摘要
减肥手术，例如Roux-en-Y胃旁路术（RYGB）和袖状胃切除术（SG），可以改善肥胖和2型糖尿病（T2D）症状。这两种手术都会影响肠道微生物群，但其对T2D缓解的贡献尚不明确。在本次随机对照Oseberg试验（NCT01778738）的子分析中（RYGB组，n=39；SG组，n=38），参与者接受了RYGB或SG手术，我们对肥胖和T2D患者的粪便微生物组在手术前和术后12个月进行了分析。我们发现，两种手术都以相似的方向改变了微生物组，但RYGB后的变化更为显著。与SG相关的微生物组改变与循环胰高血糖素样肽1水平、β细胞功能以及5年T2D缓解呈正相关。缓解还与基因丰富度增加以及发酵、甲烷生成和丁酸盐产生的代谢潜力增加相关。值得注意的是，即使考虑体重减轻程度后，这些关联仍然存在。我们的发现表明，手术特定的微生物适应影响了代谢改善，可能有助于解释减肥手术后T2D缓解的异质性。
正文
减肥手术是治疗严重肥胖及相关合并症（如2型糖尿病）的有效方法。然而，不同手术方式后个体的长期体重减轻存在异质性，而T2D缓解背后的代谢改善仅部分可以通过体重减轻来解释。肠道微生物群（肠道中微生物的统称）在手术后发生改变，据建议这可能对宿主的代谢改善有所贡献。肠道微生物群发酵难以消化的饮食成分，产生代谢物（例如短链脂肪酸），为宿主提供能量并作为信号分子发挥作用。在肥胖和T2D患者肠道微生物群中，细菌基因丰富度和SCFA产生细菌（尤其是丁酸盐产生菌）有所减少。因此，基因丰富度和SCFA产生细菌丰度的增加与代谢健康相关，同时也与T2D患者在饮食干预后改善的血糖控制相关。此外，SCFAs和丁酸盐生物合成途径已与胰岛素分泌、餐后血糖反应和T2D风险建立了因果联系。因此，这些特征可能代表了与T2D管理相关的减肥手术结果的微生物贡献。
手术类型似乎会影响减肥手术后代谢改善的程度。在一项患者、主治医师和统计学家均对术式不知情的随机临床试验中（Oseberg研究），我们发现RYGB在体重减轻和T2D缓解方面优于SG，效果可持续到术后5年。这两种手术在解剖学上的重组存在显著差异，可能导致之前在比较RYGB和SG时观察到的微生物组改变差异。然而，这些早期研究的设计并非为了研究不同手术对肠道微生物群的影响及其与T2D缓解的潜在联系。
为研究RYGB和SG对微生物组的影响，并评估这些手术引起的改变是否与T2D缓解相关，我们对Oseberg研究中77名肥胖和T2D患者进行了微生物组分析。微生物组分析通过全基因组测序在基线和术后12个月进行。
在本研究中，我们分析了来自Oseberg随机对照试验的微生物组，该试验有77名肥胖合并T2D患者提供了术前和术后12个月的粪便样本。基线临床特征在随机分配到两种手术的个体间没有差异。
两种手术术后12个月均导致显著的体重减轻和代谢健康改善，但组间改善程度存在差异。与SG组相比，RYGB组的参与者体重减轻更多，脂肪质量、低密度脂蛋白和总胆固醇水平降低更多。此外，我们观察到RYGB后空腹血糖降低更显著，胰岛素分泌（β细胞葡萄糖敏感性）、胰岛素敏感性改善更大，口服葡萄糖负荷后循环胰高血糖素样肽1水平更高。SG和RYGB后胰岛素敏感性和葡萄糖负荷的急性胰岛素反应均改善，但这些改善在组间无差异。与更大的代谢指标改善一致，RYGB术后12个月的T2D缓解率高于SG（74%比52%；逻辑回归，P=0.046）。总体而言，这些结果表明RYGB后更好的代谢改善可能涉及额外的胃肠道机制，如肠促胰岛素效应。
我们分析了全基因组宏基因组数据，以确定减肥手术后肠道微生物群如何变化，以及与T2D缓解的关系。与早期研究一致，两种手术后肠道微生物群基因丰富度均增加，但在术后12个月T2D缓解的个体中增加更大。
