FSHW | 体育锻炼及蓝莓补充对肥胖诱发高血压大学生肠道微生物组的潜在影响：一项前瞻性微生物组分析

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Abstract

高血压在年轻人群中的患病率正不断上升，而近期研究提示运动与肠道微生物群多样性及组成的改变存在关联。然而，特定的饮食干预（如在运动期间摄入蓝莓）也可能影响这种关联。为探究运动与蓝莓摄入对肠道菌群的作用，开展了一项为期8周的针对健康与高血压大学生的研究。微生物组分析表明，增加体育活动会引起肠道菌群结构的轻微改变；其中规律摄入蓝莓的高血压大学生组内，g_[Eubacterium]_eligens_group多样性出现显著变化。虽然运动与蓝莓补充对健康大学生的肠道微生物多样性影响甚微，但却显著提升了高血压年轻成人中丁酸产生菌的丰度。这些结果提示，蓝莓引发的肠道菌群多样性及丰度变化可能与高血压患者体成分的改变有关。本研究旨在通过独特视角揭示蓝莓对高血压学生群体的影响，为运动时摄入蓝莓的干预策略提供理论依据。

Introduction

肠道微生物组在连接疾病与人类基因组进化方面起着至关重要的作用。它能与宿主协同进化，并与多种疾病直接关联。近期研究揭示，宿主遗传、种族、生活方式和地理位置均可影响肠道微生物组。然而，饮食与生活方式仍是影响肠道微生物组乃至人类健康的最重要因素。以轻度加工的植物性食物为特色的健康饮食方案，与肠道中梭菌属（g_Clostridium）的显著存在相关，有助于改善心脏代谢健康并促进体质量减轻。

近年来，人们对运动与肠道微生物群关系的认识日益加深。新证据表明肠道微生物群对活跃个体的健康具有重要作用。同时，运动能积极改变肠道微生物群的组成，从而提升健康水平和肌肉表现。当运动与健康饮食相结合时，这种协同效应会进一步增强。大量研究证实了运动与饮食调整对人类健康及代谢状况的积极影响。例如，运动与富含蛋白质的饮食已被证明可减轻老年人衰弱程度，并降低马拉松后的肌肉应激此外，摄入富含花青素和多酚的浆果有助于调节和恢复运动训练后的多种生理功能。

近年来，全球对超重与肥胖的关注度日益增加，因其可能引发严重健康问题。肥胖状态下，人体释放的非酯化脂肪酸会增加高血压风险。研究显示，相当比例的从青年到中年的男性和女性体质量会增加20 kg以上，这会导致其后代肥胖和高血压风险上升。这可能产生重大的社会与经济影响。研究还证明，健康饮食与规律运动相结合有助于消除肥胖引发的心血管疾病风险。此外，肠道微生物群在调节宿主能量平衡和肥胖相关代谢反应中发挥关键作用，使其成为体质量管理的创新策略。

蓝莓以其高花青素含量著称，既往研究发现其对运动、高血压及肠道微生物群具有积极健康效益。然而，对于患有高血压的大学生，蓝莓与运动相结合是否会影响其肠道微生物群和身体成分仍不明确。本研究探讨了蓝莓摄入、体力活动水平与肠道微生物群之间的关系。该研究通过扩增子测序分析，前瞻性地考察了在运动前后补充蓝莓对健康与高血压大学生肠道微生物组的影响。结果表明，8周高强度训练对长期未运动健康个体的肠道微生物组组成影响轻微；而每日摄入蓝莓的受试者（包括健康与高血压人群）在八周口服补充后，其肠道微生物及与身体成分相关菌落的多样性均显著增加。此外，研究提示g_[Eubacterium]_eligens_group—高血压受试者肠道中唯一被显著调控的菌群—可能是蓝莓调节以改善高血压受试者健康状况的关键靶点。

