本周分享的文献是2022年7月22日发表在Cell Metabolism杂志上一篇题为“Glycerate from intestinal fructose metabolism induces islet cell damage and glucose intolerance”的文章，研究发现高脂饮食会增强肠道果糖代谢和其衍生物甘油酸盐的循环，从而损害胰岛细胞并导致葡萄糖不耐受。
大量证据表明，西方饮食习惯中的含果糖甜饮料与2型糖尿病的发展有关。摄入果糖并不直接影响胰岛素分泌，因为果糖转运蛋白的低表达阻碍了它们对果糖的代谢。但其会与葡萄糖协同向β细胞发出信号。与葡萄糖分解代谢相比，果糖分解代谢可以迅速启动，并产生大量的乙酰-CoA和甘油-3-磷酸（Gro3P），促进甘油三酯的从头合成和脂肪变性的发展。
传统上，肝脏一直被认为是果糖代谢的主要部位，被认为是肝脏脂质沉积和代谢功能障碍的原因。果糖已被证明可以改变线粒体形态和功能，增加活性氧的产生，扰乱能量平衡，并导致肝脏脂肪变性。然而，一些研究表明，尽管大量口服果糖，外周循环果糖水平并没有显著升高。此外，利用同位素示踪技术的报道表明，肠道在保护肝脏和其他器官免受果糖摄入的不良影响(如脂肪生成增强和异位脂肪沉积)方面起着至关重要的作用。肠道有效地将摄入的大量果糖转化为各种代谢物，包括葡萄糖、甘油和有机酸。这些共同的发现表明，肠道具有显著的代谢大部分果糖摄入的能力。只有当果糖消耗量超过肠道的最大果糖代谢能力时，未转化的果糖才会通过门静脉“溢出”到肝脏（通过门静脉）和结肠。然而，人们对于来自小肠的果糖代谢物对T2DM发展过程的影响知之甚少，特别是以独立于肝脏的方式。
作者观察到，高脂肪饮食(HFD)改变了小鼠小肠中的果糖代谢，导致果糖分解途径中有机酸池的丰富，而不是柠檬酸循环。特别是，果糖衍生的甘油酸盐在体循环中维持在高水平，长期甘油处理对体内胰岛细胞，特别是β细胞造成损伤。这些数据表明，HFD增强了肠道果糖代谢及其衍生物甘油酸盐的循环，这可以慢性损伤胰岛细胞并导致随后的葡萄糖不耐受
作者首先建立两组高脂饮食小鼠模型，一组为高脂短期处理3天，另一组为长期处理4周。作者通过测量小鼠空肠中果糖代谢相关酶的表达，并追踪同位素标记的口服果糖的转化，研究膳食脂肪对肠道果糖代谢的影响。通过测量不同喂养时间的小鼠体重以及肝脏指数，发现延长高脂喂养时间，会导致其体重和肝脏指数的增加。HFD喂养三天的小鼠肠道中糖代谢和脂代谢相关基因表达几乎没有变化，但是在口服果糖十分钟后检测发现果糖代谢相关酶表达显著上调与对照组相比，表明HFD的小鼠对口服果糖有更强的适应性。
图1 膳食脂肪对肠道果糖代谢的影响
为了证实脂质可利用性对果糖代相关基因肠道的表达是否有直接影响，作者培养了人和小鼠原代2D肠道类器官，并用膳食脂肪成分处理。棕榈酸作为膳食脂肪主要成分，对小鼠类器官处理可上调Glut5、Khk和AldoB的RNA和蛋白表达。油酸，一种更良性的脂质，诱导果糖代谢酶的表达比棕榈酸少。
图2 膳食脂肪主要成分棕榈酸和油酸促进果糖代谢
接下来，作者试图研究口服13C标记的果糖后，HFD对空肠果糖同化的影响。在短期HFD喂养后，空肠中检测到更多的标记甘油和甘油-3-磷酸（Gro-3P）（一种产脂前体）。长期HFD喂养增加了肠道果糖代谢通量，导致空肠中检测到的果糖中间产物甘油、Gro3P、G3P、二羟基丙酮磷酸（DHAP）的总库更大。两种不同喂养方式的小鼠的三羧酸（TCA）循环相关的代谢物都检测到最小的标记，这表明HFD喂养小鼠的空肠具有更高果糖代谢能力，但不会将摄入的果糖直接转换成能量。