RYGB后12个月的肠道微生物群组成与SG后的组成在前两个主坐标上一致，表明两种手术对整体组成的相似影响。然而，RYGB解释了5.3%的肠道微生物群组成变异，而SG仅解释1.9%，且RYGB的更大影响在调整体重减轻后仍显著（R²=0.03，P=0.001）。
RYGB后样本间的Bray-Curtis相异度较低，表明RYGB后组成更加同质。然而，手术后12个月的样本间差异仍大于从基线起的个体内变异，这表明减肥手术的影响小于个体间变异，且肠道微生物群在手术后仍保持个体化，正如在未进行手术干预的个体中观察到的那样。
使用采样时间作为约束变量的肠道微生物群组成分析显示，手术解释了2.5%的总体组成变异。RYGB引起的变化基于约束排序的第一成分（CAP1）大于SG后的变化，即使在调整体重减轻后也是如此，且在RYGB后更加同质。在SG后，12个月微生物群组成与基线基因丰富度和基线血红蛋白A1c、空腹血糖和碳水化合物摄入相关，而在RYGB随机分组的参与者中则不然。在SG中，基线基因丰富度与12个月后更高的基因丰富度以及更大的CAP1相关，而在RYGB参与者中仅与胰岛素分泌（BGS）正相关。
RYGB和SG都影响了肠道微生物物种的丰度。RYGB后显著增加的物种包括丰度较高但未经表征的厚壁菌门（仅通过宏基因组组装的基因组所知），以及Alistipes spp.、Streptococcus spp.、Akkermansia spp.和Lachnospira eligens（先前称为Eubacterium eligens）。RYGB和SG后显著减少的物种包括与肠道炎症、代谢综合征和T2D相关的M. torques和R. gnavus，以及已知代谢复杂碳水化合物的物种，如Bacteroides spp.和Blautia wexlerae。
与SG相比，RYGB导致微生物群更大幅度的组成变化和更同质的肠道微生物群。RYGB解释了5.3%的肠道微生物群组成变异（P=0.0001），而SG仅解释1.9%（P=0.045）。
RYGB后12个月的样本间Bray-Curtis相异度低于基线和SG组，表明RYGB后组成更加同质。
使用采样时间作为约束变量分析显示，手术解释了2.5%的总体组成变异（P=1×10^-4）。基于约束排序第一成分（CAP1）的手术引起变化在RYGB后大于SG后，即使在调整体重减轻后也是如此。
在SG中，CAP1与12个月后的基因丰富度、BGS和GLP-1反应呈正相关，特别是在SG后。12个月时基因丰富度与空腹血糖和HbA1c在全队列中呈负相关，与C反应蛋白（CRP）在RYGB参与者中呈负相关。与全队列中12个月GLP-1反应呈正相关。
总体而言，12个月后具有特定肠道微生物群组成（以高CAP1表示）和高基因丰富度的个体，更可能具有更受控的葡萄糖代谢、基线时高基因丰富度，以及餐后GLP-1反应和β细胞功能更高，血糖控制更好的代谢状态。在大多数情况下，SG随机分组的个体中的相关性更强。
RYGB后，更多物种在丰度上显著变化（39名参与者中有48个物种），而SG后变化较少（38名参与者中有14个物种）。RYGB后显著增加的物种包括丰度高但未经表征的厚壁菌门，以及Alistipes、Christensenella minuta和丁酸盐产生菌Anaerobutyricum soehngenii。而丁酸盐产生菌Fecalibacterium clade D和Anaerostipes spp.以及碳水化合物降解菌Bifidobacterium和Bacteroides spp.的丰度在RYGB后减少。
SG后显著改变的物种较少。这些包括最近描述的Gemmiger物种，以及最近分离的不产蛋白酶的丁酸盐产生菌Eisenbergiella tayi。
与12个月后两组间相似的微生物群组成一致，大多数物种的丰度与CAP1相关，与基因丰富度无关手术类型。只有两个在两种手术后均显著变化的物种变化方向不同：RYGB后增加，SG后减少；这些属于埃希氏菌属，其12个月丰度与RYGB后CAP1相关。
