Diabetes and obesity are two metabolic diseases characterized by insulin resistance and a low-grade inflammation. Seeking an inflammatory factor causative of the onset of insulin resistance, obesity, and diabetes, we have identified bacterial lipopolysaccharide (LPS) as a triggering factor. We found that normal endotoxemia increased or decreased during the fed or fasted state, respectively, on a nutritional basis and that a 4-week high-fat diet chronically increased plasma LPS concentration two to three times, a threshold that we have defined as metabolic endotoxemia. Importantly, a high-fat diet increased the proportion of an LPS-containing microbiota in the gut. When metabolic endotoxemia was induced for 4 weeks in mice through continuous subcutaneous infusion of LPS, fasted glycemia and insulinemia and whole-body, liver, and adipose tissue weight gain were increased to a similar extent as in high-fat–fed mice. In addition, adipose tissue F4/80-positive cells and markers of inflammation, and liver triglyceride content, were increased. Furthermore, liver, but not whole-body, insulin resistance was detected in LPS-infused mice. CD14 mutant mice resisted most of the LPS and high-fat diet–induced features of metabolic diseases. This new finding demonstrates that metabolic endotoxemia dysregulates the inflammatory tone and triggers body weight gain and diabetes. We conclude that the LPS/CD14 system sets the tone of insulin sensitivity and the onset of diabetes and obesity. Lowering plasma LPS concentration could be a potent strategy for the control of metabolic diseases.

OBJECTIVE—Diabetes and obesity are characterized by a low-grade inflammation whose molecular origin is unknown. We previously determined, first, that metabolic endotoxemia controls the inflammatory tone, body weight gain, and diabetes, and second, that high-fat feeding modulates gut microbiota and the plasma concentration of lipopolysaccharide (LPS), i.e., metabolic endotoxemia. Therefore, it remained to demonstrate whether changes in gut microbiota control the occurrence of metabolic diseases. RESEARCH DESIGN AND METHODS—We changed gut microbiota by means of antibiotic treatment to demonstrate, first, that changes in gut microbiota could be responsible for the control of metabolic endotoxemia, the low-grade inflammation, obesity, and type 2 diabetes and, second, to provide some mechanisms responsible for such effect. RESULTS—We found that changes of gut microbiota induced by an antibiotic treatment reduced metabolic endotoxemia and the cecal content of LPS in both high-fat–fed and ob/ob mice. This effect was correlated with reduced glucose intolerance, body weight gain, fat mass development, lower inflammation, oxidative stress, and macrophage infiltration marker mRNA expression in visceral adipose tissue. Importantly, high-fat feeding strongly increased intestinal permeability and reduced the expression of genes coding for proteins of the tight junctions. Furthermore, the absence of CD14 in ob/ob CD14−/− mutant mice mimicked the metabolic and inflammatory effects of antibiotics. CONCLUSIONS—This new finding demonstrates that changes in gut microbiota controls metabolic endotoxemia, inflammation, and associated disorders by a mechanism that could increase intestinal permeability. It would thus be useful to develop strategies for changing gut microbiota to control, intestinal permeability, metabolic endotoxemia, and associated disorders.

Background and aims:

 Obese and diabetic mice display enhanced intestinal permeability and metabolic endotoxaemia that participate in the occurrence of metabolic disorders. Our recent data support the idea that a selective increase of Bifidobacterium spp. reduces the impact of high-fat diet-induced metabolic endotoxaemia and inflammatory disorders. Here, we hypothesised that prebiotic modulation of gut microbiota lowers intestinal permeability, by a mechanism involving glucagon-like peptide-2 (GLP-2) thereby improving inflammation and metabolic disorders during obesity and diabetes. 

Methods:

 Study 1: ob/ob mice (Ob-CT) were treated with either prebiotic (Ob-Pre) or non-prebiotic carbohydrates as control (Ob-Cell). Study 2: Ob-CT and Ob-Pre mice were treated with GLP-2 antagonist or saline. Study 3: Ob-CT mice were treated with a GLP-2 agonist or saline. We assessed changes in the gut microbiota, intestinal permeability, gut peptides, intestinal epithelial tight-junction proteins ZO-1 and occludin (qPCR and immunohistochemistry), hepatic and systemic inflammation. 

Results:

 Prebiotic-treated mice exhibited a lower plasma lipopolysaccharide (LPS) and cytokines, and a decreased hepatic expression of inflammatory and oxidative stress markers. This decreased inflammatory tone was associated with a lower intestinal permeability and improved tight-junction integrity compared to controls. Prebiotic increased the endogenous intestinotrophic proglucagon-derived peptide (GLP-2) production whereas the GLP-2 antagonist abolished most of the prebiotic effects. Finally, pharmacological GLP-2 treatment decreased gut permeability, systemic and hepatic inflammatory phenotype associated with obesity to a similar extent as that observed following prebiotic-induced changes in gut microbiota. 

Conclusion:

 We found that a selective gut microbiota change controls and increases endogenous GLP-2 production, and consequently improves gut barrier functions by a GLP-2-dependent mechanism, contributing to the improvement of gut barrier functions during obesity and diabetes.

