随着全球肥胖症的日益严重，含人工甜味剂的「无糖饮料」越来越受到广大消费者的青睐。它们被宣传只含有很少的热量甚至零热量，不仅满足了消费者对甜味的渴望，而且还不用担心会发胖，因此深受大家的喜爱。然而，这可能仅仅是一场空欢喜。
2021年9月28日，发表在JAMA Network Open上的一项研究，来自美国南加州大学凯克医学院领导的研究团队，发现女性和肥胖者可能对人工甜味剂更加敏感。这就意味着人工甜味饮料反而会让他们感到饥饿，食欲大开，吃得更多，从而导致体重增加。
研究团队发现女性和肥胖者可能对人工甜味剂更加敏感
大量研究表明，人类和动物更喜欢营养糖，而不是无热量的甜味剂。二十年前，在小鼠口中发现甜味感受器后不久，科学家们试图敲除这些味蕾，但令人惊讶的是，即使没有味觉，老鼠仍然能以某种方式辨别天然糖，而且他们更喜欢天然糖，而不是人造甜味剂。那么为什么人造甜味剂不能抑制人们对糖的渴望呢？近期的研究，为我们揭开了这个谜题的答案。
2022年1月13日，来自美国杜克大学的Diego V. Bohórquez团队在Nature Neuroscience杂志上发表了题为“The preference for sugar over sweetener depends on a gut sensor cell”的研究性论文，发现一种称为Neuropod的肠道细胞，可以区分真糖和人造甜味剂，并且可以将差异以毫秒为单位传达给你的大脑。
研究成果（图源：Nature Neuroscience）
研究背景
肠内分泌细胞中有一种肠感官上皮细胞，这种细胞可以和迷走神经细胞产生突触信号，形成神经回路，这个肠内分泌细胞就是Neuropod细胞，可以通过形成神经回路将肠道和大脑直接连接起来。
绿色荧光标记的为肠道上皮中的Neuropod细胞（图源：Borhóquez Lab, Duke University）
虽然感觉甜味取决于舌头，但研究表明十二指肠也可以将糖分与甜味剂区分开来。蔗糖是 D-葡萄糖和 D-果糖组成的二糖。与 D-果糖或甜味剂三氯蔗糖不同，D-葡萄糖在十二指肠腔时会产生强烈的偏好。事实上，先前接触过 D-葡萄糖的动物会在几分钟内识别出进入肠道的糖分。而当绕过小肠时，这种识别 D-葡萄糖的能力就会消失，这表明十二指肠上皮是「糖传感器」细胞所在的地方。但到目前为止，由于缺乏以时间和空间精度控制肠道感觉处理的工具，这些细胞的身份仍然难以识别。
研究内容
迷走神经对糖和甜味剂有反应
研究者首先评估了灌注到近端小肠中的各种糖、糖类似物和无热量甜味剂是否会引起快速的迷走神经反应。已知迷走神经对蔗糖有反应，但对食物中常见的其他糖和甜味剂的反应尚不清楚。
实验中评估了蔗糖（300 mM）、D-葡萄糖（150 mM）、D-果糖（150 mM）和 D-半乳糖（150 mM）、多种糖类似物 [甲基 α-D-吡喃葡萄糖苷（α- MGP；150 mM）、麦芽糖糊精（8%）和甜味剂三氯蔗糖（15 mM）、乙酰磺胺酸钾（15 mM）和糖精（30 mM）] 的迷走神经反应，记录迷走神经放电率。
所有糖都通过近端十二指肠灌注，绕过味觉或胃激活。使用放置在颈迷走神经上的电极记录神经反应。结果显示在几秒钟内，几乎所有的糖都会引起迷走神经放电率的显著增加。
（图源：Nature Neuroscience）
迷走神经反应取决于十二指肠Neuropod细胞
