HFD通过诱导小鼠肠道微生物失调、代谢改变和肠道上皮屏障功能受损来推动结直肠癌的发生
编译：微科盟牛魔王，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。
方法：在偶氮甲烷（AOM）和Apcmin/+结直肠癌模型的小鼠中，将高脂肪饮食（HFD）或对照饮食(CD)饲喂给同窝小鼠，同时使用或者不使用抗生素鸡尾酒治疗。然后使用粪便菌群移植的无菌小鼠进行验证并通过宏基因组测序和高效液相色谱-质谱分别检测肠道微生物群和代谢物。最后通过脂多糖(LPS)水平和透射电镜测定肠道屏障功能。
结论：HFD通过诱导小鼠肠道微生物失调、LPA升高的代谢紊乱和肠道屏障功能障碍来促进结直肠癌的发生。
论文ID
原名：High-FatDietPromotesColorectalTumorigenesisthroughModulatingGutMicrobiotaandMetabolites
译名：高脂肪饮食通过调节肠道微生物群和代谢物促进结直肠癌发生
期刊：Gastroenterology
IF：22.682
通讯作者：于君
通讯作者单位：香港中文大学
DOI号：10.1053/j.gastro.2021.08.041
实验设计
结果
为了研究HFD在结直肠肿瘤发生中的作用，我们用HFD或CD喂养经AOM处理的常规雄性C57BL/6小鼠，同时进行或不进行定期抗生素鸡尾酒治疗(图1A)。在取样前进行小鼠结肠镜检查，饲喂HFD的小鼠出现肉眼可见的肿瘤，但饲喂CD或用抗生素治疗的HFD喂养的小鼠没有观察到明显的肿瘤(图1B)。取样时，饲喂HFD的小鼠的体重和脂肪量均高于饲喂CD的小鼠(P<0.0001)，然而服用抗生素引起肠道微生物群减少的HFD喂养的小鼠，其体重和脂肪量没有影响(图1C)。饲喂HFD的小鼠的结直肠癌数量和体积也明显大于饲喂CD的小鼠(均为P<0.05；图1D)。结肠切片的组织学检查(图1E)证实，与饲喂CD的小鼠相比，饲喂HFD的小鼠发生腺癌、高度和低度异长增生的比例更高(P<0.05；图1E)。饲喂HFD的小鼠结肠切片显示Ki-67阳性细胞明显增多，表明HFD喂养的小鼠细胞增殖增加(P<0.01；图1F)。然而，饲喂HFD的小鼠肠道微生物群被抗生素消耗后，结肠癌的数量和体积都显著减少(均为P<0.01；图1D)，但饲喂CD的小鼠没有显著减少(附图1)。结肠切片的组织学检查(图1E)证实，服用抗生素的HFD组小鼠的腺癌、高度和低度异常增生的比例低于未服用抗生素的HFD组(P<0.01；图1E)，同时Ki-67阳性细胞显著减少(P<0.05；图1F)。
图2.在Apcmin/+小鼠模型中，HFD依赖于肠道微生物群促进CRC发展。(A)Apcmin/+小鼠模型饮食和抗生素治疗的实验设计。(B)第20周结肠镜检查的典型图像。(C）CD喂养、HFD喂养和Abx处理的HFD喂养的Apcmin/+小鼠在处死前的体重和脂肪量。(D)CD喂养、HFD喂养和Abx处理的HFD喂养小鼠处死前的结直肠肿瘤数量和肿瘤体积的代表性图像。(E)HE染色对小鼠结直肠的病理诊断。病理评分按以下标准定量分析:正常0分;1为LGD;2为HGD;3为癌症。(F)小鼠结直肠免疫组化染色，定量分析Ki-67指数。AOM，偶氮甲烷;CRC，结直肠癌；CD，控制饮食；HFD，高脂肪饮食；Abx，抗生素；HE，苏木精和伊红;LGD,低度发育不良;HGD，高度发育不良;IHC,免疫化学。
