代谢相关脂肪性肝病(metabolic dysfunction-associated fatty liver disease, MAFLD)是全球最常见的肝脏疾病,其患病率逐年递增,并且在我国的发病率最高[1]。MAFLD包括从单纯性肝脂肪变性到代谢功能障碍相关脂肪性肝炎,并可能进一步进展为肝纤维化、肝硬化,甚至肝细胞癌[2]。目前,临床治疗MAFLD一般在控制饮食和减重基础上对产生的代谢紊乱加用相应药物,包括使用他汀类药物控制高脂血症,吡格列酮改善胰岛素抵抗等[3]。然而他汀类药物具有潜在的肝毒性、吡格列酮会加重心脏负担,瑞美替罗作为一种肝脏定向甲状腺激素β受体选择性激动剂于2024年3月通过美国食品药品管理局批准用于靶向治疗MAFLD[4],但其价格昂贵且尚未普及。因此,探索新的干预手段十分必要。
决明子是豆科植物决明或小决明的干燥成熟种子,始载于《神农本草经》,列为上品药,现已被国家卫生部列为药食同源的中药产品之一,具有清肝热的作用[5]。研究表明,决明子苷提取物可以调节脂质代谢[6]并改善胰岛素抵抗[7]。决明子苷(Cassiaside)是决明子中主要的吡喃酮类化合物,相关研究表明决明子中的吡喃酮类化合物具有抗糖尿病[8-9]、改善高脂血症[10]和抗炎[11]等作用。
中药发酵炮制是一种传统中草药加工方法。决明子传统炮制方法为炒法,但炒制温度过高会导致决明子的保肝作用减弱,益生菌发酵因其温和高效成为研究热点。实验证明,酵母菌Y101发酵决明子提取物通过显著提高蒽醌、类黄酮和多酚的含量表现出抗氧化和抗炎[12]、促进肠道蠕动和修复肠道结构损伤[13]的作用。本课题组前期实验筛选得到一株能够转化决明子苷的短双歧杆菌(Bifidobacterium breve)CCFM1489,然而CCFM1489与决明子苷结合后的功效尚未进行研究。基于上述背景,本研究通过高脂饮食诱导的小鼠MAFLD模型,探究短双歧杆菌CCFM1489联合决明子苷对MAFLD小鼠的影响及作用机制。
短双歧杆菌CCFM1489分离于婴儿粪便样品,保藏于江南大学食品生物技术中心菌种库;决明子苷纯品(CAS:123914-49-8),成都普思生物科技股份有限公司;低脂低糖饲料(TP23302)、高脂肥胖模型饲料(TP23300),南通特洛菲饲料科技有限公司;罗氏血糖试纸,罗氏诊断产品有限公司;4%多聚甲醛固定液(批号BL539A),Biosharp公司;IL-1β ELISA试剂盒(SBJ-M0583-96T)、IL-6 ELISA试剂盒(SBJ-M0657-96T)、TNF-α ELISA试剂盒(SBT-M0030-96T),南京森贝伽生物科技有限公司;E.Z.N.A.® DNA提取、AxyPrep DNA凝胶回收、NEXTFLEX® DNA快速测序试剂盒,上海美吉生物公司。
改良MRS培养基(g/L):蛋白胨10、酵母提取物5、牛肉膏10、葡萄糖20、无水乙酸钠2、柠檬酸氢二胺2、K2HPO4·3H2O 2.6、MgSO4·7H2O 0.58、MnSO4·7H2O 0.25、吐温-80 1。
Centrifuge5424 R小型台式高速离心机,德国Eppendorf公司;罗氏活力®血糖仪,罗氏诊断产品有限公司;AU480全自动生化分析仪,贝克曼库尔特有限公司;DX12切片扫描仪,匈牙利3Dhistech有限公司;SCIENTZ-48高通量组织研磨器,宁波新芝生物公司;Multiscan GO型酶标仪,美国赛默飞有限公司。
42只5周龄SPF级C57BL6/J小鼠由上海维通利华实验动物技术有限公司提供,本实验获得江南大学实验动物伦理委员会批准,批号JN.No20240330c0880815[147]。
1.4.1 样品制备
合生制剂的制备是将CCFM1489菌株复苏活化后在改良MRS培养基中扩培,之后用冷冻干燥机(-45 ℃,2 000 r/min)冻干成粉后计数,将菌株干粉与决明子苷(5 g/L)混合后得到CCFM1489-决明子苷合生制剂。