研究者假设迷走神经反应取决于肠上皮发出的信号，为了验证该假设，使用 Cre/loxP 重组，培育了CckCRE_Halo小鼠，具有氯离子泵功能的嗜盐菌紫质（halorhodopsin）在十二指肠上皮细胞中的胆囊收缩素（Cck）启动子下表达。当被532 nm光触发时，halorhodopsin可以使细胞膜超极化，立即沉默电兴奋细胞。
在CckCRE_Halo小鼠中，迷走神经对腔内蔗糖、α-MGP 和三氯蔗糖的反应在对照473 nm光存在下保持不变。然而，在532 nm光刺激下，对相同刺激的迷走神经反应完全消失，表明迷走神经反应取决于十二指肠CCK 标记的 Neuropod细胞。
（图源：Nature Neuroscience）
十二指肠 Neuropod 细胞可辨别甜味剂和糖
接下来，研究者检测了单个CCK标记的Neuropod细胞对糖和甜味剂的反应。使用钙指示染料Fluo-4和Fura Red在标记有tdTomato（CckCRE_tdTomato）的单个 Neuropod细胞中对钙瞬变进行成像。阳性反应定义为荧光比（Fluo-4/Fura Red）增加超过10%。在对至少一种糖有反应的26个细胞中，53.8%的细胞仅对D-葡萄糖有反应，15.4%对三氯蔗糖有反应，30.8%对D-葡萄糖和三氯蔗糖都有反应。
随后，通过单细胞RT-qPCR在CCK-GFP和non-GFP肠上皮细胞中检测基因表达。与non-GFP细胞相比，CCK-GFP细胞富含与突触形成和囊泡功能或释放相关的基因。此外，单个CCK-GFP细胞表达SGLT1和甜味受体。单个CCK-GFP细胞中的受体表达如下：Tas1r2可以忽略不计，Tas1r3单独存在于1.2%的细胞中，SGLT1转录本Slc5a1单独存在于60.1%的细胞中，并且Tas1r3和Slc5a1共存在于19.6%的细胞中。
那么，迷走神经对糖或甜味剂的反应是否由上皮SGLT或T1R3介导的呢？研究人员使用SGLT抑制剂 phloridzin，发现抑制SGLT后并不影响对三氯蔗糖的反应。相反，阻断包括T1R3在内的甜味受体消除了对三氯蔗糖的迷走神经反应，但不影响对蔗糖或α-MGP 的反应。
在舌头上的味觉转导中，蔗糖和三氯蔗糖都可以激活T1R2/T1R3受体。但是，以上结果表明，在肠道中只有三氯蔗糖能引起味觉受体介导的迷走神经反应。这种差异可能是由于CCK标记的Neuropod细胞中缺乏T1R2的表达，这意味着肠道中的T1R3对三氯蔗糖比蔗糖更敏感。
（图源：Nature Neuroscience）
糖而不是甜味剂会引发谷氨酸能神经传递
研究人员通过腔内灌注犬尿酸（kynurenic acid, KA）和L-(+)-2-amino-3-phosphonopropionic acid（AP3），阻断了离子型和代谢型谷氨酸受体，发现可以降低迷走神经对蔗糖的早期反应，并完全减弱了对α-MGP的反应。然而，谷氨酸抑制对三氯蔗糖的迷走神经反应并没有受到影响。值得注意的是，抑制谷氨酸能神经传递消除了α-MGP 的反应。因此表明，糖进入细胞后，会驱动Neuropod细胞和迷走神经元之间的谷氨酸能神经传递。
（图源：Nature Neuroscience）
糖偏好取决于十二指肠 Neuropod 细胞
后续，研究者试图确定CCK标记的Neuropod细胞对于小鼠辨别蔗糖和三氯蔗糖是否是必需的。他们通过使用光遗传学的技术，在小鼠肠道中植入柔性光纤，用于打开和关闭活体小鼠肠道的Neuropod细胞，以显示动物对真正糖的偏好是否是由肠道信号驱动的。