图3 HFD增加肠道果糖代谢通量
高脂饮食对肝脏果糖代谢的影响不如在空肠中那么明显，在肝脏中仅发现果糖代谢基因的细微变化。肝脏标记的果糖浓度比空肠低80%，果糖分解中间物水平较低，即果糖首先在小肠中代谢。
果糖在肠道中代谢产生的代谢物可以通过肝门静脉到达循环系统。短期HFD的小鼠表现出门静脉中果糖的TCA结合率降低。HFD喂养的小鼠门静脉（PV）血清中的果糖分解代谢物池更大，这一趋势在体循环中也有观察到。在所有标记的代谢物中，甘油酸盐是唯一的果糖特异性代谢物。作者量化了循环中果糖衍生的甘油酸盐绝对浓度。尽管HFD小鼠未转化的果糖示踪水平略低，但循环中的葡萄糖和甘油酸盐在HFD小鼠中明显上调。虽然循环中的果糖水平在口服后15分钟达到峰值，但在PV和SC中都能检测到持续的标记葡萄糖。此外，在HFD小鼠中，即使在30分钟后甘油酸盐急剧下降，SC中果糖衍生的甘油酸盐也明显上升。由此可得出肠道是产生甘油酸盐的主要场所。
为了确定葡萄糖和甘油酸盐的主要产生部位，作者在表达绒毛蛋白的肠上皮敲除KHK，重点关注体循环中标记的代谢物。敲除小鼠体内未转化的果糖和标记葡萄糖的数量与对照组相当，与完整的肝脏果糖分解作用一致。然而标记甘油酸盐明显减少，表明肠道是产生甘油酸盐的主要场所。
图4 13C标记的果糖灌胃后血清代谢组学分析
由于HFD对改变果糖代谢和血清代谢物的急性影响，作者提出长期西方饮食是否会放大这些表型。作者观察到长期HFD促进小肠中果糖的转化与代谢，导致循环中果糖衍生的代谢产物升高。通过给HFD/CD小鼠补充果糖水来确定HFD和果糖的协同效应。体循环中血清代谢组结果显示HFD喂养小鼠甘油酸盐显著上调。结果表明，长期西方饮食，膳食脂肪改变了小肠中的果糖代谢，促进甘油酸盐的产生。
图5 HFD条件下，13C标记的果糖灌胃后血清代谢组学分析
D-甘油酸尿症患者血液中存在高浓度甘油酸盐，这是一种罕见的疾病，通过异常高循环甘油酸盐水平和甘油激酶功能缺乏突变来诊断。为了探讨循环甘油酸酯对糖尿病的潜在影响，作者分析了数据库中500万个体。分析显示，甘油酸激酶突变体携带者明显易患糖尿病，但其独立于常见的糖尿病风险因素，包括年龄、性别、肥胖、胆固醇和甘油三酯水平。这表明，长期升高的循环甘油酸盐水平可能是通过一种尚不清楚的机制导致糖尿病的危险因素。
作者通过评估每天接受腹腔注射这些化合物的动物葡萄糖代谢表型，比较了循环中甘油酸盐和果糖升高的表型效应。注射甘油酸盐后，在机体中很快被清除，半衰期为24.8 min，并且注射24小时后没有出现生物积累。甘油酸盐处理的小鼠没有出现肥胖，也没有改变肝脏指数。通过GTT实验发现，注射甘油酸盐的小鼠出现葡萄糖处理故障。并且随着处理时间延长，加剧其损伤。通过胰岛素释放试验（IPIRT）表明，注射甘油酸盐的小鼠即使在注射葡萄糖后也缺乏胰岛素，这表现在注射葡萄糖后的循环胰岛素水平AUC减少。在葡萄糖刺激下胰岛素释放变化动力学实验中，总循环胰岛素的减少早在甘油处理第10天开始了。
与胰岛素缺乏相关葡萄糖不耐受是1型糖尿病的常见表型，其特征是产生胰岛素的胰岛β细胞减少。为了比较甘油酸盐与β细胞损伤模型对葡萄糖稳态的影响，作者建立了一组新的小鼠模型，该小鼠每天接受生理盐水或甘油酸盐注射，以及一组CD喂养3周后只接受单剂量链脲霉素（STZ）的小鼠。结果发现STZ处理的小鼠空腹血糖水平高于对照组和甘油酸盐组，但是GTT曲线下面积没有变化。注射STZ组葡萄糖处理异常与空腹血糖受损有关，而注射甘油酸盐组则与葡萄糖耐量受损有关。在处理6周后进行的IPIRT中，STZ组和甘油酸盐组的动物与对照组相比，循环胰岛素水平下降。在8周时进行ITT实验，发现所有组别都保持了胰岛素敏感性。具体来说，虽然STZ组的血糖水平比对照组高，但所有动物在接受胰岛素注射后都达到了相似的血糖水平。
