牛奶摄入和乳糖酶基因多态性对不同乳糖消化状况人群的肠道菌群和代谢状态的影响

摘要

牛奶营养成分齐全，组成比例适宜，是膳食钙的最佳来源。增加牛奶及奶制品的摄入不仅可以降低骨质疏松、高血压、心血管疾病等多种慢性非传染性疾病的风险，还可以降低全因死亡率。然而，我国居民牛奶及奶制品的实际摄入量仅24.7g/d，远低于中国居民膳食指南的推荐摄入量（300g/d）。乳糖消化不良人群小肠内缺乏乳糖酶，牛奶中的乳糖无法在小肠代谢，而是由结肠细菌发酵生氢气、二氧化碳和甲烷等气体以及短链脂肪酸。一部分人会因此出现腹鸣、腹胀、腹痛以及腹泻等不适症状，即乳糖不耐受。我国居民的乳糖消化不良流行率高达86%，这很大程度上限制了人们对牛奶及奶制品的摄入，对我国居民的营养与健康状况产生长期影响。因此，深入地探讨牛奶摄入对不同乳糖消化状况人群代谢健康和肠道菌群的影响，对制定个性化的牛奶摄入推荐，指导居民合理饮用牛奶，促进和改善居民营养健康状况具有重要意义。 第一部分 牛奶摄入对不同乳糖消化状况人群代谢状态的影响 目的：探讨牛奶摄入对乳糖消化不良和乳糖消化良好人群人体测量学指标、血压以及生化指标的影响。 方法：本研究是针对乳糖消化不良和乳糖消化良好人群的膳食干预研究。首先，采用氢呼气实验筛查乳糖消化不良和乳糖消化良好人群。然后，根据氢呼气实验的结果，按性别、年龄、身体质量指数（Body mass index,BMI）及基线乳制品摄入量1∶1匹配纳入乳糖消化良好和乳糖消化不良受试者。牛奶干预期间，所有受试者每天摄入250mL全脂牛奶，随餐饮用，保持原有的膳食习惯不变，干预时间为4周。干预开始和结束前，所有受试者按要求完成三天的膳食调查，集中进行人体测量学检查并采集空腹血液样本。采用标准的方法进行人体测量学的检查，使用相应试剂盒测定血浆中糖脂代谢指标、炎症因子和氧化应激指标的含量，同时采用全自动生化分析仪测定血浆中肝肾功能指标的含量。 结果：本研究共完成227人的氢呼气实验，乳糖消化良好32人（占14.1%），乳糖消化不良195人（占85.9%）。按性别、年龄、BMI及基线乳制品摄入量1:1匹配，共有31名乳糖消化不良和31名乳糖消化良好受试者纳入牛奶干预试验。其中，男性44人，女性18人，年龄为20~31岁，BMI为16.3~25.9kg/m2。所有受试者均按要求完成了试验，失访率为0。干预前，乳糖消化不良和乳糖消化良好组的身高、体重、BMI、腰围、臀围、血压、糖脂代谢指标、炎症因子和氧化应激指标均不存在显著统计学差异。在牛奶干预过程中，受试者的依从性良好，干预后所有受试者的乳制品生物标志物（血浆十五烷酸）显著升高（P＜0.001）。牛奶干预期间，能量和三大产能营养素的摄入量及供能比均未发生显著改变。牛奶摄入对乳糖消化不良和乳糖消化良好人群的体重、BMI以及血压均没有显著的影响，但是显著地降低了乳糖消化不良和乳糖消化良好人群的体脂含量（P=0.034,P=0.015）和体脂率（P=0.018,P=0.022），然而两组的改变不具有显著统计学差异。牛奶摄入对两组受试者糖脂代谢、炎症因子、氧化应激和肝肾功能指标的影响均不具有显著统计学意义，且两组的改变不具有显著统计学差异。 结论：每天摄入250mL牛奶对乳糖消化不良和乳糖消化良好人群代谢健康的影响没有显著的统计学差异，适量牛奶摄入对乳糖消化不良人群的代谢健康没有不利影响。 第二部分 牛奶摄入对不同乳糖消化状况人群肠道菌群及其代谢产物的影响 目的：探讨牛奶摄入对乳糖消化不良和乳糖消化良好人群肠道菌群及其代谢产物的影响，同时考查所有受试者的肠型分类，评估肠型差异对乳糖消化不良和乳糖消化良好人群牛奶健康效应的影响。 方法：干预开始和结束前三天，所有受试者按要求采集一次粪便样本。采用16S rRNA基因扩增子测序分析肠道菌群组成，采用高效气相色谱-质谱联用技术测定粪便和血浆中短链脂肪酸的含量。依据属水平肠道菌群的组成，对所有受试者进行肠型分析。 