我會(huì)常務(wù)理事 中科院微生物所劉宏偉研究員團(tuán)隊(duì)揭示茯苓調(diào)節(jié)腸道菌群抗代綜合征新機(jī)制——中藥“健脾”離不開(kāi)腸道菌群。

【CJNM高被引文章】中藥“健脾”離不開(kāi)腸道菌群-中科院微生物所劉宏偉研究員團(tuán)隊(duì)揭示茯苓調(diào)節(jié)腸道菌群抗代綜合征新機(jī)制

近年來(lái)，全世界代謝綜合征患病率迅速上升。代謝綜合征有以下特征，包括胰島素抵抗、中心性肥胖、高血壓、血脂異常和高血糖。腸道微生物區(qū)系是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，在人類(lèi)胃腸道中由大約1200個(gè)物種組成，是一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)。調(diào)節(jié)腸道微生物區(qū)系是控制代謝綜合征，如肥胖、糖尿病和非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的一種新的治療策略。

茯苓為多孔菌科真菌茯苓Poria cocos(Schw.)Wolf的干燥菌核，是常用名貴中藥，也是藥食同源資源。茯苓被譽(yù)為“四時(shí)神藥”，功善健脾。中醫(yī)認(rèn)為脾主運(yùn)化水谷精微，輸布全身，負(fù)責(zé)人體對(duì)食物的吸收和新陳代謝。脾虛會(huì)導(dǎo)致糖尿病和高血脂癥等代謝性疾病。茯苓含有80%以上的不溶性多糖，不易被人體吸收，但可以和腸道微生物相互作用。這些不溶性多糖是茯苓發(fā)揮藥效的物質(zhì)基礎(chǔ)，但是其抗代謝綜合征的作用和機(jī)制長(zhǎng)期不清?；诖?，中國(guó)科學(xué)院微生物研究所真菌學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉宏偉研究員團(tuán)隊(duì)首先從茯苓菌核中分離鑒定了一種水不溶性多糖(WIP)，進(jìn)而研究WIP改善糖脂代謝作用和調(diào)節(jié)腸道菌群機(jī)制。研究揭示了茯苓健脾依賴(lài)于茯苓多糖的腸道菌群調(diào)節(jié)作用，為難溶性中藥作用機(jī)制研究提供了新思路。

研究成果發(fā)表于CJNM 2019年第一期，文章標(biāo)題為An insoluble polysaccharide from the sclerotium of Poria cocos improves hyperglycemia, hyperlipidemia and hepatic steatosis in ob/ob mice via modulation of gut microbiota，研究證明WIP可通過(guò)調(diào)節(jié)ob/ob小鼠的腸道微生物區(qū)系改善糖脂代謝，減輕炎癥和肝臟脂肪變性。

01

WIP的結(jié)構(gòu)表征

從茯苓菌核中獲得了WIP，產(chǎn)率為39.8%。WIP的傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)在3395、2914、1200-1000 cm-1處有吸收峰，分別對(duì)應(yīng)于O-H、C-H、C-O、C-O-C鍵的振動(dòng)。在1074 cm-1和890 cm-1處的吸收表明糖是具有β異構(gòu)體的吡喃糖形式。通過(guò)酸水解和相應(yīng)衍生物的HPLC分析，確定多糖的單糖組成為D-葡萄糖。根據(jù)在103.1/4.51(d，J=7.5 Hz，H-1)，72.8/3.26(H-2)，86.4/3.44(H-3)，68.4/3.19(H-4)，76.3/3.26(H-5)，60.9/3.68(H-1) 及3.44(H-6)處觀察到的信號(hào)，確定了該多糖的主鏈為1,3-β-D-葡聚糖。

02

WIP治療改善高血糖和胰島素抵抗

使用ob/ob小鼠評(píng)價(jià)WIP的降血糖和降血脂作用。以菊粉作為陽(yáng)性對(duì)照。WIP (1.0g/kg，0.5g/kg)灌胃，每日1次，療程4周。觀察到WIP (1.0g/kg和0.5g/kg)在治療7d后顯著降低空腹血糖和自由飲食血糖。糖化血紅蛋白A1c (HbA1c)顯著降低。WIP治療還改善了糖耐量和胰島素抵抗。與模型組比較，1.0mg/kg和.5 mg/kgWIP可使肥胖小鼠的胰島素敏感性指數(shù)分別升高49%和33%。相反，菊粉的陽(yáng)性對(duì)照對(duì)糖耐量和胰島素抵抗影響不大。