作者用文中图3A和3H中描述的相同治疗方案的小鼠来研究饮食和营养物质注射的复合效应。作者观察到甘油酸盐处理组和对照组的葡萄糖清除率相似，尽管HFD小鼠IPGTT的AUC和iAUC与对照组相比上调。相反，与对照组小鼠相比，经STZ和甘油酸盐处理的HFD喂养的小鼠在IPIRT期间表现出总血清胰岛素水平的降低。与观察到的CD喂养小鼠注射胰岛素后血糖水平明显下降相比，HFD小鼠表现出胰岛素抵抗，而血糖水平的下降在对照组和甘油酸盐处理组之间没有统计学意义。综上所述，注射甘油酸酯小鼠是由于循环胰岛素减少而不是胰岛素抵抗造成的葡萄糖不耐受。
图6 甘油酸盐诱导小鼠葡萄糖不耐受
由于甘油酸盐处理的小鼠胰岛素释放受到抑制，作者对胰腺组织进行了成像质谱分析，以追踪13C标记果糖衍生代谢物的沉积。结果发现短期HFD处理导致甘油酸盐在胰腺中沉积。
HFD处理12周后检测了每天注射甘油酸盐对胰腺的生理影响。组织学分析显示，每天注射甘油酸盐的CD小鼠的胰腺横截面直径减少；HFD小鼠显示各组之间的胰腺直径相当。免疫荧光研究显示，与果糖或对照组相比，用甘油酸盐处理的小鼠的胰岛凋亡信号升高。Caspase-3的促凋亡作用只在用甘油酸盐处理的小鼠胰岛中发现。不产生胰岛素的胰岛细胞的凋亡在三组动物中是相当的。相反，甘油酸盐处理使胰岛β细胞内活化的caspase-3信号上升。激活的caspase-3与胰高血糖素和胰岛素原共染，分别标记胰岛α细胞和β细胞，显示62%-88%的甘油酸盐处理引起的凋亡细胞表达胰岛素/胰岛素原，而32%的凋亡细胞表达胰高血糖素。此外，与对照组相比，甘油酸盐处理增强了小鼠胰岛中凋亡基因Caspase-8（Casp8）和凋亡肽酶激活因子1（Apaf1）的表达。
与甘油酸盐诱导的β细胞损伤模型一致，每天注射甘油酸盐会减少胰岛内胰岛素阳性细胞的数量和成熟胰岛素的数量。此外，在注射甘油酸盐的小鼠中，有更大一部分胰岛细胞表达胰高血糖素，这导致了α细胞与β细胞比率的增加，这与糖尿病胰岛中观察的相似。尽管经甘油酸盐处理的小鼠的胰岛保持了它们在胰岛中的Chga的表达，并显示了正常的胰岛素染色水平，但胰岛素与胰高血糖素比率的下降表明胰岛素的翻译后处理不足。综上所述，这些数据表明，高甘油酸盐水平通过β细胞损伤使胰腺的内分泌功能失调。
图7 果糖衍生的甘油酸盐对胰腺胰岛细胞的影响
总结：饮食中的果糖，特别是在高脂肪的西方饮食背景下，过度摄入的膳食果糖和脂肪与2型糖尿病的发展有关。果糖对肝脏代谢的影响已被广泛研究，但在生理过程中，大部分果糖首先在小肠中代谢。本研究发现膳食高脂通过维持高水平的GLUT5、Khk和Aldob来增强肠道果糖代谢的适应性。在急性和慢性HFD喂养中，吸收的果糖在小肠中转化为甘油酸盐，以甘油酸的形式通过门静脉释放到循环系统中。体循环中高水平的甘油酸盐通过诱导胰岛β细胞凋亡促进胰岛功能的逐渐丧失，抑制了胰岛素的分泌，从而引起葡萄糖耐受不良。本研究将T2DM的发病机制与富含果糖和脂肪的西方饮食联系起来。
汇报人：吴棋芳
文章链接：https://doi.org/10.1016/jNaNet.2022.05.007