小肠在人体中发挥着至关重要的作用，它负责吸收营养、分泌激素、与微生物群相互作用，以及保护宿主免受病原体侵害。小肠通常从两方面吸收营养：肠道会吸收饮食营养和微生物代谢产物（肠腔面），血管则为小肠提供来自宿主营养库的系统代谢物（血供面）。

 

这种双向的供应系统提供了一种独特的营养环境，每种供应方式都对小肠的空间特化区域和细胞类型产生了不同的生理影响。之前的研究发现，营养物质进入小肠的“途径”会产生局部和系统效应，但两种途径具体如何影响小肠生理学，目前还不清楚。

 

近日，浙江大学医学院王迪教授团队与浙江大学爱丁堡大学联合学院刘琬璐团队合作绘制了一张综合的高分辨率图谱，并生成了小肠双向营养供应环境的多层调控网络。此外，他们还发现不吃早餐会引发肠道对脂质的过度吸收，进而增加心血管疾病的风险。这项研究成果于2024年10月19日发表在《Cell》杂志上。

 

 

研究材料与方法

 

研究人员设计了三种小鼠喂养模式并收集了小鼠肠道间质液（GIF），采用无偏的代谢组学和定量蛋白质组学技术分析了GIF的组成，并通过16S核糖体DNA测序（rDNA-seq）和批量细胞RNA测序（RNA-seq）分别鉴定了空肠组织的黏膜相关微生物组和肠道转录组，以此来绘制小肠的双向营养供应图谱。他们还利用单细胞RNA测序评估了空肠内不同细胞类型对双向营养供应的反应，并利用MALDI-MSI方法对代谢物进行空间定位和半定量。此外，在评估不吃早餐的影响时，他们使用了载脂蛋白E基因敲除小鼠（Apoe^-/-，赛业生物提供）。

 

技术路线

 

设计三种小鼠喂养模式，利用多种技术绘制小肠的双向营养供应图谱

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追踪宏量营养素在小肠绒毛内的时空分布，分析绒毛内特定区域的代谢异质性

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利用单细胞测序和代谢组学数据来分析营养供应模式对肠上皮细胞的调节作用

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探讨营养物质剥夺如何诱导小肠营养吸收的动态适应，深入分析不吃早餐有何影响

 

研究结果

 

从多个尺度描绘小肠中的双向营养供应系统

 

为了全面研究双向营养供应系统的影响，研究人员设计了三种小鼠喂养模式，分别是对照组小鼠（Sham），自由进食饲料并通过静脉注射生理盐水；肠外营养组小鼠（TPN），剥夺饲料并通过静脉注射营养液；以及禁食组小鼠（Starvation），剥夺饲料并通过静脉注射生理盐水（图1）。

 

他们发现，通过肠腔面提供营养，肠道会优先富集脂质和胆汁酸代谢物，而血供面营养供应则诱导碳水化合物和有机酸的积累。通过整合分析，他们发现肠腔面营养对脂质吸收和代谢、上皮屏障功能和激素分泌有影响。相比之下，血供面营养对细胞外基质组成、DNA合成和免疫调节有更大的影响。这些结果表明小肠的营养供应环境在许多方面存在显著的异质性。

 

 

图1. 描绘小肠中的双向营养供应系统

 

两种营养供应方式在营养物质的吸收上存在差异

 

接下来，研究人员以葡萄糖、胆固醇和谷氨酰胺为代表，重点研究了它们的肠道吸收。他们通过口服（肠腔面）或静脉注射（血供面）的方式向小鼠体内注入了2-NBDG、Cy3-胆固醇和Cy5-谷氨酰胺，并利用荧光显微镜观察了荧光标记的营养物质在小肠绒毛内的时空分布。

 

当营养物质通过肠腔面提供时，葡萄糖的吸收几乎沿小肠绒毛均匀分布，而胆固醇的吸收则主要发生在绒毛顶端。令人惊讶的是，吸收的谷氨酰胺主要积累在杯状细胞和簇细胞中。不过，在通过血供面提供营养时，这些营养物质的吸收模式相似，没有出现明显的区域或细胞类型特异性。由此可见，两种营养供应机制在营养物质的吸收模式上存在明显差异。

 