通过使用KEGG直系同源物（KOs），我们观察到微生物组功能潜力在RYGB后显著改变（KOs的置换多元方差分析，R²=0.027，P=0.0302），但SG后没有（R²=0.021，P=0.0920）。我们还观察到术后12个月的功能潜力在手术类型间存在显著差异（R²=0.026，P=0.0325）。为评估SG后功能改变不显著是否因该组异质性，我们在SG中实现T2D缓解的参与者中重复分析。在此亚组中，功能改变更大且接近显著（n=40，R²=0.043，P=0.055）。同样，当排除SG中体重减轻少于10kg的参与者时，观察到显著功能改变（n=66，R²=0.029，P=0.044）。因此，SG后的功能改变主要发生在代谢改善更大的个体中，但SG组中体重减轻和T2D缓解的异质性稀释了总体信号。
我们确定了与减肥手术后长期T2D缓解相关的肠道微生物群特征。所有患者体重减轻程度不同，但主要微生物群变化（CAP1）与体重减轻程度无关。我们发现T2D患者的胰岛素分泌和GLP-1反应与特定肠道微生物群配置相关，由CAP1表示。此外，基线时与CAP1正相关的特征丰度也预测5年缓解。这些结果支持肠道微生物群异质性影响代谢状态和治疗反应（包括减肥手术）的假设。
宏基因组研究显示RYGB和SG以共享和手术特定方式改变肠道微生物群。总体而言，这些研究报道RYGB后微生物群变化更大。我们观察到SG后微生物群组成更加异质，这由术后12个月该手术程序后观察到的CAP1范围大所表明。然而，较高的CAP1与SG术后12个月更高的胰岛素分泌（BGS）和肠促胰岛素反应（循环GLP-1）相关，并与5年T2D缓解相关。重要的是，术后饮食摄入差异并不能解释这种变化。
微生物群实现此配置的能力也与基线葡萄糖代谢（例如HbA1c和空腹血糖）和肠道微生物群基因丰富度相关，与先前观察一致。此外，微生物特征，包括Christensenellales和Alistipes spp.，以及丁酸盐产生途径ato和4hbt与糖尿病缓解相关，与4hbt途径与葡萄糖挑战后胰岛素分泌的因果联系一致。
RYGB后，更大的、更一致的微生物群变化在参与者间观察到，导致个体间变化有限，与代谢参数的相关性较少。这表明其他因素可能影响RYGB后的缓解，包括T2D持续时间。
据报道，减肥手术增加了宿主黏蛋白降解，可能反映了Akkermansia spp.的增加。然而，黏液溶解促炎细菌R. gnavus的丰度在手术后减少，该细菌与代谢综合征特征、低基因丰富度和炎症性肠病相关。基于我们的网络分析，R. gnavus丰度在12个月后具有高CAP1的微生物群中较低，并在RYGB和SG后与胰岛素分泌（BGS）负相关，表明无论手术类型如何，可能与改善β细胞功能共享微生物群相关联系。
功能潜力分析显示，术后12个月的肠道微生物群更具发酵性，产乙酸能力在SG后、产丙酸能力在RYGB后、产丁酸能力在任何手术后均增加。与发酵潜力增加一致，甲烷生成（消耗氢气，厌氧发酵的主要产物）在RYGB和SG后均增加。甲烷生成由肠道中M. smithii驱动，与瘦表型和代谢健康相关，也与禁食和慢转运时间相关。在我们的研究中，甲烷生成与高基因丰富度和高CAP1相关，特别是在SG后，与先前研究一致。甲烷生成与T2D缓解相关，表明甲烷生成在RYGB和SG后促进发酵代谢和T2D缓解中起作用。
在RYGB中，我们观察到埃希氏菌属丰度和有氧呼吸代谢途径增加。这些特征在RYGB中与高CAP1和T2D缓解相关，与蛋白质发酵和厌氧脂肪酸代谢一起，与先前报道一致。RYGB和SG加速胃排空和肠转运，但RYGB的解剖重组更为广泛，影响胆汁酸循环和营养物质传递，可能导致肠道环境的更复杂生态重建和管腔氧化还原平衡改变。RYGB中埃希氏菌属增加可能反映了这一点，有氧呼吸可能导致能量消耗，先前报道显示RYGB后埃希氏菌属增加与脂肪质量减少相关。