03

WIP改善高脂血癥和肝臟脂肪變性

WIP和菊粉處理對(duì)膳食攝入量、體重和肝臟指數(shù)均無(wú)顯著影響。而血清總膽固醇 (TC)、甘油三酯 (TG)和低密度脂蛋白膽固醇 (LDL-C)水平則明顯低于賦形劑組。結(jié)果表明，WIP組小鼠血清總膽固醇 (TC)、甘油三酯 (TG)和低密度脂蛋白膽固醇 (LDL-C)水平明顯低于賦形劑組。低密度脂蛋白-膽固醇 (LDL-C)降低劑在臨床試驗(yàn)中被證實(shí)對(duì)治療血脂異常有效。H&E染色的白色脂肪組織切片 (W、A、T)顯示ob/ob小鼠白色脂肪組織內(nèi)脂肪細(xì)胞體積增大。口服WIP或菊粉可防止脂肪細(xì)胞肥大，表明WIP和菊粉可改善脂肪變性。

非酒精性脂肪性肝病 (NAFLD)與肥胖和肥胖相關(guān)疾病密切相關(guān)。因此，作者研究了WIP對(duì)肝脂代謝和肝損傷的影響。研究發(fā)現(xiàn)，WIP能有效降低ob/ob小鼠肝臟中的甘油三酯、總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇水平，降低血清丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶 (ALT)、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶 (AST)的活性，提高超氧化物歧化酶 (SOD)的活性。AST、ALT是肝功能的重要臨床指標(biāo)，AST、ALT升高提示肝功能損害。SOD能清除肝臟中的氧自由基，減輕氧化應(yīng)激。此外，肝臟切片染色表明，1.0g/kg和0.5g/kgWIP能明顯減輕ob/ob小鼠肝臟的巨大脂肪變性和肝細(xì)胞腫脹。相比之下，菊粉處理的ob/ob小鼠對(duì)AST、ALT、SOD和肝臟大塊脂肪變性的改善作用較小。結(jié)果表明，WIP減輕肝臟脂肪變性和肝損傷的有效性。

04

WIP對(duì)腸道微生物區(qū)系組成的影響

眾所周知，多糖可以作為腸道微生物區(qū)系的主要能源和碳源，從而有利于腸道微生物區(qū)系的生長(zhǎng)。為了探討WIP對(duì)腸道微生物區(qū)系的影響，我們從ob/ob小鼠盲腸內(nèi)容物中進(jìn)行了16SrRNA基因V3-V4高變區(qū)的高通量測(cè)序 (HiSeq)。剔除不合格序列后，平均每個(gè)樣本獲得525個(gè)操作分類(lèi)單元(OTU)。每組的OTUS平均值和重疊使用VINE圖進(jìn)行。

OTU水平上的主成分分析表明，每一組微生物區(qū)系組成都有明顯的聚類(lèi)。同時(shí)，與模型組相比，WIP組和菊粉組的α多樣性都明顯降低。計(jì)算出的細(xì)菌在門(mén)水平上的相對(duì)豐度如圖所示。與賦形劑處理相比，WIP處理的ob/ob小鼠顯著提高了類(lèi)桿菌的豐度。在WIP處理顯著改變的20個(gè)屬中，6個(gè)單鏈脂肪酸產(chǎn)生菌顯著增加，它們是拉氏螺旋菌、別雷弗氏菌、副桿菌屬、梭狀芽孢桿菌IV屬、瘤胃球菌和類(lèi)桿菌。同時(shí)，WIP誘導(dǎo)的巨型單胞菌和變形桿菌的豐度分別降低了120倍和101倍。線性判別分析(LDA)效應(yīng)大小證實(shí)了WIP組產(chǎn)SCFA的淚囊藻、XIVa梭菌和Ⅳ梭菌的增加。菊粉處理中阿克曼屬(Akkermansia)和雙歧桿菌(Bifidobacteriales)數(shù)量明顯增加，說(shuō)明WIP和菊粉對(duì)腸道微生物區(qū)系的調(diào)節(jié)作用不同。因此，口服WIP對(duì)腸道微生物區(qū)系的組成有很大的調(diào)節(jié)作用。