研究人员推断，营养物质吸收的差异赋予了小肠异质性的代谢环境，以支持不同细胞类型的特定功能。为此，他们采用了MALDI-MSI方法结合PAS/AB染色对空肠组织开展原位代谢分析，发现杯状细胞表现出较高的谷氨酰胺积累，这与前面的研究结果一致。

 

那么，谷氨酰胺摄取是否在粘液分泌中发挥作用呢？利用不含谷氨酰胺（Gln）的食物喂养小鼠后，他们发现与对照组相比，Gln组的粘液分泌大大减少。这导致栖息在疏松粘液层的细菌数量显著减少，而且小鼠更容易受到病原菌的侵袭。这些结果强调，通过进食摄取谷氨酰胺在促进杯状细胞产生粘液方面发挥了关键作用。

 

营养供应模式调节小肠屏障的完整性

 

小肠上皮是一种结构严密的组织，需要精确调控的空间分区来发挥肠细胞的功能。研究人员在分析各组小鼠的单细胞RNA测序数据和肠道间质液的代谢组学数据后发现，在仅仅通过血供面提供营养时，真菌代谢产物细胞松弛素H（CyH）显著增加，这种代谢产物能够破坏肌动蛋白细胞骨架。

 

为了评估CyH与小肠屏障功能之间的相关性，他们采用靶向定量代谢组学方法来检测肠道间质液中的CyH水平。在只有肠道外营养供应（也就是不吃饭只输液）时，肠道间质液中的CyH含量显著增加，同时小肠通透性也增加。利用抗真菌药物处理后，CyH积累和屏障功能损伤都得到了恢复，表明真菌代谢产物在肠道外营养供应对屏障功能的调节中起着因果作用。

 

不吃早餐会诱导上皮细胞吸收脂质

 

最后，研究人员探讨了营养物质剥夺如何诱导小肠营养吸收的动态适应。小鼠在不同时间的肠道外营养供应（0-24小时）后再摄入葡萄糖、胆固醇和谷氨酰胺。他们发现，在肠道外营养供应16小时后，通过肠腔面提供的营养物质（特别是脂质）在小肠中的吸收效率显著提高（图2）。这个结果让他们想起了现在年轻人中比较常见的不吃早餐的现象。

 

为了模拟不吃早餐（BSF）的进食习惯，研究人员设计了一种自动的投喂装置，将喂食时间限制在ZT16-ZT24，而对照组的喂食时间为ZT12-ZT24。10天后，他们发现在BSF组小鼠空肠上皮细胞内，编码关键胆固醇转运蛋白的Npc1l1基因表达水平显著上升，编码脂肪酸转运蛋白的Fabp2基因表达水平也上升。有趣的是，模拟不吃午餐或不吃晚餐的喂食模式对Npc1l1上调的影响逐渐减弱（图2），表明不吃早餐对营养吸收适应的影响更大。

 

 

图2. 特定时间窗口期缺乏肠内营养物质会扰乱小肠对脂质的吸收

 

之前的队列研究发现，不吃早餐与心血管疾病的风险增加相关，但潜在机制仍不清楚。于是，研究人员使用了易患动脉粥样硬化的载脂蛋白E基因敲除小鼠（Apoe^-/-，由赛业生物提供），采用BSF或对照模式喂养10周。他们发现，BSF导致Npc1l1的上皮表达及其从细胞表面到细胞质区域的内吞作用急剧增加，表明小肠在BSF条件下对胆固醇的吸收增加。此外，BSF导致动脉粥样硬化病灶面积显著增加，病灶中积累了更多的脂质和胶原蛋白。

 

结论

 

图3. 图文摘要

 

总的来说，研究人员绘制了一张高分辨率的小肠双向营养供应环境图谱（图3）。通过追踪有代表性的营养素和分析特定区域的代谢活动，他们呈现了营养吸收的时空动态和细胞类型倾向性，以及绒毛内特定区域的代谢异质性。此外，他们还发现不吃早餐的后果比不吃午餐或晚餐更严重，特定窗口期缺乏肠内营养供应会导致脂质过度吸收，进而增加心血管疾病的风险。

 

原文检索

 

Zhang et al., A two-front nutrient supply environment fuels small intestinal physiology through differential regulation of nutrient absorption and host defense, Cell (2024), https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.012