原文出处：vandenBergFF,vanDalenD,HyojuSK,etal.Western-typedietinfluencesmortalityfromnecrotisingpancreatitisanddemonstratesacentralroleforbutyrate.Gut.;70:-.
研究背景
急性胰腺炎(acutepancreatitis，AP)的全球发病率为每年每10万人33.74例，并造成死亡1.6例。这些患者的血液、痰和胰腺组织样本中大肠杆菌、克雷伯氏菌属和肠球菌属类的细菌培养大多为阳性。先前的研究表明，肠道屏障通透性增加和肠道微生物群改变与感染并发症有关。因此，肠道菌群可能是感染坏死性胰腺炎的主要感染源。在这项研究中，作者假设肠道菌群组成和功能的改变可以预测急性坏死性胰腺炎(acutenecrotisingpancreatitis，ANP)的发生，并因摄入西式饮食(western-typediet，WD)而加重。
研究结果
1、在胰管中输注牛磺胆酸可诱导小鼠ANP
如图1A所示6周龄C57BL/6小鼠在WD或SD喂养28天后通过胰管注射牛磺胆酸诱导ANP。两组ANP小鼠（SD+ANP和WD+ANP组）的血清淀粉酶升高（图1B）、镜下局灶性胰腺坏死和肉眼可见的胰腺外脂肪坏死（图1C），均证实坏死性胰腺炎的发生。两组坏死组织学评分、坏死面积和感染程度相当（图1D）。但WD胰腺炎小鼠有64%的死亡率（9/14），而SD胰腺炎小鼠没有发生死亡（图1E），这和WD+ANP小鼠发生系统性感染有关（图1F、G）。
Figure1.WesterndietincreasesmortalityandinflammationinmicewithANP.2、培养结果证实WD+ANP小鼠有明显的系统性感染
对血液和胰腺组织进行培养，WD+ANP小鼠血革兰氏阳性和阴性菌培养阳性频率均明显增加（图2A），胰腺组织培养只有革兰氏阴性菌阳性率有统计学差异（图2B）。WD胰腺炎小鼠的血和胰腺组织革兰氏阴性菌菌落形成单位（colonyformingunits/mL，CFU/mL）明显更高（图2C、D）。粪肠球菌和大肠杆菌是分别是最多的革兰氏阳性和阴性菌种，值得注意的是SD胰腺炎大鼠中检测到乳酸杆菌（图2E、F）。
Figure2.CultureanalysisofbloodandpancreasinSD-fedandWD-fedANPmice.3、16SrRNA基因扩增子分析显示WD+ANP小鼠盲肠菌群多样性降低，大肠杆菌/志贺氏菌大量繁殖
与西式饮食喂养的正常小鼠（WD+VEH）以及SD+ANP相比，WD+ANP小鼠的盲肠内容物（CE-C）和盲肠组织（CE-T）的菌群组成有显著变化（图3A）。图3B结果表明，与SD+ANP小鼠相比，WD+ANP小鼠内容物和组织中菌群组成的α多样性(Shannon指数)显著降低，而WD+ANP组小鼠与WD+VEH组小鼠相比，α多样性无显著性差异，这表明盲肠菌群受到WD饮食的干扰，与牛磺胆酸钠的诱导无关。差异肠道菌群门类分析结果显示，WD+ANP组小鼠盲肠内容物和组织中变形菌门大量繁殖，但在SD+ANP组没有检测到（图3C）。大肠杆菌/志贺氏菌属是WD+ANP组小鼠盲肠内容物和组织中最丰富的（图3D、E）。
Figure3.Compositional(16SrRNAgene)analysisoftheintestinalmicrobiotaofacutenecrotisingpancreatitis(ANP)mice.4、WD+ANP小鼠盲肠菌群的功能紊乱
作者利用表型芯片分析进一步探究了盲肠菌群使用碳源的能力。与基于16SrRNA的数据一致，WD+ANP小鼠肠道菌群在有氧条件下呼吸代谢加速（图4A）。当按照生存与否进行分层后发现，死亡小鼠的盲肠菌群总体呼吸代谢显著增加。值得注意的是，与存活小鼠相比，死亡小鼠盲肠菌群在碳水化合物（萝卜糖、N-乙酰神经氨酸、肌醇、葡萄糖6-磷酸、果胶）、碳水化合物衍生物（L-半乳酸内酸、葡萄糖醛酸、苹果酸、乳酸和L-苹果酸）和氨基酸（D-丝氨酸、L-脯氨酸、L-精氨酸、L-天冬氨酸、L-组氨酸和L-丝氨酸）方面呼吸代谢显著增加（图4B）。随后，作者通过非靶向代谢组学分析，探究了有氧盲肠菌群代谢活性增加对管腔代谢谱的影响。49种代谢物在四组间存在差异分布（图4C）。未处理组（SD和WD）和处理组（SD+ANP和WD+ANP）的代谢组存在显著差异（图4D）。与SD+ANP组相比，WD+ANP小鼠盲肠内主要耗竭碳水化合物（D-阿洛糖、D-来苏糖、甲基-葡萄糖醛苷）并富集长链脂肪酸（油酸、油酸甲酯和棕榈油酸）（图4E）。
此外，短链脂肪酸SCFAs的靶向代谢组学分析显示，与SD胰腺炎小鼠相比，WD胰腺炎小鼠的盲肠乙酸和丁酸显著减少（图5A-C）。总之，WD+ANP小鼠由于盲肠腔内和粘膜组织中大肠杆菌的大量繁殖引起全身感染而处于高致死风险中。盲肠菌群的组成和功能发生了深刻的变化，其特征是丁酸盐、氨基酸和碳水化合物显著减少。
