首先，研究人员对志愿者的粪便与血液样品进行代谢组学分析。在粪便中鉴定出195种亲水性代谢物与2654种脂类代谢物，在血液中鉴定出100种亲水性代谢物与653种脂类代谢物。为了分析肠道菌群功能的整体差异，粪便代谢物与预测基因概括为共丰度组(CAGs)与KEGG富集分析类。研究人员基于随机森林算法比较了ROC特征曲线的曲线下面积，发现粪便代谢组学数据优于16S和宏基因组学，这表明粪便代谢组组学可用于研究IR的发病机制（图1a）。研究人员发现与IR显著相关的CAG大部分是碳水化合物代谢物（图1b），主要为果糖、半乳糖、甘露糖和木糖等单糖，相比之下，双糖显示为弱关联或无关联（图1c）。短链脂肪酸（SCFAs）是碳水化合物的发酵产物，其中丙酸盐在IR中显著增加，这与它在糖异生中的作用一致（图1d）。这些结果表明，肠道中的代谢产物，如碳水化合物代谢产物，特别是易于被吸收的单糖，在IR粪便中显著增加。

图1. IR中的粪便碳水化合物代谢产物变化

（图源：Tadashi Takeuchi, et al., Nature. 2023）

接下来，研究人员使用16S rRNA测序对肠道微生物进行了分析，并鉴定出4个细菌群。细菌群1以毛螺菌科（Lachnospiraceae，如Blautia和Dorea）为主，细菌群2以拟杆菌目（Bacteroidales，如Bacteroides、Parabacteroides和Alistipes）和粪杆菌属（Faecalibacterium）为主，细菌群3包含有放线菌属，细菌群4没有形成一个独立的网络。基于受测试者们细菌分类情况，作者又将他们分为4个簇，其中C簇个体明显携带细菌群2的拟杆菌目细菌，而D蔟个体则携带更高丰度的细菌群1和3（图2a）。根据宏基因组数据，富含1和3群细菌个体的IR比例始终高于富含2群细菌的个体。作者根据显著的正相关或负相关构建了微生物-代谢物网络（图2c），发现粪便碳水化合物水平在参与者集群之间存在明显差异，表明细菌可能参与了IR中异常的粪便碳水化合物代谢。总之，研究揭示了4个不同的种群具有独特的分类特征和以及以糖的利用和降解为特征的碳水化合物代谢，这些特征与IR及其相关标记相关。

2. IR中的粪便代谢物与肠道菌群和遗传功能的关系

（图源：Tadashi Takeuchi, et al., Nature. 2023）

微生物成分在促进代谢性疾病炎症中发挥着作用，但是目前尚不清楚微生物代谢是否参与低度炎症。因此，为了推断IR和粪便碳水化合物的宿主炎症特征之间可能的关联，研究人员构建了与IR相关的个体代谢物、细菌、转录本和细胞因子的交叉组学相关网络（图3a）。结果表明，细胞因子（IL-10、serpin E1、adiponectin和leptin）介导了粪便碳水化合物与宿主IR标记物之间的大部分因果关系（图3b，c），揭示了粪便碳水化合物与细菌和宿主IR相关的特征，尤其是与细胞因子密切相关，表明粪便碳水化合物是IR中宿主-微生物网络的枢纽。

图3. IR中粪便碳水化合物代谢产物与细胞因子水平相关

（图源：Tadashi Takeuchi, et al., Nature. 2023）

最后，研究人员在小鼠体内进一步验证肠道菌群、粪便碳水化合物及代谢疾病之间的因果关系。首先，他们分析了22种分别与胰岛素敏感(IS)或抵抗相关菌株培养物中的代谢物。能量物质消耗数据表明，单糖碳水化合物（如葡萄糖，甘露糖及葡萄糖胺）优先被拟杆菌属类（如A. indistinctus，Alistipes finegoldii，Alistipes putredinis）消耗，其中菌株A. Indistinctus表现最佳，该菌株可以强劲的消耗多种碳水化合物（图4）。因此，研究人员挑选了7种胰岛素敏感相关的菌株植入小鼠体内以评估对代谢疾病的治疗效果。试验结果显示，经拟杆菌植入后，小鼠的代谢状况改善，与前面数据一致的是，植入A. Indistinctus菌株小鼠的代谢状况最佳，可以改善IR小鼠体重增加、肝脏异位甘油三酯积累和葡萄糖耐受不良等情况。

图4. IS相关细菌改善了实验模型中的IR

（图源：Tadashi Takeuchi, et al., Nature. 2023）