儿童肥胖与双酚暴露关联肠道菌群失调及短链脂肪酸和复杂碳水化合物降解谱改变

《Nutrients》：Childhood Adiposity and Bisphenol Exposure Are Linked to Gut Dysbiosis, Altered Short-Chain Fatty Acid and Complex Carbohydrate-Degrading Profiles

　　

背景：内分泌干扰化学物质的膳食暴露日益被认为与儿童期肥胖（pediatric adiposity）及肠道菌群失调（gut dysbiosis）相关。尽管短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）传统上被认为参与代谢稳态，但其对能量 harvesting 的贡献仍存争议并持续受到讨论。方法：研究人员开展了一项整合性研究，纳入100名儿童（年龄3–12岁），按BMI和全身脂肪百分比分层，通过指甲基质生物监测（nail matrix biomonitoring）评估双酚暴露。肠道菌群通过扩增子基因测序（amplicon gene sequencing）进行谱型分析，粪便SCFAs通过GC-MS定量，复杂碳水化合物降解的基因组能力通过功能谱型分析工具预测。结果：高体脂百分比儿童表现出更高的粪便乙酸盐（acetate）、丁酸盐（butyrate）和丙酸盐（propionate）浓度。高双酚水平亦与肥胖增加及粪便SCFA谱升高呈正相关。整合分析识别出一个独特的微生物群-代谢特征：肥胖和高双酚暴露与特定分类群如 Blautia、Collinsella 和 Catenibacterium 的扩增相关，与潜在保护性标志物包括 Oscillospiraceae、Bacteroides plebeius 和 Christensenellaceae R-7 的减少形成对比。值得注意的是，关键功能和基因酶谱型分析揭示，在肥胖和BPA相关微生物群中碳水化合物降解潜力富集，与纤维降解增强、SCFA产生增加及预测能量提取潜力更大相一致。结论：宿主代谢和环境因素的共同出现以及改变的微生物组特征，指向微生物能量 harvesting 的转变。研究结果勾勒出一种相关的"化学致肥物-微生物组-肥胖"（chemical obesogen–microbiome–adiposity）相互作用，将环境外源性物质暴露与特定微生物改变及与儿童脂肪蓄积相关的代谢变化联系起来。

**研究背景** 儿童肥胖患病率已达流行水平，过去四十年增长近十倍，全球5–19岁儿童和青少年中近3.9亿超重或肥胖。儿童期肥胖是成年早期2型糖尿病和心血管疾病等慢性非传染性疾病的主要前驱因素。该代谢异常以过度脂肪沉积为特征，由遗传、饮食和环境因素复杂交互驱动。高通量测序进展提示肠道菌群是宿主能量代谢和脂肪组织功能的核心调节者。肠道菌群影响宿主代谢的主要机制是产生微生物衍生代谢物，尤其是SCFAs（乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐），主要由特定结肠细菌发酵不可消化膳食纤维产生。SCFAs作为关键信号介质具有抗炎、增强胰岛素敏感性、刺激肝脏脂肪氧化和促进饱腹感等健康促进作用，但其生理途径和生物学影响复杂且有争议。在慢性特异性菌群失调状态下，改变的SCFA产生和吸收谱与膳食能量 harvesting 增强及促进脂肪组织扩张的代谢紊乱相关。有研究提出，高丰度碳水化合物发酵细菌可能通过增加SCFA生物合成促进肥胖发病，该过程为宿主提供额外能源并最终储存为脂质或葡萄糖。除饮食和内源性因素外，环境暴露于内分泌干扰化学物质（endocrine-disrupting chemicals, EDCs）已成为全球肥胖危机的重要驱动因素和肠道微生物组的长期修饰因素。其中双酚A（bisphenol A, BPA）是广泛存在的环境致肥污染物，主要因广泛用于塑料和环氧树脂制造。越来越多证据表明双酚类尤其在生命早期可重塑肠道微生物景观，可能减少有益共生菌丰度而富集与更高效膳食能量 harvesting 相关的分类群。鉴于其在关键发育窗口的母婴传递能力，这些污染物严重威胁早期微生物组成熟和宿主能量调节。为准确理解其对儿童代谢健康的影响，化学指甲沉积物已成为慢性早期暴露生物监测的可靠稳定基质。在此复杂背景下，本研究采用整合方法，结合16S rRNA微生物组谱型分析、靶向SCFA代谢组学和碳水化合物降解能力的预测功能基因组学，研究对象为正常体重、超重和肥胖儿童，并将这些数据与角化基质中量化的双酚水平整合，旨在阐明连接早期环境化学暴露与肥胖风险的微生物群-代谢介导特征。