后生元的制备是将CCFM1489菌株复苏活化后,于含有决明子苷(5 g/L)的改良MRS培养基中发酵36 h,之后将发酵液巴氏杀菌(65 ℃,30 min),超声粉碎(粉碎功率60%,15 min,间歇4 s),冷冻干燥后得到CCFM1489-决明子苷后生元。
1.4.2 动物实验设计
C57BL/6 J小鼠饲养于温度(26±2) ℃、相对湿度(50±5)%的环境中,适应一周后随机分为对照组、模型组、阿托伐他汀组、决明子苷组、CCFM1489活菌组、CCFM1489-决明子苷合生制剂(合生制剂)、CCFM1489-决明子苷后生元(后生元),每组6只。造模期间对照组给予10%低脂饲料,其余各组均给予60%高脂饲料进行小鼠MAFLD造模,所有组别均自由饮食、饮水,每3 d更换一次饲料和水。造模8周后开始灌胃干预,具体方案见表1,灌胃决明子苷剂量为2.25 mg/kg,CCFM1489的剂量为5×109 CFU,连续给药4周。实验开始后每周测量小鼠体质量。实验结束前禁食12 h,所有小鼠采用异氟烷吸入麻醉。采用摘眼法取血辅以脱颈处死,解剖收集肝脏、附睾脂肪组织,称重后取部分组织放在4%多聚甲醛固定液中固定,剩余的保存至-80 ℃冰箱待检测。
表1 动物实验方案
Table 1 Animal experiment protocol
组别灌胃物质对照组生理盐水模型组生理盐水阿托伐他汀组10 mg/kg阿托伐他汀决明子苷组决明子苷CCFM1489组CCFM1489活菌合生制剂组决明子苷和CCFM1489活菌后生元组CCFM1489发酵决明子苷
1.4.3 口服葡萄糖耐受(oral glucose tolerance test, OGTT)检测
解剖之前5 d进行小鼠OGTT检测。小鼠禁食12 h后,以2 mg/g体重的剂量灌胃葡萄糖溶液,分别于灌胃前和灌胃后15、30、60、90、120 min采集小鼠尾静脉血样检测血糖。
1.4.4 组织病理分析
将肝脏置于4%多聚甲醛固定液固定24 h后送至赛维尔生物科技公司进行苏木精-伊红(hematoxylin-eosin,HE)染色及油红O染色,使用切片扫描仪进行病理切片扫描及病理分析。
1.4.5 血清生化指标和炎症因子测定
采集的全血样品静置30 min后离心(3 000×g,10 min)得到血清,并采用全自动生化分析仪测定小鼠血清中的总胆固醇(total cholesterol, TC)、甘油三酯(triglyceride, TG)、低密度脂蛋白胆固醇(low-density lipoprotein cholesterol, LDL-C)、高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoprotein cholesterol, HDL-C)、谷丙转氨酶(alanine aminotransferase, ALT)、谷草转氨酶(aspartate aminotransferase, AST)浓度。按酶联免疫吸附试验(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)试剂盒使用说明书检测血清中IL-1β、IL-6、TNF-α含量。
1.4.6 肠道微生物群分析
按照试剂盒说明提取小鼠粪便中的总DNA,再对16S rRNA基因进行扩增。使用琼脂糖凝胶电泳和胶回收试剂盒纯化PCR产物。将DNA进行定量并以等浓度汇集后在Illumina MiSeq PE300平台上进行配对末端测序。
1.4.7 肝脏代谢组学分析
肝脏代谢组学分析委托上海百趣生物医学科技公司检测,将采集的数据信息导入R软件,进行主成分分析(principal component analysis, PCA)、差异代谢物分析。