Results

研究概述

2021年，在SYSU校区开展了一项涉及15名大学生的研究，包括10名健康男女志愿者和5名18～20岁的高血压男女学生（图1）。本研究开始前已获得SYSU研究伦理委员会的伦理批准。志愿者需在研究前至少3个月未进行规律体育锻炼，即除日常生活中的轻度体力活动外，未参与任何规律性结构化或非结构化运动。为分析运动训练对肠道微生物组成的影响，所有志愿者均根据特定纳入与排除标准进行筛选。

图1 比较研究中参与者和3个干预组的基线人口统计学和人体测量学特征

研究将符合要求的志愿者随机分为3个干预组：NN组（n＝5）、NB组（n＝5）、HB组（n＝3，其中2名参与者中途退出）（图1）。BE和AE分别表示运动前（B）与运动后（A）。在8周观察期内，所有参与者均可自由进食，但被建议不额外使用抗生素、膳食补充剂或保健产品。

8周训练计划与蓝莓补充对高血压个体体成分及血压的影响

15名参与者中有13人完成研究。项目开始时，干预组（NN、NB）具有相似的体成分和人体测量学特征。然而HB组的体脂、去脂体质量及体脂百分比均较高。经过8周运动后，NN组在体脂、去脂体质量、体脂百分比、腰臀脂肪比及骨骼肌重量方面比NB组和HB组呈现更显著的下降，但组间差异未达统计学显著性。HB组在8周后体脂和去脂体质量的下降幅度大于NB组，但在降低体脂百分比、腰臀脂肪比和骨骼肌流失方面，未发现补充蓝莓能产生优于NN组的效果（图2A、B）。

图2 蓝莓结合运动干预8周对不同处理组体成分的影响

在整个8周研究期间，密切监测了体质量、血压、脉搏、腰围、臀围及腰臀比的变化（图2C）。研究结果表明，运动可导致体质量减轻，而补充蓝莓对NB组和HB组未产生显著影响（P＞0.05）。观察到与NN组和NB组相比，高血压大学生在蓝莓干预后舒张压、脉搏（P＜0.01）、腰围和臀围发生更明显变化。需要特别指出的是，补充蓝莓对改善高血压患者心率具有统计学显著意义（图2C4）。

运动结合蓝莓补充改变微生物群落多样性与丰富度

本研究旨在探究运动结合蓝莓对高血压大学生肠道微生物群多样性的影响，以理解运动与饮食干预如何改变人类肠道微生物群的多样性及物种丰度。为评估健康与高血压大学生效应差异，研究人员采用标准化样本收集流程和16S rRNA基因测序方法。稀释曲线（图3A）显示样本收集范围完整，人群中大部分肠道微生物群已被捕获，为进一步深度测序提供了充分条件。等级丰度曲线（图3B）表明NN、NB及HB组肠道微生物群具有高丰富度与均匀度，样本中微生物群落分布更为均匀。随着OTUs数量饱和及曲线趋于稳定，测序深度可准确反映人体肠道微生物群组成（图3C）。

图3 蓝莓与运动干预8周前后不同处理组肠道微生物群多样性的比较分析

图3D展示了NN、NB和HB组大学生运动前后肠道微生物群多样性。HB组在运动后Simpson指数与Shannon指数均有所上升，而NN组与NB组的变化幅度小于HB组（图3D1、D4）。虽然运动前后goods_coverage指数无统计学显著差异，但补充蓝莓组（NB、HB）的微生物群多样性变化较未补充组更为显著（图3D4）。与NN组相比，NB组与HB组的PD_whole_tree、Chao1、ACE及observed_species指数在运动后分别呈现明显下降与上升（图3D3-D7）。这些发现表明，血压正常者与高血压个体在运动及摄入蓝莓后均会经历肠道微生物群多样性与丰富度的改变。

图3E展示了采用PCoA分析运动前后各组间肠道菌群分布相似性的结果。研究发现，NN组运动前后肠道菌群组成与分布虽存在一定相似性，但已发生变化；而补充蓝莓的NB组与HB组在运动后的菌群分布与运动前无重叠。这些观察结果表明，其肠道微生物群落发生了较NN组更为显著的转变。