Recent evidence suggests that a particular gut microbial community may favour occurrence of the metabolic diseases. Recently, we reported that high-fat (HF) feeding was associated with higher endotoxaemia and lower Bifidobacterium species (spp.) caecal content in mice. We therefore tested whether restoration of the quantity of caecal Bifidobacterium spp. could modulate metabolic endotoxaemia, the inflammatory tone and the development of diabetes. Since bifidobacteria have been reported to reduce intestinal endotoxin levels and improve mucosal barrier function, we specifically increased the gut bifidobacterial content of HF-diet-fed mice through the use of a prebiotic (oligofructose [OFS]). Compared with normal chow-fed control mice, HF feeding significantly reduced intestinal Gram-negative and Gram-positive bacteria including levels of bifidobacteria, a dominant member of the intestinal microbiota, which is seen as physiologically positive. As expected, HF-OFS-fed mice had totally restored quantities of bifidobacteria. HF-feeding significantly increased endotoxaemia, which was normalised to control levels in HF-OFS-treated mice. Multiple-correlation analyses showed that endotoxaemia significantly and negatively correlated with Bifidobacterium spp., but no relationship was seen between endotoxaemia and any other bacterial group. Finally, in HF-OFS-treated-mice, Bifidobacterium spp. significantly and positively correlated with improved glucose tolerance, glucose-induced insulin secretion and normalised inflammatory tone (decreased endotoxaemia, plasma and adipose tissue proinflammatory cytokines). Together, these findings suggest that the gut microbiota contribute towards the pathophysiological regulation of endotoxaemia and set the tone of inflammation for occurrence of diabetes and/or obesity. Thus, it would be useful to develop specific strategies for modifying gut microbiota in favour of bifidobacteria to prevent the deleterious effect of HF-diet-induced metabolic diseases.

Metabolic syndrome is characterized by a constellation of comorbidities that predispose individuals to an increased risk of developing cardiovascular pathologies as well as type 2 diabetes mellitus1. The gut microbiota is a new key contributor involved in the onset of obesity-related disorders2. In humans, studies have provided evidence for a negative correlation between Akkermansia muciniphila abundance and overweight, obesity, untreated type 2 diabetes mellitus or hypertension3–8. Since the administration of A. muciniphila has never been investigated in humans, we conducted a randomized, double-blind, placebo-controlled pilot study in overweight/obese insulin-resistant volunteers; 40 were enrolled and 32 completed the trial. The primary end points were safety, tolerability and metabolic parameters (that is, insulin resistance, circulating lipids, visceral adiposity and body mass). Secondary outcomes were gut barrier function (that is, plasma lipopolysaccharides) and gut microbiota composition. In this single-center study, we demonstrated that daily oral supplementation of 1010 A. muciniphila bacteria either live or pasteurized for three months was safe and well tolerated. Compared to placebo, pasteurized A. muciniphila improved insulin sensitivity (+28.62 ± 7.02%, P = 0.002), and reduced insulinemia (−34.08 ± 7.12%, P = 0.006) and plasma total cholesterol (−8.68 ± 2.38%, P = 0.02). Pasteurized A. muciniphila supplementation slightly decreased body weight (−2.27 ± 0.92 kg, P = 0.091) compared to the placebo group, and fat mass (−1.37 ± 0.82 kg, P = 0.092) and hip circumference (−2.63 ± 1.14 cm, P = 0.091) compared to baseline. After three months of supplementation, A. muciniphila reduced the levels of the relevant blood markers for liver dysfunction and inflammation while the overall gut microbiome structure was unaffected. In conclusion, this proof-of-concept study (clinical trial no. NCT02637115 ) shows that the intervention was safe and well tolerated and that supplementation with A. muciniphila improves several metabolic parameters. Supplementation with Akkermansia muciniphila, a gut microbe previously associated with metabolic health in preclinical models, is safe and well tolerated in humans and may improve metabolic parameters in overweight and obese patients.

Objective

 Individuals with obesity and type 2 diabetes differ from lean and healthy individuals in their abundance of certain gut microbial species and microbial gene richness. Abundance of Akkermansia muciniphila, a mucin-degrading bacterium, has been inversely associated with body fat mass and glucose intolerance in mice, but more evidence is needed in humans. The impact of diet and weight loss on this bacterial species is unknown. Our objective was to evaluate the association between faecal A. muciniphila abundance, faecal microbiome gene richness, diet, host characteristics, and their changes after calorie restriction (CR). 

Design

 The intervention consisted of a 6-week CR period followed by a 6-week weight stabilisation diet in overweight and obese adults (N=49, including 41 women). Faecal A. muciniphila abundance, faecal microbial gene richness, diet and bioclinical parameters were measured at baseline and after CR and weight stabilisation. 

Results

 At baseline A. muciniphila was inversely related to fasting glucose, waist-to-hip ratio and subcutaneous adipocyte diameter. Subjects with higher gene richness and A. muciniphila abundance exhibited the healthiest metabolic status, particularly in fasting plasma glucose, plasma triglycerides and body fat distribution. Individuals with higher baseline A. muciniphila displayed greater improvement in insulin sensitivity markers and other clinical parameters after CR. These participants also experienced a reduction in A. muciniphila abundance, but it remained significantly higher than in individuals with lower baseline abundance. A. muciniphila was associated with microbial species known to be related to health. 

