一项随机交叉喂养试验：对比膳食模式重塑肠道微生物功能并产生与心血管代谢标志物相关的多组学特征

主要作者与发表信息

本研究由澳大利亚纽卡斯尔大学的Jordan Stanford、Emily C. Hoedt、María Gómez-Martín、Erin D. Clarke、Kerith Duncanson、Tracy Burrows以及Clare E. Collins等人共同完成。研究发表于《Gut Microbes》期刊（2026年，第18卷，第1期，文章编号2685381）。

学术背景与研究目的

饮食是肠道微生物组（gut microbiome）组成和代谢功能的主要驱动因素，对宿主心血管代谢、免疫及神经健康具有深远影响。然而，对比性全膳食模式（whole-dietary patterns）对肠道微生物代谢能力及与之协同的宿主代谢特征的影响仍未完全阐明。现有证据多来自观察性研究和自由生活干预，受制于膳食依从性参差或仅关注单一食物/营养素，且以往研究多集中于微生物的分解代谢过程（如膳食底物发酵），而饮食对微生物合成代谢能力（包括必需氨基酸、核苷酸和维生素的生物合成）的影响尚缺乏充分探索。为弥补这些空白，本研究利用一项随机交叉喂养试验的数据，旨在确定为期两周的对比性膳食模式（健康澳大利亚饮食和典型澳大利亚饮食）是否能引起人群层面的、饮食特异性的肠道微生物组多样性、分类学组成和功能能力变化，同时探究饮食相关的微生物功能变化是否与血浆和尿液代谢物谱的相应变化协调一致。次要目标是考察个体多组学（multi-omic）响应的幅度是否与心血管代谢结局差异相关，并识别出膳食诱导的变化与心血管风险临床标志物变化轨迹同步的特定微生物功能和代谢物。

详细研究工作流程

本研究采用为期8周的随机交叉试验设计。在两周的导入期（run-in period）后，34名健康的澳大利亚成年人被随机分配接受两种为期两周的膳食干预——健康澳大利亚饮食（Healthy Australian Diet, HAD）和典型澳大利亚饮食（Typical Australian Diet, TAD），期间所有食物和选定饮料均由研究方提供。两种干预之间设有两周的洗脱期（washout），期间参与者恢复其习惯性饮食。HAD严格遵循澳大利亚膳食指南（Australian dietary guidelines），满足五大核心食物组的推荐摄入量和宏量营养素可接受分布范围；而TAD则根据澳大利亚2020-2021年食品表观消费数据设计，以反映人群平均消费水平，其特点是饱和脂肪、钠和游离糖摄入量较高，膳食纤维含量较低。两种干预期间提供的食物能量含量均与个体能量需求相匹配，以确保体重稳定。

粪便微生物组组成和功能通过鸟枪法宏基因组学（shotgun metagenomics）进行评估。DNA提取后，使用Illumina NovaSeq6000平台进行测序，每个样本目标深度为4Gb。对于分类学分析，使用MetaPhlAn4（v4.0.6）获得物种水平分辨率。功能分析则使用HUMAnN3（v3.8），将基因家族丰度比对至UniRef90数据库，并通过MetaCyc数据库映射至代谢通路（pathways），同时重组为KEGG直系同源群（KEGG Orthology, KOs）。血浆和尿液代谢物采用非靶向代谢组学（untargeted metabolomics）方法，通过超高效液相色谱-串联质谱（UPLC–MS/MS）进行分析。心血管代谢标志物包括血压、血浆脂质和血糖。统计分析方法严谨，采用2×2交叉线性混合效应模型（linear mixed-effects model, LMM）评估处理效应、周期和序列效应，并纳入年龄、性别和个体随机截距作为协变量。对于每特征分析，使用Benjamini-Hochberg方法控制错误发现率（false discovery rate, FDR）进行多重检验校正。多组学整合（multi-omic integration）利用mixomics软件包中的DIABLO（Data Integration Analysis for Biomarker discovery using Latent variable approaches for Omics studies）算法，将从KOs、血浆代谢物和尿液代谢物三个预测模块构建的组内变化分数（δ = 干预后减去基线）进行判别分析，以分类膳食处理；同时使用区块稀疏偏最小二乘（block sparse partial least squares, block.sPLS）回归来确定与心血管代谢健康反应（个体内差异-in-differences, DID）相关的多组学特征。

主要研究结果

在物种水平的α多样性（alpha diversity）上，HAD干预后，反映群落均匀度的Shannon、Simpson和Pielou指数均从基线显著下降，而TAD干预后未观察到明显变化，表明HAD导致了微生物群落均匀度降低或特定类群的优势度增加。在功能水平上，微生物组编码的通路多样性（Shannon、Simpson和观察到的特征数）在HAD后同样显著降低，TAD后无变化。组间比较证实，HAD后α多样性的降幅显著大于TAD。

物种水平的分类学响应相对温和且异质性高。在分析的298个物种中，仅有9个物种在两种饮食干预后显示出差异丰度。例如，产丁酸盐的Roseburia inulinivorans和黏蛋白降解菌Ruminococcus torques在TAD干预后增加幅度更大，而Flavonifractor plautii在TAD后丰度也更高，这可能反映了其对TAD中作为指示食物（indicator food）每日提供的黑巧克力的适应。

