https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)30177-9
1.體溫與腸道微生物
1.Microbiota Depletion Impairs Thermogenesis of Brown Adipose Tissue and Browning of White Adipose Tissue
微生物羣耗竭損害棕色脂肪組織的熱生成和白色脂肪組織的棕色化
缺乏腸道微生物羣的小鼠在寒冷中UCP1依賴性產熱受損
總結
研究提示腸道微生物羣與宿主之間的關係有利於代謝平衡。棕色脂肪組織 （BAT） 和米色脂肪細胞有助於熱生成，從而在寒冷暴露期間維持宿主核心體溫。然而，腸道微生物羣對產熱過程的潛在影響是混亂的。在這裏，我們評估了棕色脂肪組織和白色脂肪組織（WAT）在缺乏腸道微生物羣的小鼠中對溫度挑戰的反應。我們發現，通過用不同“雞尾酒”組合的抗生素（ABX）治療或無菌（GF）小鼠，微生物羣的耗竭使脫耦蛋白1（UCP1）的表達增加，並減少白色脂肪組織向棕色脂肪組織轉換的過程，會削弱棕色脂肪組織的產熱能力。細菌代謝物丁酸鹽的灌胃扭轉了這種缺陷，提高了ABX治療小鼠的產熱能力。我們的結果表明，腸道微生物羣有助於在寒冷環境中調節產熱提高，這可能通過丁酸介導。
介紹
在過去十年中，文獻已經表明，成年人類有活躍的棕色脂肪組織（BAT），並且其多少和活動在肥胖的人中減少。這加劇了人們的猜測，最早在20世紀70年代，人們推測肥胖可能是由降低的棕色脂肪組織活性引起的。一個多樣化的微生物羣落存在於所有哺乳動物的消化道，主要包括細菌，但也包括真菌、病毒、古生物和原生動物。通常，腸道微生物羣是指在數量上占主導地位的厭氧細菌。宿主腸道爲特定的菌羣提供了一個合適的棲息環境，而腸道微生物羣則爲宿主提供營養和能量。最近的報告顯示，腸道微生物羣的組成在寒冷期間發生變化，"冷微生物羣"的轉變增加了白色脂肪組織（WAT）的棕色化、能量消耗和耐寒性。
因此，本研究的目的是重新評估腸道微生物羣對小鼠適應性產熱的影響，並進一步評估2型細胞因子信號在調節棕色和米色脂肪細胞活性中的作用。我們表明在室溫下微生物羣的耗竭不會促使WAT棕色化;相反，當微生物羣耗盡時，BAT和WAT在寒冷挑戰下的適應性熱生成能力會受到影響。
討論
越來越多的研究報告小鼠和人類腸道微生物羣與宿主的生理狀態之間的關係。雖然一些研究表明腸道微生物羣與肥胖和糖尿病之間存在聯繫，腸道微生物羣對不同脂肪細胞的影響尚不清楚。由於UCP1在無顫動熱發生中起着至關重要的作用，我們專注於腸道微生物羣是否影響UCP1依賴性熱發生。我們發現，在急性低溫挑戰和在腸道微生物羣缺失時，UCP1在使用β3-受體（Adrb3）激動劑後表達減弱。我們的工作支持腸道微生物羣與棕色和米色脂肪細胞的UCP1相關熱發生之間的聯繫。越來越多的證據表明，在長期冷適應中不需要UCP1，在CL-316243刺激下，棕色脂肪組織的葡萄糖攝入量和 UCP1 無關的熱源機制，如米色脂肪細胞中肌酸或肉質/內質視網膜Ca2±ATPase 2b （SERCA2b）的循環也可能有助於全身能量平衡。在缺乏腸道微生物羣的情況下，這些過程是否也受損目前還不得而知。