运动与蓝莓干预改变了肠道微生物群的分类学组成

通过合并NN、NB及HB组运动前后的OTUs绘制花瓣图（图4A），显示共有363个共同OTUs。运动前HB人群肠道微生物群的OTUs数量（48）显著少于其他组别；但在蓝莓结合运动干预后，肠道OTUs数量显著增加（125）。NN组在运动后OTUs数量也有所提升，而NB组则呈现相反趋势。upset图（图4B）展示了不同处理组间的独有元素与交集关系。NN、NB与HB组在运动前后的差异OTUs数量分别为611、625和456，其中独有差异OTUs数量分别为116、132和37。

图4 蓝莓协同运动八周对肠道微生物群特定OTU及物种组成的影响

图4C展示了NN、NB及HB组在人群运动前后多个分类水平（门、纲、目、科、属、种）上肠道菌群的分类学组成与丰度占比。在门水平上，相对丰度最高的3个菌群为厚壁菌门（p_Firmicutes）、拟杆菌门（p_Bacteroidota）和变形菌门（p_Proteobacteria）。NN组与NB组中p_Firmicutes的相对丰度在运动前后未受明显影响；然而运动与蓝莓的联合干预使高血压学生肠道中厚壁菌门（p_Firmicutes）相对丰度上升，同时降低了拟杆菌门（p_Bacteroidota）的占比（图4C1）。

根据图4C2结果，在纲水平上最主要的微生物群为拟杆菌纲（c_Bacteroidia）、梭菌纲（c_Clostridia）、c_Negativicutes和γ-变形菌纲（c_Gammaproteobacteria）。然而当HB组进行运动并配合特定饮食时，其肠道内拟杆菌纲（c_Bacteroidia）与γ-变形菌纲（c_Gammaproteobacteria）的相对丰度显著降低，此现象与NN组不同。此外，HB组在运动后拟杆菌目（o_Bacteroidales）也有所减少（图4C3）。

在科水平上，普雷沃氏菌科（f_Prevotellaceae）、韦荣氏菌科（f_Veillonellaceae）、拟杆菌科（f_Bacteroidaceae）、瘤胃菌科（f_Ruminococcaceae）、肠杆菌科（f_Enterobacteriaceae）和毛螺菌科（f_Lachnospiraceae）占比超过80%（图4C4）。属水平上部分重要菌属包括普雷沃氏菌属（g_Prevotella）、戴阿利斯特杆菌属（g_Dialister）、拟杆菌属（g_Bacteroides）、埃希氏-志贺氏菌属（g_Escherichia_Shigella）和粪杆菌属（g_Faecalibacterium）。运动后HB组中g_Prevotella比例急剧下降，而NN组与NB组未见显著变化（图4C5）。种水平上的优势菌群包括s_Dialister_sp_Marseille_P5638、普雷沃氏菌（s_Prevotella_copri）、大肠埃希氏菌（s_Escherichia_coli）、s_Bacteroides_plebeius、s_Prevotella_sp_DJF_LS16和普拉粪杆菌（s_Faecalibacterium_prausnitzii）（图4C6）。尽管菌群分类柱状图可反映各处理组优势菌群的变化，但需进一步分析以明确特定菌落的相对丰度。

基于运动与蓝莓饮食干预的特异性菌落筛选

图5展示了各处理组在门水平上的菌落丰度差异。数据表明体育活动对个体肠道微生物群影响较小，且此效应与蓝莓摄入无关。观察到的两个最优势门为厚壁菌门（p_Firmicutes）和拟杆菌门（p_Bacteroidota）。图4C1的微生物组成显示，NN组与NB组在运动后p_Firmicutes减少而p_Bacteroidota增加；相反，HB组则呈现相反趋势（图5）。

图5 不同处理组经过8周蓝莓协同运动干预前后在门水平上的肠道微生物群丰度变化

图6A-L数据显示了属水平微生物群丰度的波动情况。值得注意的是，运动后的高血压受试者中，g_[Eubacterium]_eligens_group的相对丰度显著增加（P＜0.05），该菌群在NN组（P＞0.9999）和NB组（P＞0.99）均无显著变化。为进一步探究，通过图7A-H分析了种水平的变化。虽然大多数菌种在运动后相对丰度出现波动，但如s_Blautia_obeum（图7D，HB组P＞0.05）等部分菌种未呈现统计学显著性。

