生命科学在食品的应用（Advances热加工食品增加健康隐患）

现在有越来越多的证据表明加工食品对人类健康有害。在过去的几十年里，随着肥胖症和糖尿病的流行，加工、热处理食品因其口感而获得大众的喜爱。加工食品中的潜在致病成分是是糖基化产物(AGEs)。AGEs是由氨基酸和还原糖的混合物通过美拉德反应生成的，大多数难以吸收，通过胃肠道进入结肠，它们可以作为肠道微生物代谢的底物。然而尚不清楚进一步的生化过程会对人体有何影响。因此，迫切需要弄清楚长期摄入加工食品与非传染性疾病的发生和发展之间的分子机制。

近日，一篇发表在《Science Advances》上标题为“Processed foods drive intestinal barrier permeability and microvascular diseases”的研究论文对加工食品的致病分子机制进行了剖析。表明，长期食用加工食品会增加肠道屏障通透性，并通过补体途径导致肾脏炎症损伤。

加工食品与慢性肾脏疾病相关

有证据表明，热处理可增加食品中的新AGE含量，热处理未焙烤的鼠粮60 min后，AGEsN-羧甲基赖氨酸、N-羧甲基赖氨酸(CML)、N-羧乙基赖氨酸(CEL)和果糖胺含量增加。为了研究加工饲料对微血管疾病风险的影响，作者用热加工饲料喂养Sprague-Dawley大鼠24周，长期食用热处理(HT)饮食导致白蛋白渗入尿液，是未烘焙对照(CON)饮食的五倍(图1A)，与肾脏损伤一致。

食用热处理的饮食导致早期慢性肾脏疾病（CKD）的特征，包括肌酐清除率增加，表明肾脏高滤过 (GFR)；肾小球的形态学改变。热处理后的饲料导致肾小管间质扩张增加(图3)。在长期食用热处理饮食(图1E)的同时观察到肾皮质转化生长因子-1的激活（在推动慢性肾脏病肾纤维化中起关键作用），同时血管生成细胞因子的增加，与微血管结构的破坏是一致的。CKD中活性氧(ROS)的过度生成被认为是导致肾纤维化的慢性炎症过程的基础。食用热处理饲料的大鼠表现出氧化应激反应的证据，定位于肾脏，形成3-硝基酪氨酸加合物(图4)和线粒体超氧化物歧化酶(图1H)，暗示加工食品可以引发“无菌”炎症反应。

为了探索加工饲料的AGE成分是否与长期喂热处理饲料观察到的肾脏表型有关，作者使用了一种AGE途径的抑制剂，氯化铝(ALA)。作者观察到热处理饲料大鼠口服ALA(每天10 mg/kg)的药理治疗可减轻肾损伤(图1，A-D和F)、肾纤维化(图1E)、氧化应激反应(图1，G和H)和全身炎症(图1I)。

为了验证热处理饮食对补体激活的影响，作者测量了级联远端补体效应分子C3a(图1K)和C5a(图1L)的浓度，这两种分子在接受热处理饮食的大鼠尿液中都有所增加，值得注意的是，ALA治疗(减少AGE)可以导致C5a减少，这表明C5a是通过AGE途径进行调节的。肾皮质C5a受体C5aR1的免疫染色显示，C5a受体C5aR1主要定位于肾小管和肾小球，该受体的丰度随着热处理饲料的增加而增加(图4)。综上所述，这些数据表明，长期食用加工饲料会导致肾脏损伤、代谢改变和补体途径激活，这是饮食中AGE含量的直接结果。

补体过敏性毒素信号在加工饲料诱导的微血管损伤中是必需的

为了确定C5a信号通路是否对进食加工饲料所致的肾损伤的发生发展有必要，作者重复了24周的体内热处理饲料模型，并加入一组大鼠，每天口服活性C5aR1抑制剂PMX53，每天2 mg/kg。通过PMX53给药抑制C5a信号可以防止热处理饮食诱导的蛋白尿(图2A)、肾高滤过(图2B)和降低肾小球硬化指数（GSI）。