为了进一步验证HFD调节的微生物群对结直肠肿瘤发生的影响，我们将HFD喂养的小鼠的粪便样本转移到用AOM处理的无菌小鼠(图4A)。粪便微生物群移植没有改变AOM处理的无菌小鼠的体重和脂肪量(补充图4A)。用HFD喂养的小鼠的粪便样品灌胃的无菌小鼠与灌胃PBS的AOM处理的无菌小鼠相比(图4B)，另枝菌属显著富集(P<0.001，补充图4B)，结直肠肿瘤的数量增多(P<0.01)以及肿瘤的体积增大(P<0.05)。结直肠肿瘤经组织学证实为低度异常增生(图4C)。与此相一致的是，AOM处理的HFD喂养的小鼠（HFD-FMT-AOM）结肠组织中Ki-67阳性细胞较对照组AOM处理的小鼠明显增多(P<0.05；图4D)。此外，与对照组小鼠相比，灌胃HFD小鼠粪便标本的小鼠结直肠组织中E-cadherin和Claudin-3的表达明显减少(E-cadherin和Claudin-3分别为P<0.05和P<0.01；图4E)。同样，E-cadherin和Claudin-3蛋白在HFD-FMT-AOM小鼠中被分解，但在对照AOM小鼠的结肠上皮细胞膜上易表达(E-cadherin和Claudin-3分别为P<0.01和P<0.05；图4F)。综上所述，这些结果表明，HFD调节的肠道微生物群通过损害肠道屏障功能促进了结直肠肿瘤的发生。
为了揭示由HFD诱发的代谢变化，我们对用AOM处理的CD喂养的小鼠，HFD喂养的小鼠和抗生素治疗的HFD喂养的小鼠的粪便样品进行代谢谱分析。根据无监督PCA分析和PLS判别监督分析（PLS-DA），发现膳食脂肪摄入和抗生素治疗的肠道代谢物显著不同（图5A）。与CD喂养的小鼠相比，在HFD喂养的小鼠中鉴定出差异的代谢物（图5B，补充表4）。其中，包括溶血磷脂酰胆碱（LPC）和溶血磷脂酸（LPA）（LPC的下游代谢物）在内的甘油磷脂都是HFD喂养小鼠中上调最多的异常代谢物（图5B，补充图5）。与CD喂养的小鼠相比，HFD喂养的小鼠中上调的代谢物富含不同的代谢组学信号传导途径。在这些途径中，甘油磷脂代谢是喂养HFD的小鼠中改变的主要途径（图5C）。另一方面，与HFD喂养的小鼠相比，抗生素治疗的HFD喂养小鼠中肠道微生物群的减少显著恢复了已改变的代谢物（图5D，补充表5），LPA和LPC水平降低（图5D，补充图5）。同样地，肠道微生物群的消耗减少了包括甘油磷脂代谢在内的途径（图5E）。
为了评估HFD调节的肠道微生物群和代谢产物对肠道细胞增殖和致瘤性转化的直接影响，用HFD喂养的小鼠(HFD-FMT)和CD喂养的小鼠(CD-FMT)的粪便灌胃无菌小鼠。所有这些无菌小鼠都喂以正常的食物，在实验过程中没有任何干扰(图7A)。与CD-FMT小鼠相比，HFD-FMT小鼠的体重和脂肪量没有差异(补充图7)。与CD-FMT小鼠相比，HFD-FMT小鼠粪便可促进结肠细胞显著增殖，Ki-67阳性细胞增多(P<0.01；图7B)，PCNA蛋白表达增多(P<0.05；图7C)。为了从机制上了解HFD调控的肠道微生物群/代谢物如何促进结直肠增殖，利用MouseCancerPathwayFinderPCRArray检测了HFD-FMT小鼠结直肠组织的基因表达谱，发现HFD-FMT小鼠与CD-FMT小鼠相比，癌基因上调和抑癌基因下调，这些基因主要参与调控细胞增殖(CCND2，McM2，Mki67)、上皮细胞-间充质转化(GSC)、缺氧信号转导(EPO)的表达（图7D）。
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