肥胖是威胁人类健康的主要疾病之一,发病率呈逐年上升趋势。深入探讨肥胖的发病机制,并制定有效的防治策略,具有重要的现实意义。人体共生的肠道菌群在维持机体正常的代谢、消化和免疫功能等方面具有不可替代的作用。肠道菌群紊乱与肥胖、糖尿病、心血管疾病和神经退行性疾病密切相关。肠道菌群具有一定的可塑性,而膳食是影响和改变肠道菌群的结构和功能最重要的因素。高脂膳食诱导下肠道菌群紊乱,革兰氏阴性菌增多,肠道通透性增加,导致大量脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)入血,甚至细菌入血出现细菌易位(Bacterial Translocation)现象,形成代谢性内毒素血症(Metabolic Endotoxemia),促发全身低度慢性炎症反应(Chronic Low-grade Inflammation),最终导致胰岛素抵抗和肥胖等症状。因此,肠道菌群被认为可能是在膳食与人体自身基因的相互作用下导致疾病发生的重要环节,而以肠道菌群为靶点的膳食营养干预受到越来越多的关注。辣椒素(Capsaicin,CAP)是辣椒中含有的生物碱类植物化合物,具有调节能量代谢、调节血脂、抗炎、增强胰岛素敏感性等生物学效应。然而以往评价辣椒素对人群控制、改善胰岛素抵抗以及降低体内炎症等方面的研究较少,且结果不一。此外,辣椒素对环境中存在致病性细菌有抑制作用,而促进乳酸杆菌等有益菌的生长。通过培养皿培养法发现辣椒素可影响大肠杆菌、乳杆菌属和双歧杆菌属的生长;通过q PCR分析发现辣椒素可以增加大鼠肠道细菌Prevotella、Lactobacillus和Akkermansia相对丰度。然而关于辣椒素对于肠道菌群的作用研究多停留在传统的体外培养和q PCR等技术方法,远远不能深入了解辣椒素引起肠道菌群的真实变化情况,而辣椒素引起的肠道菌群变化又是如何影响其代谢调节作用,具体作用机制也有待于进一步探讨。基于上述研究背景,我们提出“辣椒素通过重塑肠道菌群进而发挥其代谢调节作用”的研究假说。本课题首先开展了为期6周的膳全膳食人群干预研究,应用当前流行的16S r RNA基因测序技术结合多元统计分析,深入分析辣椒素对人体肠道菌群的影响,以及肠道菌群在辣椒素发挥健康代谢调节中的作用。然后通过高脂膳食诱导肥胖小鼠模型,利用无菌小鼠(Germ Free mice)技术平台和广谱抗生素清除等实验方法,进一步探讨肠道菌群在辣椒素发挥改善炎症状态、增强胰岛素敏感性以及降低体脂等健康效应中的作用及因果关系。本研究的主要实验结果和结论如下:(1)不同肠型人群对膳食辣椒素表现出差异性应答效应本研究通过全膳食人群干预发现辣椒素可促进体内ghrelin、GIP和GLP-1等胃肠激素的分泌;通过16S r RNA基因测序发现经过10mg/d的膳食辣椒素干预2周后,人群肠道产丁酸细菌Faecalibacteria的相对丰度增加(P<0.05);此外。本研究中人群在肠道菌群属水平上可分为Bacteriodes(E1)和Prevotella(E2)两种肠型,而E1亚型人群在5或10mg/d膳食辣椒素期下呈现出更好的代谢调节效应。(2)膳食辣椒素通过改善肠道屏障功能进而预防肥胖的发生发展高脂膳食诱导肥胖小鼠肠道屏障连接蛋白ZO-1和Occludin基因表达下降,肠道通透性增加,同时伴随较高的血浆LPS水平、体内慢性炎症水平、体内糖耐量受损等症状;高脂膳食补充辣椒素后可增加肠道屏障连接蛋白ZO-1和Occludin基因和降低肠道通透性,降低血浆LPS水平、改善体内慢性炎症水平、体内糖耐量受损情况,以及降低体重等代谢调节作用。(3)膳食辣椒素通过重塑肠道菌群发挥其健康代谢调节作用膳食辣椒素可显著增加小鼠肠道中产SCFAs细菌Lachnospiraceae和Ruminococcaceae的相对丰度,降低肥胖小鼠肠道菌群中高丰度S24-7以及Lipopolysaccharide biosynthesis的相关功能。通过广谱抗生素干预后发现辣椒素带来的健康代谢调节作用减弱,而利用无菌小鼠技术,发现辣椒素的代谢调节效应可以通过菌群移植方式,传递到子代小鼠。结果表明肠道菌群是辣椒素发挥健康代谢效应的关键靶点。(4)内源性大麻素系统参与膳食辣椒素对肠道屏障功能的改善膳食辣椒素可显著增加结肠大麻素受体1(Cannabinoid receptor type 1,CB1)的表达。应用CB1激动剂可阻止膳食辣椒素带来的代谢调节效应,重新诱导小鼠出现肠道屏障连接蛋白ZO-1和Occludin基因表达下降、肠道通透性增加、血浆LPS水平升高、体内慢性炎症,糖耐量受损情况以及体重增加等肥胖表型。结果表明抑制CB1是肠道菌群介导的辣椒素发挥减肥等健康代谢效应中的重要机制。综上所述,本课题通过全膳食人群干预试验,首次发现膳食辣椒素可影响人体肠道菌群的组成,人群肠型的差异是导致膳食辣椒素干预效果的不同的原因之一。通过16S r RNA基因测序发现辣椒素可影响肠道菌群的组成,增加产SCFAs细菌,降低革兰氏阴性菌(S24-7)以及LPS合成功能;采用广谱抗生素干预和菌群移植实验进一步证实了肠道菌群是膳食辣椒素发挥减肥等健康代谢调节作用的重要靶点,而抑制CB1则是其中的重要机制。本课题从人群和动物水平上深入系统研究了肠道菌群在膳食辣椒素发挥健康代谢效应的作用和机制,为个性化膳食辣椒素干预提供了重要实验依据。