巴基斯坦人群肠道菌群与短链脂肪酸对斋戒与间歇性禁食的差异化响应研究

《Frontiers in Systems Biology》：Dietary composition and fasting regimens differentially impact the gut microbiome and short-chain fatty acid profile in a Pakistani cohort

本研究通过比较斋戒（Ramadan fasting）与间歇性禁食（intermittent fasting）对巴基斯坦人群肠道微生物组成、多样性及短链脂肪酸（SCFA）谱的影响，揭示不同禁食模式通过调节菌群结构（如Blautia、Prevotella等关键菌属）和代谢产物（如C7、iC4等）差异性地改善宿主代谢健康的作用机制，为饮食干预策略提供微生物学依据。

　　

引言

肠道微生物作为人体重要组成部分，参与复杂多糖发酵为短链脂肪酸（SCFA）及必需氨基酸和维生素合成等代谢功能。菌群受环境、心理和遗传因素影响，其中饮食是改变肠道微生物多样性和组成的关键因素。高热量、高脂高碳水化合物饮食会增加致病菌丰度，破坏肠道屏障功能，引发炎症、激素失衡和血脂异常，导致糖尿病、癌症及心血管疾病。而高纤维饮食可上调丁酸盐和乙酸盐产生菌，改善菌群失调。热量限制饮食显著降低厚壁菌门/拟杆菌门比率，富集有益微生物如拟杆菌属、罗氏菌属等。不同饮食模式通过调节血糖、胰岛素信号和炎症直接影响宿主代谢活动。间歇性禁食作为减重和代谢促进策略日益流行，可改善血压调节、心血管功能及肾脏功能，并重塑肠道微生物组。斋戒作为穆斯林群体日出至日落的长期禁食模式，对肠道微生物具有有益影响，如调节血糖和体重指数，预防代谢综合征、癌症、阿尔茨海默病等神经精神疾病。多数研究缺乏同一族群内不同禁食模式的直接比较，本研究旨在探究10天间歇性禁食与30天斋戒对巴基斯坦健康人群肠道微生物的影响，并同步分析粪便SCFA谱以观察代谢物特征。

方法

研究参与者识别、筛查与招募

斋戒组纳入10名18-40岁志愿者（6女4男，平均年龄27.5±3.77），间歇性禁食组纳入11名志愿者（6女5男，平均年龄29.5±5.48），均来自巴基斯坦主要地理区域。排除标准包括年龄<18或>40岁、体重指数（BMI）<18或>30 kg/m²、近3个月使用抗生素或复合维生素、慢性或急性感染史、妊娠或哺乳期妇女等。研究获伊斯兰堡COMSATS大学伦理委员会批准，参与者签署知情同意书并提供详细饮食、生活方式问卷。

样本收集

斋戒组参与者于2021年4月13日至5月12日进行15小时/天、持续30天的禁食。粪便样本（各一份用于微生物组和SCFA分析）于三个时间点收集：斋戒前1周、斋戒结束后（30天）及斋戒结束后3个月。间歇性禁食组进行10天夜间12小时固体食物限制，样本于禁食前和禁食结束后收集。微生物样本使用uBiome Explorer试剂盒采集，SCFA样本储存于-20°C后运至格拉斯哥大学处理。

DNA提取与PCR扩增

DNA在阿姆斯特丹微生物中心（MiCA）提取，采用反复珠击法和Maxwell RSC全血DNA试剂盒纯化。使用通用引物B341F和B806R扩增16S rRNA基因V3-V4区域，Illumina MiSeq平台进行测序。

生物信息学分析

使用DADA2去噪算法生成扩增子序列变异（ASV）丰度表，通过PICRUSt2算法预测代谢功能（KEGG酶和MetaCyc途径）。ASV使用SILVA SSU Ref NR数据库v.138分类，构建系统发育树进行下游统计分析。

统计学分析

预处理去除线粒体、叶绿体等污染物，过滤低读长样本。斋戒组最终纳入26样本×1,458 ASV，间歇性禁食组19样本×1,214 ASV。采用多样性分析、差异丰度检验（QCAT-C、DESeq2）、冗余分析（RDA）及DIABLO多组学整合分析等方法。

短链脂肪酸分析

采用气相色谱-质谱法（GC-MS）分析SCFA。冻干粪便样本经蒸馏水、内标（2-乙基丁酸）和磷酸处理，乙醚萃取后进样分析。

结果

斋戒与间歇性禁食组微生物分类和功能多样性差异

斋戒显著提高Simpson指数alpha多样性（T2、T3时间点），间歇性禁食组细菌丰富度在T2显著增加。功能alpha多样性（MetaCyc途径、KEGG KO）在斋戒组T2、T3显著变化。beta多样性分析显示间歇性禁食组Bray-Curtis距离显著差异，斋戒组无显著变化。