发酵产物定量结合纵向数据和微生物组功能分析显示，SCFA生产潜力增加，但这些代谢物的粪便水平在手术后下降。与此结果一致，其他研究表明SCFA生产潜力与粪便丁酸水平无相关性。我们的结果表明术后SCFA利用增加，可能是由宿主消耗（可能与降低炎症和增加GLP-1相关），或微生物交叉喂养，正如描述的肠道细菌消耗乙酸和乳酸用于丁酸盐生产。
SCFA在粪便中的积累可能反映宿主的当前代谢状态，因此，粪便SCFA水平升高在肥胖和代谢综合征特征中与风险因素相关。在肥胖中发现的粪便丙酸增加与T2D风险增加因果相关。我们观察到，仅在T2D缓解的个体中，粪便丙酸和丁酸减少，驱动BCFA/SCFA比值增加，且BCFA/SCFA与SG中的缓解相关。因此，测量粪便BCFA/SCFA比值可能有助于追踪与代谢健康和T2D相关的宿主-微生物组相互作用。然而，粪便SCFA和BCFA水平不能直接用于推断微生物组发酵潜力，因为它们反映了微生物生产、宿主吸收和排泄的综合结果。直接估计微生物生产需要专门的流量研究。
与全队列中T2D缓解强相关且与体重减轻程度无关的物种是未表征的Christensenellales、L. eligens和Alistipes spp.，这些物种在手术后12个月增加，可预测5年T2D缓解，也可从基线预测。我们的结果表明，这些细菌可能是针对T2D的下一代益生菌或微生物群干预的有趣候选者。然而，由于这些细菌尚未被充分表征或未被分离，需要更多工作了解它们在人类肠道中的作用及其与宿主的相互作用。
方法与局限性
研究方案获得挪威南部和东部区域医学与健康研究伦理委员会批准（2012/1427/REK sør-øst B）。所有参与者均获得知情同意。
Oseberg研究是一项在Vestfold医院（挪威Tønsberg）进行的单中心、三盲随机对照试验（ClinicalTrials.gov注册：NCT01778738）。筛查了计划接受减肥手术的严重肥胖和T2D患者，纳入标准：年龄18岁或以上，当前体重指数33.0 kg m^-2或更高且先前验证体重指数35.0 kg m^-2或更高，以及T2D（HbA1c ≥6.5%（48 mmol mol^-1）或使用降血糖药物且HbA1c ≥6.1%（43 mmol mol^-1））。
本研究包括77名患者（39名RYGB和38名SG），他们提供了术前和术后12个月的粪便样本。这些患者平均年龄大8岁（P<0.001），HbA1c较低（7.8%（1.5%）vs 8.9%（1.9%）），但与未提供粪便样本的患者相比，其他基线特征无差异。
结论
我们确定了多个肠道细菌，其与减肥手术后长期T2D缓解独立于体重减轻程度相关。这些细菌可能是针对T2D的下一代益生菌或微生物群干预的有趣候选者。然而，由于这些细菌尚未充分表征或未被分离，需要更多工作了解它们在人类肠道中的作用及其与宿主的相互作用。
本研究有一些局限性。我们的分析基于物种级分类分辨率，可能掩盖株级功能多样性和限制机制解释。此外，仅包括提供粪便样本的参与者，这些个体基线HbA1c略低于完整的Oseberg队列。虽然这可能在队列水平引入选择偏差，但微生物子集中手术组间无显著代谢或微生物群差异，因此RYGB和SG比较的有效性不太可能受到影响。
总之，我们确定了多个预测减肥手术后长期T2D缓解的肠道细菌，独立于体重减轻程度。这些细菌可能代表针对T2D的下一代益生菌或微生物群干预的有趣候选者。然而，由于这些细菌尚未充分表征或未被分离，需要更多工作了解它们在人类肠道中的作用及其与宿主的相互作用。
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