Figure4.Phenotypicmicroarrayanduntargetedmetabolomicsanalysisofintestinalmicrobiotaofacutenecrotisingpancreatitis(ANP)mice.Figure5.Short-chainfattyacidsinthececumofANPmice.5、抗生素治疗消除WD胰腺炎小鼠肠道中大肠杆菌可以降低死亡率
为了证明与ANP相关的致命性感染是由胃肠道细菌引起的，小鼠口服不可吸收抗生素(新霉素和多粘菌素B)每天两次，连续5天，以消除肠道革兰氏阴性细菌(图6A)。抗生素处理WD+ANP小鼠死亡率由64%降至17%，盲肠组织中大肠杆菌/志贺氏菌丰度显著减少（图6B、C）。血中也未培养出革兰氏阴性菌（图6D、E）。
Figure6.EscherichiacoliisamajorcontributortomortalityinWestern-typediet(WD)+acutenecrotisingpancreatitis(ANP)mice.6、粪便菌群移植(faecalmicrobiotatransplants，FMT)增加了ANP小鼠的死亡率和细菌播散
为了研究FMT对本实验模型动物死亡率的作用，作者从健康小鼠排出的粪便中提取粪便菌群。初步实验的结果表明，FMT增加了死亡率。为了证实这一点，作者建立了一个低致死性的ANP模型（将ANP诱导前WD喂养的天数减少到14天）。在建模后的1、24和48小时，通过口服灌胃给予FMT或无菌粪便滤液(sterilefaecalfiltrate，SFF)，并在术后72小时内监测生存情况(图7A)。与接受SFF处理的小鼠相比，接受FMT处理的胰腺炎小鼠死亡率显著增加(图7B)。FMT处理的细菌易位增加，表现为胰腺组织培养物的总CFU增加，革兰氏阴性和革兰氏阳性致病菌的阳性率增加(图7C、D)。与之前的实验相比发现胰腺组织中主要病原体发生了变化，SFF组主要是大肠杆菌，而FMT组是粪肠杆菌(图7E)。Figure7.Faecalmicrobialtransplant(FMT)inmicefollowingacutenecrotisingpancreatitis(ANP)exacerbatesbacterialdisseminationandworsenssurvival.7、口服和腹腔内注射丁酸盐可降低ANP小鼠的死亡率和大肠杆菌的播散
之前的实验证实WD+ANP组小鼠肠道丁酸盐减少。丁酸是肠道菌群的代谢物，是结肠细胞的关键碳源。有研究证明丁酸盐通过调节紧密连接来增强肠道屏障。因此作者通过饮用水或直接腹腔注射丁酸盐进行补充（图8A）。口服和注射给药均显著增加了WD胰腺炎小鼠的生存率（图8B）。两种丁酸盐补充方式都降低了血清内毒素水平（图8C）和血液中革兰氏阴性细菌的播散（图8D），但只有口服补充丁酸盐才能预防大肠杆菌的胰腺感染（图8E）。ANP小鼠肠道组织细胞旁紧密连接相关基因表达减弱（CLDN1、OCDN、CHD1），而口服丁酸盐处理CLDN1和CHD1显著增加（图8F）。16SrRNA分析表明，口服丁酸盐将盲肠菌群组成向WD+VEH组转变，完全阻止变形菌门在盲肠腔和组织中定植（图8G），特别是大肠杆菌/志贺氏菌。
Figure8.OralandsystemicbutyratesupplementationreducesmortalityandbacterialdisseminationinWestern-typediet(WD)+acutenecrotisingpancreatitis(ANP)mice.8、胰腺炎患者的变形菌门和大肠杆菌/志贺氏菌和链球菌属增加，同时产丁酸菌株减少
作者在AP患者中对上述实验结果进行了验证。纳入15例健康志愿者(HV)和35例AP患者，分析粪便样本。变形菌门在胰腺炎患者中出现的频率比HV增加了13倍(图9A、B)。在属水平上，大肠杆菌/志贺氏菌(图9C、D)和链球菌（图9E）分别增加了倍和10倍。与对照组相比，AP患者产丁酸盐菌株显著减少（图9F）。
Figure9.16SrRNAanalysisofhumansamples.研究结论
（1）高脂低纤维的西方饮食（WD）导致小鼠肠道菌群失调、增加肠道大肠杆菌等致病菌的播散并减少结肠内短链脂肪酸的含量，使ANP小鼠死亡率明显增加；（2）补充丁酸能有效改善存活率，但粪便菌群移植FMT并不具备这种疗效；（3）益生元（如丁酸）的补充可能是临床预防或者治疗ANP患者的合理策略。校对：张涤非
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