使用SPSS 25分析数据,结果表示为“平均值±平均差”。先进行方差齐性检验,2组间均数比较采用t检验,多组间比较采用Kruskal-Wallis检验,P<0.05具有统计学意义。采用GraphPad Prism 10作图。
造模8周后,相较于对照组,模型组和未给药实验组小鼠体质量显著增加(图1-A)。给药4周后,与模型组相比,后生元组小鼠末次体质量、干预期间体质量增加量显著减少(P<0.05、P<0.001),而阿托伐他汀组、决明子苷组、CCFM1489组、合生制剂组小鼠没有显著差异(图1-B和图1-C)。
A-体质量变化曲线;B-处死前体质量;C-干预期间体质量增加量;D-肝脏指数;E-白色脂肪指数
图1 小鼠肥胖特征变化(n=6)
Fig.1 Changes in obesity characteristics of mice (n=6)
注:与模型组比较*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001(下同)。
小鼠肝脏和附睾白色脂肪指数如图1-D和图1-E所示,与对照组相比,模型组的肝脏和白色脂肪指数显著上升(P<0.001),表明MAFLD导致小鼠肝脏及外周脂肪堆积。与模型组相比,阿托伐他汀组、合生制剂组和后生元组小鼠的肝脏指数显著降低(P<0.05),表明短双歧杆菌CCFM1489联合决明子苷能够有效降低高脂饮食造成的小鼠肝脏肿大。
模型组OGTT各时间点血糖及血糖曲线下面积均高于对照组(图2-A和图2-B)。干预后,与模型组相比,后生元组小鼠糖负荷后各时间点血糖及血糖曲线下面积(P<0.001)显著降低,并且决明子苷组小鼠血糖曲线下面积也有改善(P<0.01)。
A-血糖OGTT曲线;B-血糖OGTT曲线下面积;C-血清TC;D-血清TG;E-血清LDL-C;F-血清HDL-C;G-血清LDL-C和HDL-C比值
图2 小鼠血糖和血脂变化(n=6)
Fig.2 Changes in blood glucose and blood lipids of mice (n=6)
与对照组相比,模型组小鼠血清TC、TG、LDL-C和HDL-C均显著升高(P<0.01);与模型组相比,阿托伐他汀组和后生元组小鼠的TC、TG、LDL-C水平显著降低(P<0.05),其余组别无显著改变(图2-C~图2-F)。
模型组较对照组LDL/HDL显著升高(P<0.05),后生元干预可以降低比值(P<0.05)。以上结果说明CCFM1489-决明子苷后生元可以改善高脂饮食诱导下小鼠的血脂紊乱。
与对照组相比,模型组小鼠血清ALT、AST水平显著升高(P<0.01);与模型组相比,后生元组小鼠ALT、AST水平显著降低(P<0.001),其余各组无显著差异(图3-A和图3-B)。结果表明CCFM1489-决明子苷后生元可有效缓解高脂饮食造成的肝脏损伤。
A-血清ALT水平(n=6);B-血清AST水平(n=6);C-血清IL-6水平(n=6);D-血清IL-1β水平(n=6);E-血清TNF-α水平(n=6);F-小鼠肝脏HE染色病理变化(×200);G-小鼠肝脏油红O染色病理变化(×200)
图3 小鼠肝脏损伤及炎症指标变化
Fig.3 Changes in liver injury and inflammation markers in mice
与对照组相比,模型组小鼠血清中的IL-6、IL-1β、TNF-α水平明显升高(P<0.05);与模型组相比,不同干预组血清中各炎症因子含量不同程度下降,而后生元和合生制剂组降低效果显著(P<0.01)(图3-C~图3-E)。结果表明CCFM1489联合决明子苷可有效缓解高脂饮食造成的机体炎症。
HE染色(图3-F)切片显示,对照组小鼠肝脏细胞结构完整,细胞核大而圆,形态规则位于细胞中央位置,肝小叶结构正常,肝索条理清晰。与对照组相比,模型组小鼠肝脏细胞肿胀增大,细胞内散在分布大小不等的脂肪空泡,细胞核小偏于一侧,肝小叶结构被破坏,肝索排列紊乱。给药4周后,阿托伐他汀组、决明子苷组、CCFM1489组、合生制剂组、后生元组小鼠肝细胞形态有不同程度改善,脂肪空泡不同程度的减少,其中后生元组效果最好。