GF和ABX小鼠經常被用來研究腸道微生物羣對宿主的影響。在這裏，我們報道了ABX和GF小鼠的一些生理特徵，包括使用DLW技術測量GF動物的DEE，以及β3-腎上腺素引起的熱發生。許多以前的研究報告說，ABX或GF小鼠抵抗高脂肪飲食引起的肥胖，並改善了葡萄糖代謝。我們發現，UCP1表達和全身能量消耗隨着腸道微生物羣的枯竭而減弱。這與以前的研究表明的微生物羣的消耗促進白色脂肪棕色化明顯不同。他們使用的抗生素組合與我們使用的抗生素不同。因此，我們使用他們的抗生素配方（ABX-SZ）重複了我們的研究，但沒有發現微生物羣的耗竭促進白色脂肪中的棕色化。相反，我們發現抗生素治療的小鼠（與所使用的”雞尾酒“抗生素方法無關）和GF小鼠UCP1依賴熱生成的能力受損。此外，我們觀察到的UCP1表達降低與ABX小鼠血糖代謝性能的改善可能不一致。然而，葡萄糖的攝取能力並不總是與UCP1依賴性熱發生呈正相關。例如，最近的研究表明，在Ucp1-敲除小鼠中，葡萄糖攝入量升高，棕色或米色的脂肪細胞可以通過SERCA2b途徑以獨立於UCP1的方式消耗葡萄糖。
健康的腸道微生物羣有益於宿主代謝平衡，而腸道微生物羣組成可以通過環境溫度和飲食中的大量營養素來塑造。有人提出，SCFA水平與增強能量代謝正相關，而其他微生物羣衍生代謝物，如三甲基胺和咪唑類與宿主健康負相關。微生物羣衍生代謝物不僅在宿主免疫和病原體防禦中起着至關重要的作用，而且還涉及宿主營養狀況。在這裏，我們確認ABX小鼠的能量吸收能力下降;此外，PF小鼠的結果表明，ABX小鼠的能量攝入和體重的暫時降低並不是能量消耗下降和產熱降低的原因。通過抗生素治療或GF模型實現腸道微生物羣的缺失，可能導致腸道微生物發酵過程中代謝物的枯竭，從而促進腸道代謝物缺乏狀態。我們與先前的研究結果表明，在ABX治療下，所有類型的SCFA和膽汁酸幾乎消失在盲腸中。先前的研究表明，冷刺激使產生丁酸鹽的細菌增加，我們確認了這個發現。與對照小鼠相比，在ABX和ABX-SZ小鼠中，丁酸鹽受體Hcar2的表達都顯著增加，而其他SCFA受體Ffar2和Ffar3則沒有區別。最近的幾項研究表明，外源性丁酸鹽可以增加宿主能源消耗，促進UCP1表達。在一項試驗性研究中，我們還發現外源性丁酸比醋酸鹽和丙酸（未顯示數據）有更大的影響。這讓我們評估外源性丁酸是否能挽救體溫過低，並在腸道微生物羣不存在時促進UCP1表達。使用C13-丁酸代謝分析，發現在丁酸鹽進入循環後，丁酸鹽在大腦中的攝入和利用比BAT和WAT更快。這表明，丁酸鹽可能通過腸-腦軸在大腦中作用節食物攝入量和熱發生。
總之，這些數據表明，抗生素介導的微生物羣的耗竭不會通過2型細胞因子信號和交替激活的巨噬細胞促進WAT的棕色化，而是通過兩者介導的自適應熱生成的負面影響阻礙 BAT 和 scWAT 的棕色化。這些影響在GF小鼠和用不同ABX治療的小鼠中得到確認。因此，完整的微生物羣可能是熱調節反應的重要組成部分，而微生物衍生的丁酸鹽可能是這一作用的一箇中介因素。
2.微生物羣會溫暖宿主嗎？
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19490976.2016.1182294?scroll=top&needAccess=true
ABSTRACT
所有天然動物和植物都是全息生物，由宿主和豐富多樣的微生物羣組成。在過去20年中，許多研究表明，微生物羣以多種方式在特定環境中參與宿主的生存和繁殖，包括促進其形態、發育、行爲、生理、對疾病的抵抗力和進化。在這裏，我們假設微生物羣對宿主的另一種可能的貢獻，這種貢獻被未充分開發——熱的產生。我們估計，例如，人類腸道中的微生物代謝產生61千卡/小時，相當於一個普通人在休息時總熱量的70%。