结果显示，在存在532 nm光的情况下，即沉默Neuropod细胞时，对照同窝小鼠表现出 90.8%的蔗糖偏好，而在CckCRE_Halo小鼠中，蔗糖偏好只有58.9%。重要的是，沉默 CCK标记的Neuropod细胞会降低蔗糖摄入量，并增加三氯蔗糖摄入量，但1小时检测期间，液体的总消耗量不受影响。换句话说，Neuropod细胞关闭，小鼠不再对真正的糖表现出明显的偏好，证明小鼠对糖的偏好取决于Neuropod细胞。
（图源：Nature Neuroscience）
总结
本研究表明小鼠对糖而不是甜味剂的偏好，取决于肠道中Neuropod细胞，它会释放不同的神经递质进入迷走神经，进而让大脑区分糖和甜味剂。通过快速识别营养刺激的精确特性，肠道Neuropod细胞可作为指导营养选择的切入点。
本文的通讯作者Bohórquez表示，Neuropod细胞是神经系统的感觉细胞，就像舌头中的味蕾帮助我们品尝味道，或是像眼睛中的视网膜视锥细胞一样，可以帮助我们看到颜色。它们感觉到糖与甜味剂的区别，然后释放出不同的神经递质，这些神经递质进入迷走神经中的不同细胞，动物知道「这是糖」或「这是甜味剂」。
「许多人都在为渴望糖而苦苦挣扎，现在我们对肠道如何感知糖，以及人造甜味剂为何不能抑制人们对糖的渴望，有了更好的了解，我们希望针对这个回路来治疗相关疾病。」，本研究的共同第一作者Kelly Buchanan说。
参考资料：
[1]Buchanan, K.L., Rupprecht, L.E., Kaelberer, M.M. et al. The preference for sugar over sweetener depends on a gut sensor cell. Nat Neurosci (2022). https://doi.org/10.1038/s41593-021-00982-7
随着全球肥胖症的日益严重，含人工甜味剂的「无糖饮料」越来越受到广大消费者的青睐。它们被宣传只含有很少的热量甚至零热量，不仅满足了消费者对甜味的渴望，而且还不用担心会发胖，因此深受大家的喜爱。然而，这可能仅仅是一场空欢喜。
2021年9月28日，发表在JAMA Network Open上的一项研究，来自美国南加州大学凯克医学院领导的研究团队，发现女性和肥胖者可能对人工甜味剂更加敏感。这就意味着人工甜味饮料反而会让他们感到饥饿，食欲大开，吃得更多，从而导致体重增加。
研究团队发现女性和肥胖者可能对人工甜味剂更加敏感
大量研究表明，人类和动物更喜欢营养糖，而不是无热量的甜味剂。二十年前，在小鼠口中发现甜味感受器后不久，科学家们试图敲除这些味蕾，但令人惊讶的是，即使没有味觉，老鼠仍然能以某种方式辨别天然糖，而且他们更喜欢天然糖，而不是人造甜味剂。那么为什么人造甜味剂不能抑制人们对糖的渴望呢？近期的研究，为我们揭开了这个谜题的答案。
2022年1月13日，来自美国杜克大学的Diego V. Bohórquez团队在Nature Neuroscience杂志上发表了题为“The preference for sugar over sweetener depends on a gut sensor cell”的研究性论文，发现一种称为Neuropod的肠道细胞，可以区分真糖和人造甜味剂，并且可以将差异以毫秒为单位传达给你的大脑。
研究成果（图源：Nature Neuroscience）
研究背景
肠内分泌细胞中有一种肠感官上皮细胞，这种细胞可以和迷走神经细胞产生突触信号，形成神经回路，这个肠内分泌细胞就是Neuropod细胞，可以通过形成神经回路将肠道和大脑直接连接起来。