油红O染色(图3-G)显示,对照组小鼠肝脏细胞整体形态正常,胞质内无红色脂滴;模型组小鼠肝脏病理表现为肝细胞形态结构被破坏及胞质内弥漫分布的脂滴;阿托伐他汀组、决明子苷组、CCFM1489组、合生制剂组、后生元组小鼠肝细胞边界趋于清晰,胞质内脂滴蓄积呈现不同程度减轻,且后生元组减轻程度最好。
采用Richness指数、Chao1指数、Shannon指数分析各组小鼠α多样性(表2),结果显示与对照组相比,模型组上述指数均有降低,与模型组相比,后生元组上述指数均升高,其中Shannon指数具有显著性(P<0.05),表明后生元可以提升MAFLD小鼠肠道菌群的丰富度。通过主坐标分析(principal coordinate analysis,PCoA)(图4-A)发现,模型组与对照组的PCoA图完全分离,而后生元组PCoA图与对照组有部分重叠,表明后生元干预能够显著改变小鼠肠道菌群结构,将其向正常小鼠的肠道菌群结构转变。
A-小鼠肠道菌群PCoA;B-厚壁菌门群落丰度差异;C-拟杆菌门群落丰度差异;D-间厚壁菌门/拟杆菌门比值差异;E-小鼠肠道菌群道菌群LEfSe进化分支图;F-优势物种及其相对丰度;G-对照组与模型组显著差异菌属;H-模型组与后生元组显著差异菌属;I-差异菌属与生化指标相关性分析热图;J-差异菌属与炎症因子相关性分析热图
图4 小鼠肠道菌群结构分析
Fig.4 Analysis of the structure of intestinal flora in mice
注:#、##、###表示显著相关性。
表2 小鼠肠道菌群α多样性分析
Table 2 Analysis on α diversity of intestinal flora of mice
组别Richness指数Chao1指数Shannon指数对照 72.8±2.4890.83±17.313.22±0.19模型 64.2±5.80##80.60±15.333.21±0.08后生元69.2±3.9096.92±12.503.42±0.09#∗
注:与对照组比较:#P<0.05,##P<0.01;与模型组比较:*P<0.05。
小鼠肠道菌群门水平上主要由厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)构成。相较于对照组,模型组拟杆菌门的相对丰度显著降低(P<0.05),厚壁菌门相对丰度(P<0.001)及厚壁菌门/拟杆菌门的比值(P<0.05)显著升高,给药4周后,后生元组厚壁菌门(P<0.001)、拟杆菌门相对丰度(P<0.001)和厚壁菌门/拟杆菌门的比值(P<0.05)均显著恢复(图4-B~图4-D)。在属水平上,与对照组相比,模型组小鼠肠道菌群中Erysipelatoclostridium、Ruminococcaceae UCG-004属相对丰度显著升高(P<0.05),而后生元干预可以显著降低小鼠肠道菌群中Erysipelatoclostridium、Ruminococcaceae UCG-004属相对丰度(P<0.05)(图4-F~图4-H)。
线性判别分析效应量(linear discriminant analysis effect size,LEfSe)多级物种层级树图直观展示了各组肠道菌群从门至属水平的群落结构差异(图4-E),后生元组从科水平上调控拟杆菌科(Bacteroidaceae)、海洋丝菌科(Marinifilaceae),属水平上调控拟杆菌属(Bacteroides)、另枝菌属(Alistipes)、副拟杆菌属(Parabacteroides)等。
