrient supply environment fuels small intestinal physiology through differential regulation of nutrient absorption and host defense, Cell (2024), https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.012
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