Conclusions

 A. muciniphila is associated with a healthier metabolic status and better clinical outcomes after CR in overweight/obese adults. The interaction between gut microbiota ecology and A. muciniphila warrants further investigation. 

Trial registration number

 NCT01314690.

OBJECTIVE To investigate deep and comprehensive analysis of gut microbial communities and biological parameters after prebiotic administration in obese and diabetic mice. RESEARCH DESIGN AND METHODS Genetic (ob/ob) or diet-induced obese and diabetic mice were chronically fed with prebiotic-enriched diet or with a control diet. Extensive gut microbiota analyses, including quantitative PCR, pyrosequencing of the 16S rRNA, and phylogenetic microarrays, were performed in ob/ob mice. The impact of gut microbiota modulation on leptin sensitivity was investigated in diet-induced leptin-resistant mice. Metabolic parameters, gene expression, glucose homeostasis, and enteroendocrine-related L-cell function were documented in both models. RESULTS In ob/ob mice, prebiotic feeding decreased Firmicutes and increased Bacteroidetes phyla, but also changed 102 distinct taxa, 16 of which displayed a >10-fold change in abundance. In addition, prebiotics improved glucose tolerance, increased L-cell number and associated parameters (intestinal proglucagon mRNA expression and plasma glucagon-like peptide-1 levels), and reduced fat-mass development, oxidative stress, and low-grade inflammation. In high fat–fed mice, prebiotic treatment improved leptin sensitivity as well as metabolic parameters. CONCLUSIONS We conclude that specific gut microbiota modulation improves glucose homeostasis, leptin sensitivity, and target enteroendocrine cell activity in obese and diabetic mice. By profiling the gut microbiota, we identified a catalog of putative bacterial targets that may affect host metabolism in obesity and diabetes.

Dietary lipids may influence the abundance of circulating inflammatory microbial factors. Hence, inflammation in white adipose tissue (WAT) induced by dietary lipids may be partly dependent on their interaction with the gut microbiota. Here, we show that mice fed lard for 11 weeks have increased Toll-like receptor (TLR) activation and WAT inflammation and reduced insulin sensitivity compared with mice fed fish oil and that phenotypic differences between the dietary groups can be partly attributed to differences in microbiota composition. Trif−/− and Myd88−/− mice are protected against lard-induced WAT inflammation and impaired insulin sensitivity. Experiments in germ-free mice show that an interaction between gut microbiota and saturated lipids promotes WAT inflammation independent of adiposity. Finally, we demonstrate that the chemokine CCL2 contributes to microbiota-induced WAT inflammation in lard-fed mice. These results indicate that gut microbiota exacerbates metabolic inflammation through TLR signaling upon challenge with a diet rich in saturated lipids.

Significance Alcohol-dependent subjects frequently develop emotional symptoms that contribute to the persistence of alcohol drinking. These subjects are also characterized by gastrointestinal disturbances. In this study, we showed that alcohol-dependent subjects with altered intestinal permeability had also altered gut-microbiota composition and activity and remained with high scores of depression, anxiety, and alcohol craving after a short-term detoxification program. These results are consistent with the existence of a gut–brain axis in alcohol dependence, in which the gut microbiota could alter the gut-barrier function and influence behavior in alcohol dependence. Therefore, this study opens a previously unidentified field of research for the treatment and the management of alcohol dependence, targeting the gut microbiota.

To highlight the contribution of the gut microbiota to the modulation of host metabolism by dietary inulin-type fructans (ITF prebiotics) in obese women.A double blind, placebo controlled, intervention study was performed with 30 obese women treated with ITF prebiotics (inulin/oligofructose 50/50 mix; n=15) or placebo (maltodextrin; n=15) for 3 months (16 g/day). Blood, faeces and urine sampling, oral glucose tolerance test, homeostasis model assessment and impedancemetry were performed before and after treatment. The gut microbial composition in faeces was analysed by phylogenetic microarray and qPCR analysis of 16S rDNA. Plasma and urine metabolic profiles were analysed by 1H-NMR spectroscopy.Treatment with ITF prebiotics, but not the placebo, led to an increase in Bifidobacterium and Faecalibacterium prausnitzii; both bacteria negatively correlated with serum lipopolysaccharide levels. ITF prebiotics also decreased Bacteroides intestinalis, Bacteroides vulgatus and Propionibacterium, an effect associated with a slight decrease in fat mass and with plasma lactate and phosphatidylcholine levels. No clear treatment clustering could be detected for gut microbial analysis or plasma and urine metabolomic profile analyses. However, ITF prebiotics led to subtle changes in the gut microbiota that may importantly impact on several key metabolites implicated in obesity and/or diabetes.ITF prebiotics selectively changed the gut microbiota composition in obese women, leading to modest changes in host metabolism, as suggested by the correlation between some bacterial species and metabolic endotoxaemia or metabolomic signatures.