结果：牛奶摄入对乳糖消化不良和乳糖消化良好人群肠道菌群的结构没有显著影响，但是选择性地改变了乳糖消化不良人群肠道菌群的组成。牛奶干预后，乳糖消化不良组放线菌门（Actinobacteria）（P＜0.001,FDR=0.001）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）（P＜0.001,FDR＜0.001）和产短链脂肪酸的细菌Anaerostipes（P＜0.001,FDR＜0.001）、Blautia（P=0.037,FDR=0.111）的相对丰度显著增加，并且两组间上述菌群的改变均具有显著的统计学差异（Actinobacteria:P=0.018;Bifidobacterium:P=0.029;Anaerostipes:P=0.016;Blautia:P=0.003）。牛奶摄入对两组受试者粪便和血浆短链脂肪酸的含量均没有显著影响。从肠型来看，牛奶摄入使拟杆菌肠型乳糖消化不良人群放线菌门（P=0.016）和双歧杆菌属（P=0.004）的相对丰度显著增加，但对拟杆菌肠型乳糖消化良好人群以及普氏菌肠型人群的肠道菌群组成均没有显著影响。牛奶摄入使拟杆菌肠型人群的体脂含量（P＜0.001,P=0.020）和体脂率（P＜0.001,P=0.025）显著降低，但对普氏菌肠型人群没有产生显著影响。 结论：每天摄入250mL牛奶对乳糖消化不良人群具有显著的双歧生成效应，可以选择性地改变乳糖消化不良人群肠道内有益菌的相对丰度，而且牛奶摄入对拟杆菌肠型乳糖消化不良人群的双歧生成效应更显著。 第三部分 牛奶摄入和乳糖酶基因多态性的交互作用对机体肠道菌群及代谢状态的影响 目的：筛选中国人群中与乳糖消化不良相关的乳糖酶基因多态性位点，评估多个乳糖酶基因多态性位点对乳糖消化不良的预测效果，深入探讨牛奶摄入和乳糖酶基因多态性的交互作用对机体肠道菌群及代谢状态的影响。 方法：采用Tag SNP法筛选与乳糖消化不良相关的乳糖酶基因多态性位点，采用基因芯片进行基因分型，计算加权和未加权的遗传风险评分（Genetic risk score,GRS）以评估多个位点对乳糖消化不良的预测效果。 结果：已发现在欧洲人群中与乳糖消化不良显著相关的两个位点（rs4988235和rs182549）与中国汉族人群的乳糖消化不良不存在显著关联。在乳糖酶基因LCT及其上游与LCT转录调控相关的基因MCM6中选定的24个Tag SNP中，rs11903319（P=0.010）和rs72972158（P=0.020）与乳糖消化不良显著相关。由多个乳糖酶基因多态性位点计算得到的加权GRS评分对乳糖消化不良具有较好的预测性，高GRS组乳糖消化不良风险显著高于低GRS组（OR=27,95%CI:3~285,P=0.006）。牛奶摄入使不同乳糖消化不良遗传风险人群的体脂含量（低GRS:P=0.015;中GRS:P=0.027;高GRS:P=0.038）和体脂率（低GRS:P=0.020;中GRS:P=0.035;高GRS:P=0.044）显著降低，但是牛奶摄入和乳糖酶基因多态性的交互作用对人体测量学、糖脂代谢、炎症和氧化应激等各指标的影响均不具有显著的统计学意义。虽然牛奶摄入和乳糖酶基因多态性的交互作用对肠道菌群结构的影响不具有显著的统计学意义，但是对放线菌门（P=0.010）和双歧杆菌属（P=0.036）相对丰度的影响具有显著统计学意义。牛奶干预后，高乳糖消化不良遗传风险人群的放线菌门（P=0.021,FDR=0.092）和双歧杆菌属（P=0.033,FDR=0.092）的相对丰度显著增加。 结论：牛奶摄入对高乳糖消化不良遗传风险人群具有显著的双歧生成效应，但是对其代谢健康无不利影响。因此，牛奶可以作为乳糖消化不良人群膳食的一部分，这对制定个性化的牛奶摄入推荐，改善我国居民的营养健康状况，尤其对提高膳食钙摄入水平具有十分重要的意义。

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