C3a由C3裂解产生，是补体级联产生的另一种过敏性毒素。为了确定C3a受体缺陷小鼠(C3aR−/−小鼠)是否需要C3a激活才能引起肾脏损伤，作者给C3a受体缺陷小鼠(C3aR小鼠)喂以热处理饲料24周。C3aR基因缺失减轻了热处理饮食引起的肾功能变化（肌酐清除率的变化，图3A），但不能减轻蛋白尿(图3B)、结构损伤(图3C、D)或纤维化(活性转化生长因子-1；图3E)。肾小管损伤(图3F)和氧化应激(15-异前列腺素F2t；图3F)的尿标记物都是由热加工饮食导致的，但是C3aR的缺失可以改善这种情况。这些数据提供了进一步表明，长期食用加工饲料会导致肾脏损伤，而补体途径在热处理饮食诱导的肾功能障碍中起着至关重要的作用。

加工饲料促进肠道屏障通透性和肠道共生联合体的重新分布

肠道通透性增加导致炎症和慢性疾病风险。当肠道上皮紧密连接蛋白受损时，微生物分子如脂多糖(LPS)从肠道转运进入体循环。细菌的产物会触发先天免疫系统，导致慢性炎症。为了探讨加工饲料是否能导致肠道通透性增加，作者测定了热处理饲料大鼠血清中LPS的水平。大鼠吃了24周的热处理食物后，血清LPS水平升高，而AGE抑制剂阿拉氯胺（alagebrium）或C5aR1抑制剂(图4B)均可逆转这一结果，表明肠道通透性的变化与加工食品的影响有关，并由补体信号介导。

为了研究加工饲料消耗对肠道菌群的影响，对C57BL/6小鼠饲喂热处理饲料24周，提取盲肠食糜进行16S核糖体RNA(rRNA)测序。基于未加权UniFrac主坐标分析(PCoA)表明，饲粮独立聚集(图4C)。用辛普森多样性指数测定盲肠菌群的α多样性，在喂食热处理饲料的小鼠中没有改变(图4D)。使用线性判别分析(LDA)结合效应大小测量[LEfSe]，作者接下来确定哪些类群在接受热处理饲料的小鼠中富集(图4,E和F)。值得注意的是，热处理饲料导致由螺旋杆菌门的扩张所驱动的ε-变形细菌门的富集(图4E-G)。与作者在大鼠中的研究一致，热处理饮食导致CKD表型，表现为蛋白尿(图4I)，肾功能改变(高滤过，以血浆胱抑素C显示;图4J)、MCP-1循环增加和LPS(图4K-L)。紧密连接蛋白occludin和claudin-1基因在不同组织的调节波动表明了，过度食用加工食品可能会损害肠道上皮细胞的完整性（图4Q-S）。

食用加工食品导致肠道通透性增加引发微血管疾病的风险

为了进一步探讨加工饲料对肠上皮屏障和微血管疾病风险的影响，作者研究了CKD易感模型——糖尿病瘦蛋白受体缺陷小鼠(Leprdb/db)。与食用未加热饲料的Leprdb/db小鼠相比，吃了加热饲料的Leprdb/db小鼠蛋白尿增加(图5A)。肌酸酐清除率的替代测量显示，在非糖尿病db/ m小鼠中，吃了热治疗饮食，GFR升高，表明高滤过，而在吃了热处理饲料的Leprdb/db小鼠中，GFR下降，这通常发生在肾脏疾病发展到更晚期阶段(图5B)。在Leprdb/db小鼠中，由于腔内分子越过上皮屏障的内流增强，肠道紧密连接完整性受损(图5C)。