图6 不同处理组经过8周蓝莓协同运动干预前后在属水平上的肠道微生物群丰度变化

图7 不同处理组经过8周蓝莓协同运动干预前后在种水平上的肠道微生物群丰度变化

线性判别分析（LDA）评分显示，与其他处理组相比，HB组在运动后细菌丰度变化最为显著。具体而言，o_Peptostreptococcales_Tissierellales、消化链球菌科（f_Peptostreptococcaceae）和g_Romboutsia的丰度均出现显著上升（图8A-B）。

图8 特异性物种及其丰度挖掘

图8C描绘了动态肠道微生物群落的复杂网络，该网络结构与多数微生物群组间的密切关联呈正相关。但存在两个独立的聚类网络：s_Romboutsia_ilealis和普雷沃氏菌（s_Prevotella_copri）。在s_Romboutsia_ilealis内部，s_Clostridiaceae_bacterium_DJF_VR76与s_Ruminococcus_sp_N15.MGS-57无相互作用，且该菌群在HB个体运动后丰度下降。同时，s_Prevotellaceae_bacterium_DJF_LS10和s_Prevotellaceae_bacterium_DJF_CR21K6属于s_Prevotella_copri的分支，形成正共生网络。有趣的是，摄入蓝莓降低了HB个体肠道中s_Prevotella_copri的相对丰度。

运动与蓝莓干预下肠道微生物亚群与体成分的关联

本研究深入探讨了肥胖高血压个体体成分与肠道微生物亚群间的关联。通过Pearson分析，确定了肠道微生物群落与体成分间的相关性，结果如图9A-C所示。研究发现这些表型因子间存在显著差异。在NN正常组中（图9A），观察到14个菌群与9个体成分指标相关。其中与心率呈强负相关的微生物数量最多，包括放线菌门（p_Actinobacteria，P＜0.01）、埃希氏-志贺氏菌属（g_Escherichia_Shigella，P＜0.01）、g_Romboutsia（P＜0.05）、瘤胃球菌属（g_Ruminococcus，P＜0.05）、双歧杆菌属（g_Bifidobacterium，P＜0.01）、大肠埃希氏菌（s_Escherichia_coli，P＜0.01）、s_Romboutsia_ilealis（P＜0.05）和s_Ruminococcus_sp_N15.MGS-57（P＜0.05）。研究还发现疣微菌门（p_Verrucomicrobiota，P＜0.01）、s_Bacteroides_fragilis（P＜0.05）和s_Blautia_obeum（P＜0.05）与骨骼肌重量呈正相关。出乎意料的是，NN组运动前后体脂变化与厚壁菌门（p_Firmicutes，P＜0.05）和拟杆菌门（p_Bacteroidota，P＜0.05）的变化趋势相似，分别呈负相关和正相关。此外，发现s_Bacteroides_fragilis和巨型单胞菌属（g_Megamonas）分别与体质量（P＜0.05）和舒张压（P＜0.05）显著相关。

图9 不同处理组干预8周前后体成分与标志性微生物群变化的Pearson相关性分析

在NB组中，鉴定出24个肠道微生物与9个体成分指标相关（图9B）。值得注意的是，厚壁菌门（p_Firmicutes，P＜0.05）和拟杆菌属（g_Bacteroidetes，P＞0.05）分别与体脂呈正相关和负相关。此外，观察到体脂与瘤胃球菌属（g_Ruminococcus）、s_Bacteroides_plebeius、s_Parabacteroides_sp_CT06、s_Ruminococcus_sp_N15.MGS-57及菊粉罗氏菌（s_Roseburia_inulinivorans）之间存在相关性。有趣的是，根据Pearson相关性分析，产气荚膜梭菌（s_Clostridium_perfringens）与去脂体质量、骨骼肌重量、体质量及收缩压均呈显著负相关（P＜0.05）。通过此分析鉴定出三个微生物群：酸杆菌门（p_Acidobacteriota，P＜0.01）、g_Subdoligranulum（P＜0.01）和s_Ruminococcus_sp_N15.MGS-57（P＜0.001）。然而，未发现腰围与臀围与任何微生物存在显著关联。