**研究方法** 研究纳入100名3–12岁儿童，按国际肥胖工作组（IOTF）标准分为正常体重（NW；n=47）、超重（OW；n=16）和肥胖（O；n=37）三组。体成分采用生物电阻抗分析仪测定。42名儿童子集提供手指甲和脚趾甲样本的双酚生物监测数据，采用UHPLC–MS/MS检测BPA和BPF，检测限和定量限分别为1 ng g^?1和4 ng g^?1，总双酚暴露（BIS）为所有量化分析物之和。粪便样本新鲜厌氧采集并保存于?80°C，使用PowerSoil DNA分离试剂盒提取DNA，针对16S rRNA基因V3-V4高变区采用341F/806R引物扩增，在Illumina NovaSeq 6000平台测序，DADA2流程去噪并识别扩增子序列变体（ASVs），QIIME2进行 taxonomic 分类。粪便SCFAs采用GC-MS定量。统计分析在R环境中进行，包括Kruskal-Wallis检验及Dunn事后检验、Spearman秩相关、alpha多样性（Observed、Shannon、Inverse Simpson指数）、beta多样性（基于Bray-Curtis距离的PCoA及PERMANOVA）、MaAsLin2差异丰度分析、Mantel检验、距离基冗余分析（dbRDA），以及通过BLASTn检索最接近参考菌株基因组并用dbCAN2元服务器注释碳水化合物活性酶（CAZymes）家族，估算六类主要膳食底物（淀粉、纤维素、半纤维素、阿拉伯聚糖、果胶和菊粉/低聚果糖（FOS））的降解能力。

**研究结果** 3.1 儿童队列特征描述：100名儿童按IOTF标准分类，各组年龄无显著差异，但性别分布差异显著，NW和OW组女性比例高于O组。3.2 肠道菌群特征：肥胖组alpha多样性较正常体重组显著降低（Shannon, p=0.02；InvSimpson, p=0.03），beta多样性分析证实BMI类别间组成显著变化（PERMANOVA, p=0.003），差异仅由O组驱动。肥胖以 Bifidobacterium adolescentis、Blautia、Streptococcus 和 Collinsella ASVs富集为标志，NW微生物群以 Alistipes、Bacteroides、Barnesiella、Parabacteroides 和 Oscillospiraceae 成员丰度较高为特征。总体上，儿童肥胖表现为放线菌门（Actinomycetota）扩增和拟杆菌门（Bacteroidota）耗竭驱动的结构重组。3.3 粪便SCFAs定量结果：O组总SCFA浓度显著高于NW（p<0.001）和OW（p=0.004），乙酸盐（p=0.001）、丁酸盐（p=0.001）、丙酸盐（p=0.005）、戊酸盐（p=0.014）和异戊酸盐（p=0.022）显著升高，NW和OW组间无显著差异。Spearman相关显示NW富集分类群UCG-005（305）与所有主要SCFAs呈一致负相关，而肥胖富集分类群驱动正相关。3.4 不同肥胖表型下粪便SCFAs与双酚水平分析：连续体脂百分比与总SCFAs、乙酸盐和丁酸盐显著正相关（p<0.01）。按体脂中位数分层后，NW_Af组乙酸盐和丁酸盐中位数显著高于NW_Bf组，NW_Af组丁酸盐中位数与肥胖组基本相同。O组总SCFAs及乙酸盐、丁酸盐、丙酸盐较NW_Bf显著升高（p<0.05），丁酸盐水平亦显著高于高脂肪超重儿童（OW_Af, p<0.01）。双酚分析显示NW_Af组BPA（p=0.011）和BIS（p=0.031）显著高于NW_Bf组，OW与O组间BPF显著增加（p=0.048），提示体脂百分比驱动的双酚蓄积呈剂量-反应样模式。3.5 按双酚水平分层的肠道菌群与SCFA谱：按指甲双酚浓度中位数分层，高暴露与微生物丰富度增加（Observed和Shannon指数, p<0.05）及群落组成改变（PERMANOVA, R²=0.04, p=0.009）相关，以 Prevotella copri、Catenibacterium 和 Parabacteroides goldsteinii 富集为特征，属水平 Catenibacterium、Enterococcus 和 Lactococcus 富集，Desulfobacterota 为唯一富集门，Clostridium CAG-352 显著耗竭。高暴露组粪便乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐均显著增加。3.6 SCFAs、肠道菌群分类群、双酚与肥胖指数的数据整合：dbRDA全局模型显著解释微生物群落结构方差（p=0.03；调整R²=4.3%），指甲BPF浓度为群落异质性的显著驱动因素（p=0.027），BPA呈边缘显著（p=0.058）。Mantel检验和相关性热图识别出"暴露-肥胖"簇：Catenibacterium（92）与BIS（r=0.70）和BPA（r=0.66）及所有四种主要SCFAs呈最强正相关，[Eubacterium] brachy group（434）和 Enterococcus（35）呈稳健正相关，Blautia 属ASVs和 Romboutsia（321）亦呈同步增加趋势。相反，UCG-005组ASVs和UCG-009（812）与双酚、体脂和SCFAs呈一致负相关，Bacteroides plebeius（201）随BMI（r=?0.45）和BIS（r=?0.36）升高显著耗竭，Christensenellaceae R-7 group（131）和UCG-002（149）与SCFA产生呈强负相关。3.7 微生物膳食纤维/碳水化合物降解潜力的基因组谱型分析：与肥胖标志物、双酚暴露或两者相关的分类群通常具有 elevated 且冗余的碳水化合物降解基因组拷贝数，如 Blautia（17）具有广泛的复杂碳水化合物糖分解谱和高数量菊粉酶，Bacteroides vulgatus（210）显示果胶降解特化冗余，Catenibacterium（92）显示纤维素和菊粉特化冗余。负相关簇分类群基因组冗余极少，但 Bacteroides plebeius（201）和 Paraprevotella（465）为代表的高糖分解特化例外。丰度加权碳水化合物降解潜力指数在BMI类别间呈非线性U型模式，OW组下降后O组显著增加（p<0.05），菊粉/FOS降解潜力绝对幅度最低但组间变化最显著（p<0.01）。