与分类学组成相比，微生物功能通路对膳食干预的反应更为强烈和一致。在对302个通路进行分析后，HAD干预后有96个功能通路丰度显著增加，7个减少；而TAD干预后未观察到显著变化。组间比较鉴定出105个通路的基线至干预后变化在两个饮食之间存在显著差异，其中99个在HAD后增加更多。这些主要在HAD后富集的通路集中于氨基酸生物合成（如L-缬氨酸、L-色氨酸），核苷酸生物合成，以及维生素和辅因子代谢（如硫胺素补救途径）。同时，复合碳水化合物利用和细胞壁/结构组分生物合成通路也在HAD后上调。相反，TAD后比较性增加的通路主要与脂质生物合成（如棕榈酸酯和不饱和脂肪酸合成）及简单底物利用（如糖酸降解）相关。这一模式表明，HAD促使微生物组的代谢机制向其合成代谢能力方向重构，以适应富含多种纤维和植物蛋白的底物环境，而TAD则引导微生物功能转向脂质相关过程。

多组学整合利用DIABLO模型，基于组内变化分数，成功实现了对HAD和TAD膳食响应的强烈判别（留出法准确率91.7%，置换检验p=0.005）。判别第一主成分（component 1）上，TAD与可可和咖啡因下游代谢产物——黄嘌呤代谢物（如可可碱、3,7-二甲基尿酸）在血浆和尿液中的强烈负负荷相关，这直接反映了TAD中每日提供的黑巧克力暴露。同时，醇脱氢酶（K18369）和苏氨酸合酶（K01733）等微生物功能基因在同成分上呈现正负荷，表明微生物代谢活动与饮食暴露信号协同变化。该成分还揭示了氨基酸和脂质代谢的协调变化，例如植物来源的色氨酸甜菜碱（tryptophan betaine）在HAD后共同增加。第二主成分则以外源性脂肪酸氧化的副产物（如己酰谷氨酰胺类结合物）与微生物碳水化合物转运基因为特征，提示饮食驱动的微生物底物利用变化可能影响宿主脂质代谢。

在探索多组学特征与个体心血管代谢反应差异的关联时，区块sPLS回归发现，77个特征与临床指标之间的关联通过了FDR校正。这些关联汇聚在三个不同模式上。首先，与胆固醇标志物相关的模式：微生物胆汁酸处理的产物——尿脱氧胆酸葡萄糖醛酸苷（deoxycholic acid glucuronide）与总胆固醇、非高密度脂蛋白（non-HDL）和低密度脂蛋白（LDL）胆固醇呈负相关；而微生物基因磷脂/胆固醇转运通透酶（K02066）和嘌呤核苷磷酸化酶（K03783）与相同脂质标志物呈正相关，提示微生物胆固醇处理的不同途径可能以相反方向影响宿主胆固醇。其次，横跨胆固醇和血压的标志物模式：尿牛磺氰胺（taurocyamine）与收缩压及胆固醇标志物正相关，而乙酰胍丁胺（acetylagmatine）则表现出反向关联，这符合微生物胆盐水解酶（bile salt hydrolase, BSH）活性介导的牛磺酸释放及胆汁酸信号影响胆固醇和血管生理的已知机制。第三，由血浆甘油二酯（diacylglycerol）主导的模式，与甘油三酯的关联效应最强，而缩醛磷脂（plasmalogen）与甘油三酯负相关，提示可能存在相反的脂质重塑过程。

结论、意义与研究亮点

本项随机交叉喂养试验的核心结论是，短期摄入营养学上相反的膳食模式与肠道微生物代谢功能的改变相关，且功能通路的响应比物种水平分类学更为一致。HAD与微生物多样性降低及生物合成通路富集相关，这一模式与膳食底物可用性驱动下的功能重构（functional reconfiguration）一致，而非简单的生态失调（dysbiosis）。通过整合多组学分析，研究识别出跨越微生物基因、血浆和尿液代谢物的膳食判别特征，并发现77个微生物基因和代谢物在经过多重校正后与血浆胆固醇、甘油三酯和血压的饮食间差异显著相关，这些关联汇聚于胆汁酸、牛磺酸和甘油二酯等生物学上合理的通路。

本研究的方法学亮点在于其采用了严格控制所有餐食的交叉设计，消除了个体间混杂和膳食依从性差异的影响。结果挑战了“高微生物多样性必然代表更健康肠道”的简化假设，并凸显了微生物合成代谢能力（如氨基酸和维生素生物合成）作为饮食响应敏感标志物的重要性。研究的科学价值在于，它利用直接测量的宏基因组功能谱与非靶向代谢组学相结合，为全膳食模式如何协调重塑宿主-微生物代谢交换提供了新证据，并识别出可能捕获个体饮食心血管代谢反应差异的多组学特征。尽管样本量有限，这些探索性发现为机制性随访研究提供了可检验的假设，例如肠道微生物BSH活性如何介导胆固醇和血压的个体化差异。在应用价值上，本研究提示整合微生物组-代谢组谱分析在个性化营养（personalized nutrition）策略开发中的潜力，但强调在转化为实践之前，必须在更大规模、独立且设计稳健的研究中进行复制。