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港⼤研究發現腸道菌群及其代謝產物決定運動對防治糖尿病的成效

28 November 2019

香港⼤學李嘉誠醫學院(港⼤醫學院)所領導的研究團隊(包括港⼤醫學院內科學系、港⼤運動中⼼、德國漢斯諾爾研究所以及中國廣東藥科⼤學)透過對本地糖尿病前期病⼈所作的運動治療進⾏研究,發現腸道菌群及其代謝產物是決定運動對於改善⼈體代謝健康的重要因素。透過分析不同⼈⼠於運動前的腸道菌群特徵,可準確預測運動參與者在從事⾼強度運動治療中所獲得的成效,並評估該名⼈⼠是否需要通過調節腸道菌群,從⽽提升運動介⼊治療對糖代謝功能的改善效果。研究結果或有助建⽴個⼈化糖尿病早期防治措施。相關研究結果已於國際醫學期刊《細胞代謝》發表(按此瀏覽⽂章)。

背景資料
過去數⼗年間,⼆型糖尿病的患病率在全球顯著上升,逐漸成為危害⼈類健康的主要疾病之⼀。糖尿病不僅是引發⼼腦⾎管疾病主要危險因素,還與多種惡性腫瘤的發病有密切關係,為患者家庭和社會造成沉重的醫療及經濟負擔。

腸道菌群是寄居在⼈體腸道內微⽣物群落的總稱。腸道菌群與⼈體健康息息相關,在維持腸粘膜屏障、參與免疫調節、合成重要的維⽣素以及利⽤未消化的碳⽔化合物,發酵以產⽣短鏈脂肪酸等多個⽅⾯有重要作⽤。腸道菌群的組成及其功能失調,與肥胖、糖尿病等代謝性疾病的發病關係密切。

透過健康膳⾷、增加運動量及定期進⾏篩查,可以避免或延緩糖尿病及其併發症的出現。其中,運動治療是成本效益最⾼的糖尿病早期防治⽅法。對於糖代謝異常的病⼈⽽⾔,運動的益處主要體現於體重減輕,以及改善糖脂代謝的情況。然⽽,臨床研究發現,運動對於改善代謝情況的效果具有巨⼤的差異性,單純運動並不能顯著改善部分⼈的⾝體代謝機能,甚⾄有少部分⼈的情況會因運動⽽變得更差。這種通稱為「運動抵抗」的現象,其病理機制⾄今尚未明確,極⼤地限制了運動療法的推廣和應⽤。

研究⽅法及結果
研究團隊從本地社區中招募了771 名志願者,經過篩選後,對其中39 名超重且糖耐量受損的參與者(糖尿病前期)展開了為期12周⼀對⼀的⾼強度運動介⼊治療。經過為期12周的運動治療後,在沒有任何藥物和膳⾷調節的前提下,雖然所有參與者的體重和體脂⽐例均有⼤致相同程度的下降,然⽽糖代謝指標的改善程度卻呈現巨⼤差異。當中70%的參與者⾎糖⽔平顯著下降(下稱「運動有效者」),其餘30%的參與者⾎糖⽔平則幾乎沒有變化(下稱「運動無效者」)。通過結合宏基因組學及代謝體學的分析,研究團隊發現,「運動有效者」和「運動無效者」的腸道菌群變化存在顯著差異。經過⾼強度運動治療後,「運動有效者」的腸道菌群在合成短鏈脂肪酸、分解⽀鏈氨基酸等功能上均有顯著增強;⽽「運動無效者」的腸道菌群則會合成⼤量不利於糖代謝的產物,如⽀鏈氨基酸、芳香族氨基酸等。透過將「運動有效者」的腸道菌群移植到肥胖的⼩⿏中進⾏測試,⼩⿏的胰島素敏感性顯著提升,⽽如果將「運動無效者」的腸道菌群移植⾄⼩⿏⾝上,則無法改善⼩⿏的⾎糖⽔平。另⼀⽅⾯,如果向移植了「運動抵抗」菌群的⼩⿏提供額外的短鏈脂肪酸,⼩⿏糖代謝紊亂的狀態則會得到有效的逆轉。

研究團隊亦發現,於運動治療前透過對不同參與者的腸道菌群特徵進⾏評測,可以準確預測運動治療對糖尿病前期病⼈的成效。針對另⼀批30 名的糖尿病前期病⼈,研究⼈員透過⼈⼯智能技術,利⽤腸道菌群及其代謝產物構建出的預測模型,可以準確預測運動對他們糖代謝改善的效果。腸道菌群及其代謝產物有望成為評估和預測運動⼲預療效的⽣物標誌物。

研究的意義
研究發現腸道菌群及其代謝產物對於運動治療在改善代謝情況的成效有重⼤影響,並揭⽰了部分糖尿病前期病⼈在接受運動治療後,於改善代謝情況成效不佳的原因,是由於腸道菌群適應不良所引致。這項針對運動治療,結合了隨機對照的⼈體實驗,以及⼩⿏模型的研究,⾸次為腸道菌群對於運動治療在改善⾝體代謝機能的情況,提供了直接的因果證據。

⽬前運動介⼊治療已被廣泛應⽤於預防多種疾病上,腸道菌群及其代謝物或可成為運動介⼊治療成效的監測指標。通過監測腸道菌群的變化,臨床醫⽣和運動專家將能更有效地評估個別⼈⼠在運動治療中獲益的程度,並可以通過調節腸道菌群來幫助那些運動治療效果不佳的患者,使他們能夠從運動治療中獲得更⼤成效。本研究為制定個⼈化糖尿病早期防治措施提供了新思路。

關於研究團隊
此項研究由港⼤醫學院內科學系代謝醫學講座教授、藥理及藥劑學系講座教授及⽣物醫藥技術國家重點實驗室主任徐愛⺠教授領導,研究團隊⻑期聚焦於代謝性疾病防治及機理研究。本研究共同通訊作者包括港⼤運動中⼼助理總監謝家德博⼠,以及德國漢斯諾爾研究所萊布尼茲天然產物研究與感染⽣物學研究所系統⽣物學及⽣物資訊科學總監Gianni Panagiotou 副教授。港⼤醫學院內科學系博⼠後研究員柳雁博⼠及王堯博⼠、港⼤理學院⽣物科學學院博⼠後研究員倪岳琼博⼠為本研究的共同第⼀作者。其他作者包括港⼤醫學院內科學系講座教授、楊紫芝基⾦教授(內分泌及代謝學)及⽣物醫藥技術國家重點實驗室臨床主任林⼩玲教授;港⼤醫學院內科學系博⼠後研究員張堃睿博⼠;⽣物醫藥技術國家重點實驗室汪⽟教授、夏正遠副教授,以及中國廣東藥科⼤學代謝病粵港聯合實驗室葉得偉教授、郭姣教授。研究團隊特此感謝港⼤運動中⼼王軒麟先⽣以及周迎堅先⽣在運動治療⽅⾯對本研究的⽀持。

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