和所有細胞一樣，作爲酶催化基質和細胞材料合成的副產品，微生物產生熱量。單位重量微生物產生的熱量比其他任何生物體都多。細菌產生的熱量取決於生長基質、生長速率和生長階段。一般來說，熱生產與生長速率成反比：增長越快，單位重量的熱生產速度越低。使用微熱量計測量，據報道，Bacteroides ruminicola菌，重新分類爲了Prevotella ruminicola，以葡萄糖爲基質厭氧生長，其熱產生率分別爲135毫瓦（mW）/克（乾重）和247毫瓦/克，在2.5小時和4小時倍增。考慮到哺乳動物腸道中細菌的平均倍增時間是2.72.9小時，預測的熱產量將爲16811mW/克細菌。這接近Streptococcus bovis菌在葡萄糖上厭氧生長報告的170 mW/g細菌。
由於 1 W = 0.24 卡路里/秒，腸道細菌的平均估計熱產量（168 mW/g）等於每克細菌 0.0403 卡路里/秒。因此，人類結腸的常駐細菌，對應於約300克乾重細菌（NIH人類微生物羣落項目2012年），將產生約12卡/秒，或43千卡/小時。 假設熱量分佈在70公斤的人身上，並且沒有熱量損失，腸道細菌會使體溫升高約1.0°C/小時。相比之下，人類在休息時產生的總熱量約爲1 W/kg，即一般人70W，對應於 60 千卡/小時。因此，在休息時大約70%的身體熱量是腸道細菌代謝的結果。哺乳動物腸道微生物生長和熱生產的主要基質來源是不可消化的複雜膳食纖維和宿主產生的粘蛋白。
這個理論包含幾個假設，其中一些已經在上面提到。另一些是腸道細菌產生的熱量，其速率類似於在厭氧環境中緩慢生長的P.ruminicola，而人類腸道中細菌的乾重（可變）是大約300克。無論溫度上升的確切幅度如何，微生物產生的熱量顯然有助於維持動物的體溫。符合這一概念的是，關於兔子和齧齒動物的報道，用抗生素會降低體溫。與常規飼養的動物相比，無菌小鼠和小豬的體溫也有所下降。
在反芻動物、白蟻和其他木纖維素降解動物中，大部分的熱量產生是微生物羣的結果，直接來自微生物代謝，或者間接地通過生產發酵產品，由宿主使用的代謝過程。在排空其盲腸的微生物羣后，觀察到山羊的熱生產減少了約50%，這表明在禁食過程中，動物產生的熱量的一半是由於微生物發酵，另一半宿主代謝。還觀察到腸微生物羣產生的熱量受飲食的影響。某些食品添加劑通過優化微生物發酵來降低瘤胃的溫度，從而產生更多的丙酸和更少的醋酸酯。基於這些數據和飲食影響人類腸道微生物羣組成的事實，我們建議，食物可以有“變暖”或“變冷”的特性，這取決於他們在微生物羣帶來了什麼變化。這能幫助解釋中藥對溫性和寒性食品的概念嗎？
據我們所知，曾考慮過微生物羣在植物中的變暖效應的唯一一份已經發表的報告，涉及冬草
Helleborus foetidus的花朵。居住在花蜜的酵母種羣的糖催化產生的熱量增加了花的溫度，也改變了花內微熱環境。花蜜的溫度與原酵母細胞密度呈線性相關，在酵母種羣密度最大的花蜜中達到+6°C。與花蜜中酵母的存在相關的熱效應是強烈的發酵-氧化糖代謝的結果，特別是通常的花蜜中發現的極端C：N不平衡。
綜上所述，共生微生物的熱生產是一種普遍現象，因爲所有的動植物都含有豐富的微生物，所有微生物都會產生熱量。微生物產生的熱能與其他身體產的熱結合，在溫血動物中，溫度將由良好的反饋系統控制。雖然微生物產生熱能的重要性尚未得到研究，但其貢獻可能具有深遠的意義。它可以幫助溫血動物避免低溫在寒冷的氣候是體溫過低，併爲冷血動物（外溫動物）提高體溫。在這方面，與生活在寒冷環境中的動物（可能也是人類）相比，在寒冷環境中進化是否選擇了產生更多熱量的微生物羣，這將是有趣的。