本研究发现蓝莓可能有助于降低常伴有高收缩压的高血压大学生体质量。研究在HB组中鉴定出24个与人群组成变化显著相关的微生物群落（图9C）。随着蓝莓摄入，拟杆菌属（g_Bacteroides）和脆弱拟杆菌（s_Bacteroides_fragilis）的丰度上升，且可能与体脂减少相关。相反，其他菌群如普雷沃氏菌属（g_Prevotella）、戴阿利斯特杆菌属（g_Dialister）和s_Dialister_sp_Marseille_P5638可能增加体脂与体质量。研究还发现六个肠道微生物群落与收缩压呈显著负相关，这可能是蓝莓联合运动产生的效应，包括梭杆菌门（p_Fusobacteriota）、副拟杆菌属（g_Parabacteroides）、s_Parabacteroides_sp_CT06、菊粉罗氏菌（s_Roseburia_inulinivorans）、s_Bacteroides_caccae和粪便副拟杆菌（s_Parabacteroides_merdae）。此外，蓝莓协同运动调控的微生物群在非高血压人群中与腰围、臀围无显著相关性，但在高血压人群中则呈现显著关联。例如，粪杆菌属（g_Faecalibacterium）、g_Agathobacter和s_Lachnospiraceae_bacterium_GAM79与腰围、臀围呈显著负相关，而s_Romboutsia_ilealis和g_Romboutsia与二者呈显著正相关。

Conclusion

本研究旨在探讨运动与蓝莓对健康大学生肠道微生物群的影响。结果显示，NN组与NB组在运动前后肠道微生物群的丰度及物种组成均未发生显著改变。然而，在HB组中观察到g_[Eubacterium]_eligens_group发生了值得关注的变化，这可能对高血压大学生具有积极意义。蓝莓与运动相结合或可通过提升g_[Eubacterium]_eligens_group这一微生物靶标的丰度，从而改善大学生的高血压状态。为深入探索蓝莓与运动在高血压人群中的协同效应，仍需开展进一步研究。

A prospective microbiome analysis of the impact of physical exercise and blueberry supplementation on the gut microbiome of obesity-induced hypertensive in college students

Zhen Chenga,1, Rendong Lib,1, Tie Mac, Aihua Xud, Yuanyuan Biana,*, Bin Lia,*

a College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China

b Physical Education Department, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang Economic and Technological Development Zone, Shenyang 110142, China

c The College of Kinesiology, Shenyang Sport University, Shenyang 110102, China

d Department of Rehabilitation Medicine, The First Hospital of China Medical University, Shenyang 110002, China

1 Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

The prevalence of high blood pressure is on the rise among younger individuals, and recent findings have linked exercise to changes in the diversity and configuration of gut microbiota. However, specific modifications to one's diet, such as incorporating blueberries while engaging in physical activity, can also influence this association. To explore the effects of exercise and blueberry consumption on gut bacteria, we conducted an 8-week study involving healthy and hypertensive college students. Our microbiome analysis revealed slight shifts in gut bacteria composition in response to increased physical activity, with significant changes in the diversity of the g_[Eubacterium]_eligens_group observed in hypertensive college students who regularly consumed blueberries. Although exercise and blueberry supplementation had a negligible impact on the gut microbiota diversity of healthy college students, it significantly boosted the production of butyric acid bacteria in hypertensive young adults. These results suggest that the changes in gut bacteria variety and abundance brought about by blueberries may be tied to alterations in the body composition of patients with hypertension. This study aims to reveal the impact of blueberry on the hypertensive students from a unique perspective, suggesting the impact of taking blueberry while taking exercises.

Reference:

CHENG Z, LI R D, MA T, et al. A prospective microbiome analysis of the impact of physical exercise and blueberry supplementation on the gut microbiome of obesity-induced hypertensive in college students[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(6): 9250148. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250148.

翻译： 林安琪（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片：摄图网

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