如图4-I和图4-J所示筛选出拟杆菌属等5种后生元组与模型组的差异菌属,通过热图分析差异属与生化指标、炎症因子的相关性,结果表明,生化指标(TC、TG、LDL-C、AST、ALT)、炎症因子(IL-6、IL-1β、TNF-α)与拟杆菌属、副拟杆菌属呈现高度负相关,而TNF-α)与拟杆菌属、副拟杆菌属呈现高度负相关,而与Erysipelatoclostridium、Ruminococcaceae UCG-004、乳球菌属(Lactococcus)呈现高度正相关。
PCA法是重要的化学计量学方法,可以突显代谢组学数据的总体分布趋势[14],如图5-A所示,模型组与对照组的PCA图显著分离,而后生元组PCA图与对照组有显著重叠,表明后生元干预能够显著改变小鼠肝脏代谢产物,使其向正常小鼠靠近。以P<0.05,VIP值>1为条件筛选出差异代谢物,并绘制代谢物火山图,观察差异代谢的分布,与对照组相比,模型组有312种代谢物上调,250种代谢物下调,说明高脂饮食导致不同的代谢物谱(图5-B)。与模型组相比,后生元组上调53种代谢物,下调31种代谢物(图5-C)。选择后生元组较模型组显著上调和显著下调的前10个差异代谢物绘制热图(图5-D),上调的代谢物主要包括焦谷氨酸、Isolupalbigenin、7,12-二酮石胆酸等,下调的代谢物主要包括4,4′-亚甲基-双-邻氯苯胺、3-甲基戊二酰肉碱、4-硝基苯胺等。最后,基于Metabo Analyst 5.0 KEGG对差异代谢物进行生物途径分析,筛选潜在的关键代谢通路,结果显示后生元可能通过调节乙醛酸和二羧酸代谢、牛磺酸和次牛磺酸代谢、谷胱甘肽代谢通路发挥缓解MAFLD的效果(图5-E)。
A-小鼠肝脏代谢物的PCA;B-对照组和模型组代谢物火山图;C-模型组和后生元组代谢物火山图;D-模型组和后生元组差异代谢物热图;E-KEGG富集通路图
图5 小鼠肝脏代谢组变化
Fig.5 Changes in the liver metabolomics of mice in model group and postbiotics group
MAFLD是一种与肥胖、2型糖尿病及血脂异常等代谢紊乱密切相关的慢性肝病,其病理特征表现为肝脏脂质蓄积引发的炎症反应和纤维化进展,最终可能导致肝硬化或肝细胞癌。近年研究表明,天然产物在MAFLD干预中具有潜在价值。LUO等[15]通过动物实验证实决明子提取物可通过改善脂质代谢紊乱、修复肠道屏障功能及减轻肝脏炎症反应缓解MAFLD小鼠肝损伤。决明子苷是决明子的有效成分之一,有研究发现其对半乳糖胺引起的肝细胞损伤具有保护作用[16]。双歧杆菌是肠微生物群中重要的组成部分,它能产生β-葡萄糖苷酶等糖基水解酶,有助于水解去除植物化学物质中的糖苷[17]。与此同时,双歧杆菌被认为对MAFLD的具有保护作用受到广泛关注[18]。本研究基于上述背景,通过构建高脂高果糖饮食诱导的MAFLD小鼠模型,以及短双歧杆菌CCFM1489联合决明子苷改善MAFLD的作用机制。
本研究建立的MAFLD小鼠模型在体重、血糖脂质代谢紊乱、肝脏损伤、机体炎症及肝脏病理学等方面的改变均符合MAFLD临床病理特征,成功模拟了人类代谢相关脂肪性肝病的疾病进程[19]。其次,评价了短双歧杆菌CCFM1489联合决明子苷治疗MAFLD的效果。结果表明,后生元可显著改善MAFLD小鼠的肥胖特征,改善肝脏脂质沉积。但对附睾脂肪组织的脂质蓄积无显著调节作用,提示其作用靶点可能具有组织特异性。在糖代谢方面,决明子苷和后生元都能降低OGTT曲线下面积,JUNG等[9]曾报道决明子苷通过抑制α-葡萄糖苷酶活性调控餐后血糖,这可能是决明子苷及后生元调节血糖代谢的潜在机制[20],需要后续进一步研究证实。血脂代谢方面,后生元表现出与阿托伐他汀相当的降血脂效果。SONG等[21]实验证实了燕麦乳双歧杆菌后生元能纠正高蔗糖饮食诱导的脂肪酸代谢紊乱。相较于活菌,后生元被证实具有更好改善MAFLD小鼠肝脏损伤及炎症的能力[22],这与本研究结果相符合。NIE等[10]研究揭露了决明子苷虽然是血脂灵发挥降脂作用的成分之一,但其体内暴露不佳,口服给药后血浆中药物浓度低,加之本模型采用的高脂高果糖饲料加剧肠道菌群失调,进一步影响决明子苷的生物转化,这可能是决明子苷组疗效欠佳的重要原因。