**讨论与结论** 讨论部分指出，SCFAs是肠道菌群的主要功能输出和宿主代谢调节的关键介质。与既往儿童研究一致，乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐与BMI和体脂百分比正相关，而支链脂肪酸保持健康儿童典型的低浓度。尽管SCFAs传统上被认为是有益信号分子，其结果提示与儿童肥胖的正相关可能反映复杂的表型依赖性代谢反应。代谢受损表型如肥胖和糖尿病前期个体可能表现SCFA信号通路紊乱，环境外源性物质如双酚类可能与功能转向能量提取而非调节信号的菌群失调相关。研究显示粪便SCFA水平（主要为乙酸盐，其次丁酸盐）与肥胖、肥胖度和双酚暴露显著相关。SCFAs主要通过GPR43（FFAR2）受体作为白色脂肪组织中的信号配体，上调PPARγ表达增强脂质蓄积并抑制甘油三酯分解；乙酸盐产生增加可激活副交感神经系统导致胃饥饿素分泌和葡萄糖刺激胰岛素分泌（GSIS）增加。双酚类通过诱导PPARγ直接触发前脂肪细胞分化和脂质储存，高肥胖儿童中微生物SCFAs和双酚类的同步升高可能指向对脂肪蓄积的协同贡献。从宿主-微生物组角度，粪便SCFA升高的解释需谨慎考虑，其浓度受肠道通透性、结肠吸收和内脏代谢影响，肥胖儿童较高的粪便SCFA浓度可能反映近端吸收受损而非单纯微生物生物合成增加。最佳SCFA输出依赖初级降解者和交叉喂养者的协调菌群，本队列中肥胖和高双酚暴露儿童表现特化稳态降解者（Christensenellaceae R-7 group、Oscillospiraceae分支和 Bacteroides plebeius）的靶向耗竭，同时跨多个门的高发酵菌群扩增，包括 Blautia、Bacteroides vulgatus、Prevotella copri 及与双酚浓度和SCFA升高强相关的 Catenibacterium。Catenibacterium 和 Blautia（17）具有高基因组菊粉酶拷贝数并与所有肥胖、暴露和代谢变量正相关，与更高挥发性脂肪酸产生一致。预测功能分析显示关键差异ASVs多糖降解潜力在BMI类别间呈U型模式，与肥胖相关微生物群落具有增强的复杂膳食碳水化合物获取和降解能力相一致，提示与更大微生物能量 harvesting 潜力和增加宿主发酵衍生代谢物可利用性相关。研究局限性包括横断面设计无法建立因果关系，双酚分析限于42名儿童子集，指甲基质虽提供非侵入性慢性暴露综合测量但儿童采集困难和潜在污染需考虑，功能分析依赖16S扩增子数据的预测CAZyme谱型而非直接宏基因组测量。未来需纵向和更大规模研究整合饮食追踪、系统采样和多组学方法。结论部分译为：总体而言，研究人员的分类学、代谢、环境和预测功能分析与结果汇聚于共同的菌群失调模型。儿童肥胖以粪便SCFAs升高、发酵细菌分类群扩增、健康相关分支耗竭、预测碳水化合物活性酶富集及双酚暴露平行模式为特征。尽管本研究无法直接建立因果关系，这些独立数据层的汇聚强烈支持儿童肥胖与特定改变的肠道微生物生态系统相关的假说，该生态系统显示增强的发酵和能量 harvesting 潜力。这些发现进一步提示慢性暴露于双酚类等内分泌干扰化学物质可能促成这种微生物菌群失调，强化了膳食污染物-微生物组-肥胖 linkage 的概念。