05

WIP可提高丁酸鹽產(chǎn)量并保持腸道完整性

腸道微生物區(qū)系產(chǎn)生的各種代謝物，如膽汁酸衍生物、單鏈脂肪酸、氨基酸衍生物和脂多糖，是連接腸道微生物區(qū)系與宿主生理病理的重要功能分子?？诜IP處理顯著增加了小鼠糞便中丁酸的產(chǎn)量。作者研究了WIP對(duì)ob/ob小鼠粘膜屏障功能的影響。結(jié)果表明， 1.0g·kg-1處理組回腸粘膜完整蛋白 (MUC-5)、緊密連接蛋白 (ZO-1)的表達(dá)明顯增加。代謝性?xún)?nèi)毒素血癥，即血漿脂多糖 (LPS)水平升高，會(huì)引起慢性低度炎癥 (CLGI)。在1.0g·kg-1劑量下，ob/ob小鼠與賦形劑對(duì)照組相比，血漿內(nèi)毒素水平降低了10.9%。同時(shí)，WIP可顯著降低脂多糖刺激的重要炎癥因子TNF-α水平。血漿中升高的腫瘤壞死因子-α已被認(rèn)為是代謝綜合征的重要危險(xiǎn)因素。丁酸可以減少對(duì)兼性厭氧細(xì)菌的氧氣或硝酸鹽供應(yīng)，從而控制兼性厭氧細(xì)菌的非生物擴(kuò)張。丁酸激活上皮PPAR-γ信號(hào)，增加脂肪酸的β氧化，降低硝酸鹽的釋放。我們發(fā)現(xiàn)，WIP上調(diào)了PPARG的mRNA表達(dá)，顯著降低了結(jié)腸腔內(nèi)的硝酸鹽水平。因此，WIP提高丁酸產(chǎn)量可以改善腸道屏障功能和預(yù)防革蘭氏陰性變形桿菌(變形桿菌、腸桿菌科)的產(chǎn)生。

06

糞便移植改善高血糖和脂代謝

為了進(jìn)一步證實(shí)腸道微生物區(qū)系在介導(dǎo)WIP效應(yīng)中的作用，我們將WIP處理的小鼠的微生物區(qū)系轉(zhuǎn)移到ob/ob小鼠，隨后檢測(cè)了代謝綜合征相關(guān)指標(biāo)。與溶劑組相比，WIP治療組的糞便移植顯著降低了自由飲食大鼠的血糖、血漿TC和TG，增加了胰島素敏感指數(shù)。這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了腸道微生物區(qū)系對(duì)WIP改善糖脂穩(wěn)態(tài)的有益作用。

作者簡(jiǎn)介

劉宏偉，男，博士，研究員，先后獲得沈陽(yáng)藥科大學(xué)藥物化學(xué)博士學(xué)位、日本東京水產(chǎn)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)博士學(xué)位。2019年入選“百千萬(wàn)人才”國(guó)家級(jí)人選、中青年有突出貢獻(xiàn)專(zhuān)家。 長(zhǎng)期開(kāi)展我國(guó)高等真菌及其共寄生真菌活性次級(jí)代謝產(chǎn)物高效發(fā)現(xiàn)、生物合成和成藥性研究。

現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院微生物研究所真菌學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、中國(guó)菌物學(xué)會(huì)第七屆常務(wù)理事/副秘書(shū)長(zhǎng)，中國(guó)菌物學(xué)會(huì)菌物化學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任委員。作為課題負(fù)責(zé)人主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題2項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)，以通訊/第一作者在Nat. Comm.、Cell Rep.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Med. Chem.、Org. Lett.等發(fā)表SCI論文100余篇，參編英文著作兩部。獲得授權(quán)專(zhuān)利20余項(xiàng)，9項(xiàng)專(zhuān)利成功轉(zhuǎn)讓實(shí)施。獲得西藏自治區(qū)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)，中國(guó)菌物學(xué)會(huì)戴方瀾優(yōu)秀青年獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。

中國(guó)菌物學(xué)會(huì)