肠道菌群失调是MAFLD的重要发病机制,研究表明MAFLD小鼠肠道拟杆菌门减少,而厚壁菌门和变形菌门的水平增加[25],这与本实验结果一致。在门水平上,后生元可以提高拟杆菌门相对丰度,降低厚壁菌门丰度、厚壁菌门/拟杆菌门的比值。属水平上,后生元可降低Erysipelatoclostridium、Ruminococcaceae UCG-004的丰度。Erysipelatoclostridium的富集与非酒精性脂肪肝的发生发展密切相关[24]。Ruminococcaceae UCG-004是一种瘤胃球菌,研究表明非酒精性脂肪肝大鼠肠道菌群中瘤胃球菌科丰度明显升高[25]。一项孟德尔随机化研究表明受试者肠道中Ruminococcaceae UCG-004的富集会增加非酒精性脂肪肝病风险(P=0.02)[26]。相关性热图分析进一步揭示了肠道菌群与生化指标及炎症因子的关系,SUN等[27]研究表明Erysipelatoclostridium丰度与MAFLD小鼠血清中TC、TG、LDL-C、ALT、AST含量呈正相关。Erysipelatoclostridium作为MAFLD核心促炎细菌属其丰度与小鼠血清炎症因子呈正相关[28-29],与本研究结果一致。在D-半乳糖胺诱导的大鼠急性肝损伤模型中Ruminococcaceae UCG-004被证实与TNF-α正相关[30]。以上结果提示短双歧杆菌CCFM1489-决明子苷后生元可纠正MAFLD引起的肠道菌群紊乱,并有可能通过调低某些菌属丰度改善血脂代谢、肝脏损伤和炎症反应。
代谢组学结果显示后生元可以上调焦谷氨酸、Isolupalbigenin、7,12-二酮石胆酸,下调4,4′-亚甲基-双-邻氯苯胺、3-甲基戊二酰肉碱、4-硝基苯胺等代谢物含量。KEGG通路富集分析表明,干预效应主要涉及乙醛酸和二羧酸代谢、牛磺酸和次牛磺酸代谢、谷胱甘肽代谢3条关键途径。焦谷氨酸是由谷氨酸转变产生的一种氨基酸,参与谷胱甘肽(glutathione, GSH)代谢,GSH是一种抗氧化剂,可以通过调节细胞增殖、凋亡、免疫功能治疗肝脏疾病[31]。此外,研究证明补充焦谷氨酸可通过降低2型糖尿病大鼠胰岛素抵抗、血清和肝脏脂质水平[32]。Isolupalbigenin是一种有显著α-葡萄糖苷酶抑制作用的异黄酮类化合物,且可以体外抑制肿瘤细胞增殖[33]。2-羟基乙磺酸是牛磺酸的代谢产物[34],LI等[35]实验证实,牛磺酸和次牛磺酸代谢的增强会降低高脂饲料(high fat diet, HFD)喂养小鼠的丙氨酸氨基转移酶、肝脏甘油三酯、脂肪生成基因和血浆胆固醇。4,4′-亚甲基-双-邻氯苯胺对小鼠和大鼠的肝癌、大鼠的肺和乳腺肿瘤以及狗的膀胱癌具有诱导作用[36]。慢性疾病或急性损伤相关的线粒体能量代谢受损可导致3-甲基戊二酰肉碱的堆积[37]。4-硝基苯胺对肝脏、肾脏、血液系统等都具有毒性[38]。综上所述,短双歧杆菌CCFM1489-决明子苷后生元可能通过调控多个代谢途径及代谢物发挥抗MAFLD的作用。
本研究通过MAFLD模型研究短双歧杆菌CCFM1489联合决明子苷对小鼠MAFLD的缓解效果,并通过肠道菌群及代谢组学进行机制分析,结果表明短双歧杆菌CCFM1489-决明子苷后生元能够有效缓解小鼠MAFLD,其机制包括通过调节肠道菌群以及调节乙醛酸和二羧酸代谢、牛磺酸和次牛磺酸代谢、谷胱甘肽代谢等多条代谢通路,以发挥减轻肝脏脂质堆积、降低机体炎症、改善胰岛素抵抗的作用。研究结果发现为MAFLD微生态干预策略提供了新的理论依据,同时为进一步开发功能性食品提供参考。
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