绿色荧光标记的为肠道上皮中的Neuropod细胞（图源：Borhóquez Lab, Duke University）
虽然感觉甜味取决于舌头，但研究表明十二指肠也可以将糖分与甜味剂区分开来。蔗糖是 D-葡萄糖和 D-果糖组成的二糖。与 D-果糖或甜味剂三氯蔗糖不同，D-葡萄糖在十二指肠腔时会产生强烈的偏好。事实上，先前接触过 D-葡萄糖的动物会在几分钟内识别出进入肠道的糖分。而当绕过小肠时，这种识别 D-葡萄糖的能力就会消失，这表明十二指肠上皮是「糖传感器」细胞所在的地方。但到目前为止，由于缺乏以时间和空间精度控制肠道感觉处理的工具，这些细胞的身份仍然难以识别。
研究内容
迷走神经对糖和甜味剂有反应
研究者首先评估了灌注到近端小肠中的各种糖、糖类似物和无热量甜味剂是否会引起快速的迷走神经反应。已知迷走神经对蔗糖有反应，但对食物中常见的其他糖和甜味剂的反应尚不清楚。
实验中评估了蔗糖（300 mM）、D-葡萄糖（150 mM）、D-果糖（150 mM）和 D-半乳糖（150 mM）、多种糖类似物 [甲基 α-D-吡喃葡萄糖苷（α- MGP；150 mM）、麦芽糖糊精（8%）和甜味剂三氯蔗糖（15 mM）、乙酰磺胺酸钾（15 mM）和糖精（30 mM）] 的迷走神经反应，记录迷走神经放电率。
所有糖都通过近端十二指肠灌注，绕过味觉或胃激活。使用放置在颈迷走神经上的电极记录神经反应。结果显示在几秒钟内，几乎所有的糖都会引起迷走神经放电率的显著增加。
（图源：Nature Neuroscience）
迷走神经反应取决于十二指肠Neuropod细胞
研究者假设迷走神经反应取决于肠上皮发出的信号，为了验证该假设，使用 Cre/loxP 重组，培育了CckCRE_Halo小鼠，具有氯离子泵功能的嗜盐菌紫质（halorhodopsin）在十二指肠上皮细胞中的胆囊收缩素（Cck）启动子下表达。当被532 nm光触发时，halorhodopsin可以使细胞膜超极化，立即沉默电兴奋细胞。
在CckCRE_Halo小鼠中，迷走神经对腔内蔗糖、α-MGP 和三氯蔗糖的反应在对照473 nm光存在下保持不变。然而，在532 nm光刺激下，对相同刺激的迷走神经反应完全消失，表明迷走神经反应取决于十二指肠CCK 标记的 Neuropod细胞。
（图源：Nature Neuroscience）
十二指肠 Neuropod 细胞可辨别甜味剂和糖
接下来，研究者检测了单个CCK标记的Neuropod细胞对糖和甜味剂的反应。使用钙指示染料Fluo-4和Fura Red在标记有tdTomato（CckCRE_tdTomato）的单个 Neuropod细胞中对钙瞬变进行成像。阳性反应定义为荧光比（Fluo-4/Fura Red）增加超过10%。在对至少一种糖有反应的26个细胞中，53.8%的细胞仅对D-葡萄糖有反应，15.4%对三氯蔗糖有反应，30.8%对D-葡萄糖和三氯蔗糖都有反应。
随后，通过单细胞RT-qPCR在CCK-GFP和non-GFP肠上皮细胞中检测基因表达。与non-GFP细胞相比，CCK-GFP细胞富含与突触形成和囊泡功能或释放相关的基因。此外，单个CCK-GFP细胞表达SGLT1和甜味受体。单个CCK-GFP细胞中的受体表达如下：Tas1r2可以忽略不计，Tas1r3单独存在于1.2%的细胞中，SGLT1转录本Slc5a1单独存在于60.1%的细胞中，并且Tas1r3和Slc5a1共存在于19.6%的细胞中。