高纤维、抗性淀粉饮食可防止肠道屏障功能受损，并通过抑制补体改善肾脏损伤的严重程度

抗性淀粉是一种益生元纤维，对小肠的消化有抵抗作用，并通过大肠，在大肠中被结肠细菌发酵。因此，作者以高直链淀粉玉米淀粉2型(HAMS-R2)的形式补充抗性淀粉，以靶向Leprdb/db小鼠模型的肠道微生物群。结果表明，添加抗性淀粉可逆转热处理饲料喂养的Leprdb/db小鼠的蛋白尿(图5A)，但不影响肌酐清除率(图5B)。

为了确定加工饲料是否影响Leprdb/db小鼠的盲肠微生物组，对盲肠食糜提取的DNA进行16S rRNA测序，数据显示，在糖尿病环境下热处理饲料的消耗导致厚壁菌门与拟杆菌门的比例增加(图5E)。

在糖尿病小鼠中，热处理饮食与肠杆菌门丰度增加4倍相关，此前在CKD患者中观察到该丰度升高，而添加抗性淀粉则降低(图5G)。接下来，作者使用LDA结合效应大小测量[LEfSe]来确定哪些类群在接受热处理饮食的糖尿病小鼠中富集。与作者之前在C57BL/6小鼠中进行的实验一致，作者观察到热处理饲料与疣微菌门的富集有关，而拟杆菌门则减少(图5H-I)。

Reactome基因集富集分析(GSEA)显示，热处理饲料导致免疫信号通路上调，随后随着抗性淀粉补充而下调(图6C)，最显著的信号通路是通过细胞因子、A1类视紫红质样受体和GPCR (G蛋白偶联受体)配体结合。使用更全面的MSigDB数据库进行进一步分析发现，在饲喂热处理饲料的Leprdb/db小鼠中，肿瘤坏死因子-α(TNF-α)信号通过核因子κB(NF-κB)上调，以及在添加抗性淀粉的热处理饲料喂养的小鼠中表达下调(图6 e)。与非糖尿病小鼠相比，Leprdb/db小鼠的补体C5a增加，而抗性淀粉补充剂明显抑制了这一水平(图6G)。这表明，在糖尿病的背景下，热加工食物引发肠道通透性和肾脏损伤，上调局部肾脏炎症途径，包括补体，可通过补充纤维缓解。

热处理饲料改变盲肠代谢组，上调氨基酸代谢途径

作者鉴定了热处理的饮食的肠道微生物群产生的代谢物，试图确定这些信号是否代表可能引起炎症和肾损伤的已知有毒代谢物。作者研究了小鼠盲肠代谢组。使用监督模型，作者观察到了对照组(未热处理饮食)、热处理和热处理加抗性淀粉饲料之间的代谢组差异。结果发现，热处理饲料饮食与苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸途径代谢物的增加有关，当在热处理饲料中添加抗性淀粉时，通过这些途径的代谢通量被抑制。相关分析显示，这些代谢物与厚壁菌门呈正相关，而拟杆菌门呈负相关。

为了确定细菌代谢产物是否能直接促进补体激活，将Caco-2（Caco-2细胞模型是一种人克隆结肠腺癌细胞）细胞暴露于两种被热处理饲料上调的关键代谢产物:酪氨酸(Tyr)和3-羟基苯乙酸(3-HPA)。用Tyr和3-HPA孵育Caco-2细胞可上调C3和C5的表达，表明细菌代谢产物可以激活补体，并可能在膳食AGEs和补体介导的肾脏损伤之间提供联系。

总结

总之，作者提供的证据表明，长期食用热加工食品会导致肠道屏障通透性增加，以及补体途径激活受损，可能增加微血管疾病的风险。对促炎C5a-C5aR1轴的药理抑制可以防止摄入加工食品的有害影响。最后，补充膳食纤维可以降低热处理饮食带来的负面影响，为更好地配制食品以限制健康后果提供了一种切实可行的方法。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe4841

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