Intermittent hypoxia alters gut microbiota diversity in a mouse model of sleep apnoea

間歇性低氧改變腸道菌群

來源：Eur Respir J 2015; 45: 1055–1065

 

論文摘要

本研究評估了模擬阻塞性睡眠呼吸暫停（OSA）核心特征之一的間歇性低氧是否會改變小鼠模型的糞便微生物組。通過測量結腸糞便中的氧分壓（PaO2）并分析微生物組組成，研究發現間歇性低氧在腸道近上皮區域（<200μm）引發了低氧/再氧合事件，導致微生物組全局結構改變，包括α-多樣性（Shannon指數）增加和β-多樣性變化。具體而言，間歇性低氧暴露組小鼠的厚壁菌門（Firmicutes）豐度增加，而擬桿菌門（Bacteroidetes）和變形菌門（Proteobacteria）豐度減少。這表明間歇性低氧可能通過改變腸道微生物組，影響OSA相關的生理互作。

研究目的

本研究旨在探究間歇性低氧（模擬OSA的典型生理刺激）是否會導致腸道微生物組多樣性和組成的改變。OSA與代謝紊亂（如肥胖）密切相關，但間歇性低氧對腸道微生物組的影響尚未被研究。研究假設間歇性低氧會引起腸道微環境氧分壓波動，進而改變微生物群落。

研究思路

研究采用兩步實驗設計：

 

驗證氧分壓波動：首先在麻醉小鼠中，使用Unisense氧微電極直接測量小腸糞便中的PaO2，確認間歇性低氧能否在腸道近上皮區域（<200μm范圍內）產生低氧/再氧合波動。

 

分析微生物組變化：將小鼠分為兩組——間歇性低氧暴露組（模擬嚴重OSA，6周內每天6小時間歇低氧）和常氧對照組。6周后收集糞便樣本，通過16S rRNA焦磷酸測序和QIIME生物信息學分析，比較微生物組的α-多樣性（如Shannon指數）、β-多樣性（如ANOSIM分析）以及門、科、屬水平的相對豐度。

 

測量的數據、研究意義及圖表來源

研究測量了多類數據，以下按類別說明其意義和來源：

 

腸道氧分壓（PaO2）數據：

 

數據內容：使用Unisense電極測量小腸糞便中不同位置（近上皮、100μm、200μm處）的PaO2，顯示間歇性低氧導致PaO2出現波動性下降，振幅隨距離上皮越遠而減小。

研究意義：直接證實間歇性低氧能穿透腸道微環境，造成微生物棲息地的氧波動，為微生物組變化提供物理機制證據。這些波動可能影響好氧/厭氧菌的生態平衡。

 

數據來源：來自圖1（圖中展示了PaO2隨時間變化的曲線，包括基線常氧和間歇性低氧下的記錄）。

 

體重變化數據：

 

數據內容：測量小鼠基線體重和6周后體重，時間因素對體重增加有顯著影響，但間歇性低氧與常氧組間無顯著差異。

研究意義：排除體重變化作為微生物組改變的混淆因素，突出間歇性低氧的直接作用。

 

數據來源：來自文本結果部分的“Change in body weight”段落。

 

微生物組多樣性數據：

 

α-多樣性：如Shannon指數（測量物種均勻度）和Chao1指數（測量物種豐富度）。間歇性低氧組Shannon指數顯著高于常氧組，表明多樣性增加。

β-多樣性：通過主成分分析（PCA）和ANOSIM檢驗顯示兩組微生物群落結構顯著分離。

研究意義：表明間歇性低氧不僅增加微生物組內物種均勻度，還改變整體群落結構，可能增強微生物組對氧應激的適應性。

 

數據來源：Shannon和Chao1指數來自表1；PCA結果來自圖2；ANOSIM和聚類分析來自圖3。

 

 

微生物組成豐度數據：

 

門水平：擬桿菌門、厚壁菌門和變形菌門的相對豐度變化（無顯著差異，但趨勢改變）。

科和屬水平：間歇性低氧組中，普雷沃菌科（Prevotellaceae）、副普雷沃菌科（Paraprevotellaceae）和毛螺菌科（Lachnospiraceae）豐度顯著增加，而擬桿菌科（Bacteroidaceae）和丹毒絲菌科（Erysipelotrichaceae）等減少。

研究意義：特定菌群變化（如Prevotella和Desulfovibrio增加）提示間歇性低氧可能促進黏液降解和硫酸鹽還原，潛在影響腸道屏障功能和代謝疾病風險。

 

數據來源：門水平數據來自圖4；科水平數據來自圖5；屬水平數據來自圖6。

 

 

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

間歇性低氧（模擬OSA）確實能在腸道近上皮區域（<200μm）引起氧分壓波動，直接改變微生物組的微環境。

間歇性低氧顯著增加腸道微生物組的α-多樣性（如Shannon指數），并改變β-多樣性，導致微生物群落結構重組。

在科和屬水平上，間歇性低氧促進厭氧菌（如Prevotella和Desulfovibrio）增殖，可能破壞宿主-微生物組穩態，增加腸道通透性和系統炎癥風險。

 

這些發現提示，OSA患者的腸道微生物組可能因間歇性低氧而失調，進而參與OSA相關的代謝并發癥。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極測量的PaO2數據是本研究的關鍵創新點，其研究意義可詳細解讀如下：

 

技術獨特性：Unisense電極是一種高靈敏度、快響應（90%響應時間<2秒）的極譜氧傳感器，直徑僅50μm，能無損插入腸道糞便微環境，直接測量不同深度的實時氧分壓。這種空間分辨率（可精確到μm級）是傳統方法無法實現的，避免了樣本破壞或間接推斷的誤差。

機制驗證意義：數據來自圖1，顯示在間歇性低氧暴露下，近上皮區域（0-200μm）的PaO2出現明顯波動（振幅隨距離增大而衰減），這直接證實了研究假設——OSA相關的動脈血氧飽和度波動能通過擴散影響腸道微生物棲息地。理論計算（基于Fick擴散定律）支持該數據，表明在200μm處氧波動振幅仍達36%，暗示大量微生物會感知氧變化。

 

生態學意義：氧波動創造了動態氧化還原梯度，賦予厭氧菌（如Prevotella）選擇優勢，而好氧菌受抑制。這解釋了微生物組多樣性增加和群落變化，凸顯了物理微環境對微生物生態的直接驅動作用。

 

臨床延伸意義：該測量為OSA與腸道疾病（如代謝綜合征）的關聯提供了機制橋梁。例如，氧波動可能削弱腸道屏障，導致內毒素易位，引發系統炎癥。這啟示未來研究可針對OSA患者進行類似微生物組干預。

 

綜上，Unisense電極數據不僅驗證了間歇性低氧的物理傳遞鏈條，還為理解OSA多器官影響提供了新視角，強調微環境測量在宿主-微生物研究中的重要性。