那么，迷走神经对糖或甜味剂的反应是否由上皮SGLT或T1R3介导的呢？研究人员使用SGLT抑制剂 phloridzin，发现抑制SGLT后并不影响对三氯蔗糖的反应。相反，阻断包括T1R3在内的甜味受体消除了对三氯蔗糖的迷走神经反应，但不影响对蔗糖或α-MGP 的反应。
在舌头上的味觉转导中，蔗糖和三氯蔗糖都可以激活T1R2/T1R3受体。但是，以上结果表明，在肠道中只有三氯蔗糖能引起味觉受体介导的迷走神经反应。这种差异可能是由于CCK标记的Neuropod细胞中缺乏T1R2的表达，这意味着肠道中的T1R3对三氯蔗糖比蔗糖更敏感。
（图源：Nature Neuroscience）
糖而不是甜味剂会引发谷氨酸能神经传递
研究人员通过腔内灌注犬尿酸（kynurenic acid, KA）和L-(+)-2-amino-3-phosphonopropionic acid（AP3），阻断了离子型和代谢型谷氨酸受体，发现可以降低迷走神经对蔗糖的早期反应，并完全减弱了对α-MGP的反应。然而，谷氨酸抑制对三氯蔗糖的迷走神经反应并没有受到影响。值得注意的是，抑制谷氨酸能神经传递消除了α-MGP 的反应。因此表明，糖进入细胞后，会驱动Neuropod细胞和迷走神经元之间的谷氨酸能神经传递。
（图源：Nature Neuroscience）
糖偏好取决于十二指肠 Neuropod 细胞
后续，研究者试图确定CCK标记的Neuropod细胞对于小鼠辨别蔗糖和三氯蔗糖是否是必需的。他们通过使用光遗传学的技术，在小鼠肠道中植入柔性光纤，用于打开和关闭活体小鼠肠道的Neuropod细胞，以显示动物对真正糖的偏好是否是由肠道信号驱动的。
结果显示，在存在532 nm光的情况下，即沉默Neuropod细胞时，对照同窝小鼠表现出 90.8%的蔗糖偏好，而在CckCRE_Halo小鼠中，蔗糖偏好只有58.9%。重要的是，沉默 CCK标记的Neuropod细胞会降低蔗糖摄入量，并增加三氯蔗糖摄入量，但1小时检测期间，液体的总消耗量不受影响。换句话说，Neuropod细胞关闭，小鼠不再对真正的糖表现出明显的偏好，证明小鼠对糖的偏好取决于Neuropod细胞。
（图源：Nature Neuroscience）
总结
本研究表明小鼠对糖而不是甜味剂的偏好，取决于肠道中Neuropod细胞，它会释放不同的神经递质进入迷走神经，进而让大脑区分糖和甜味剂。通过快速识别营养刺激的精确特性，肠道Neuropod细胞可作为指导营养选择的切入点。
本文的通讯作者Bohórquez表示，Neuropod细胞是神经系统的感觉细胞，就像舌头中的味蕾帮助我们品尝味道，或是像眼睛中的视网膜视锥细胞一样，可以帮助我们看到颜色。它们感觉到糖与甜味剂的区别，然后释放出不同的神经递质，这些神经递质进入迷走神经中的不同细胞，动物知道「这是糖」或「这是甜味剂」。
「许多人都在为渴望糖而苦苦挣扎，现在我们对肠道如何感知糖，以及人造甜味剂为何不能抑制人们对糖的渴望，有了更好的了解，我们希望针对这个回路来治疗相关疾病。」，本研究的共同第一作者Kelly Buchanan说。
参考资料：
[1]Buchanan, K.L., Rupprecht, L.E., Kaelberer, M.M. et al. The preference for sugar over sweetener depends on a gut sensor cell. Nat Neurosci (2022). https://doi.org/10.1038/s41593-021-00982-7