斋戒与间歇性禁食组的特征微生物组

核心微生物组分析显示，斋戒后新出现阿加托杆菌属（Agathobacter）、厌氧棍状菌属（Anaerostipes）等菌属，普雷沃菌属（Prevotella）、双歧杆菌属（Bifidobacter）等持续存在。间歇性禁食组链球菌属（Streptococcus）、克里斯滕森菌科（Christensenellaceae）等在T1富集，T2出现Dialister、Holdemanella等菌属。相对丰度分析显示斋戒后玫瑰杆菌属（Roseburia）、拟杆菌属（Bacteroides）等增加，间歇性禁食组巨球形菌属（Megasphaera）、Dialister等在T1富集，T2异普雷沃菌属（Alloprevotella）升高。

差异微生物类群

QCAT-C检验显示斋戒降低巴氏杆菌科（Pasteurellaceae）、Blautia、嗜血杆菌属（Haemophilus）等有害菌丰度；间歇性禁食富集理研菌科（Rikenellaceae）及Peptoniphilus等致病菌。DESeq2分析发现间歇性禁食后乳酸杆菌（Lactobacillus_iners）、普雷沃菌（Prevotella_copri）增加；斋戒组T2富集瘤胃球菌科CAG-352（Ruminococcaceae; CAG-352），T3增加肠球菌属（Enterococcus）、Turibacter和克雷伯菌属（Klebsiella）。

贡献beta多样性的最小ASV子集

BVSTEP分析显示斋戒组普雷沃菌属（ASV_5）、柯林斯菌属（Collinsella, ASV_20）在T2增加，T3部分回落；间歇性禁食组Faecalibacterium（ASV_7）、Dorea（ASV_13）等在T2减少。

微生物组成和功能变化相关的短链脂肪酸变化

冗余分析表明，斋戒组庚酸（C7）、异丁酸（iC4）分别解释5%、6.4%微生物组成变异，异己酸（iC6）贡献9.3%组成和6%系统发育变异。间歇性禁食组戊酸（C5）、异戊酸（iC5）和异己酸（iC6）分别解释10%、9%和12%的微生物组成、系统发育和功能变异。

禁食诱导的肠道微生物和短链脂肪酸变化

DIABLO多组学整合显示，斋戒后乙酸（C2）、丙酸（C3）、丁酸（C4）、异丁酸（iC4）等SCFA在T2升高；间歇性禁食组辛酸（C8）、庚酸（C7）在T2降低。斋戒后Anaerococcus、Lawsonella等减少，Sarcina、柯林斯菌属（Collinsella）等增加。辛酸与真杆菌属（Eubacterium）在T2正相关，异丁酸与Peptoniphilus等负相关。

斋戒期间典型食物与微生物组成、系统发育和功能的关联

密度图显示茶、烙饼、米饭、酥油、酸奶等食物摄入存在多峰分布。冗余分析表明，斋戒后（RF-T2） pani puri和杏仁饮料分别解释22%和16%微生物组成变异；斋戒后3个月（RF-T3）水果、油炸食品分别解释16%和15%变异。高脂肪食物（鸡肉馅饼、卷饼）在RF-T3解释20%-24%系统发育变异。

短链脂肪酸与斋戒后食物平均消耗量的相关性

庚酸（C7）与水果奶昔、酱料、卷饼等正相关，与水果、油炸食品负相关；异丁酸（iC4）、异戊酸（iC5）与烙饼正相关，与Rooh Afza饮料负相关。

讨论

禁食通过改变肠道微生物多样性和组成影响宿主生理。本研究中两种禁食模式均引起alpha多样性变化，与时间限制喂养和斋戒研究一致。beta多样性差异可能受族群、饮食习惯影响。斋戒增加阿加托杆菌属、厌氧棍状菌属等有益菌，这些菌属参与SCFA产生、血糖调节和抗炎活动。乳酸杆菌和毛螺菌科NK4A136_group（Lachnospiraceae_NK4A136_group）在斋戒后3个月仍富集，提示长期益处。间歇性禁食富集Dialister、Holdemanella等有益菌，促进葡萄糖代谢和抗炎活性。斋戒降低巴氏杆菌科、Blautia等有害菌，可能预防肥胖和心血管疾病。差异分析显示斋戒后瘤胃球菌科CAG-352增加，但Sarcina富集可能提示胃部问题；T3时间点机会致病菌（如肠球菌、克雷伯菌）增加，反映禁食后饮食模式改变导致的生态位变化。SCFA分析表明，斋戒通过影响菌群结构和功能调节支链SCFA（如异丁酸、异己酸），其变化与高糖饮食相关。食物关联分析强调高脂食物对微生物组成的长期影响，支链SCFA可能指示蛋白质发酵增强。间歇性禁食因持续时间短、无水限制，对菌群和代谢影响较弱。

结论

斋戒显著促进健康相关菌和SCFA产生菌富集，但正常饮食后多数菌群恢复至禁食前状态。肠球菌和克雷伯菌等菌属的持续富集提示禁食可能创造持久生态位变化。间歇性禁食因周期短需进一步研究。为维持禁食益处，建议采用高纤维、益生元饮食或补充剂支持有益菌稳定性。