我會常務(wù)理事 中科院微生物所劉宏偉研究員團隊揭示茯苓調(diào)節(jié)腸道菌群抗代綜合征新機制——中藥“健脾”離不開腸道菌群。

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

近年來，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)系是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，在人類胃腸道中由大約1200個物種組成，是一個完整的生態(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。茯苓被譽為“四時神藥”，功善健脾。中醫(yī)認(rèn)為脾主運化水谷精微，輸布全身，負(fù)責(zé)人體對食物的吸收和新陳代謝。脾虛會導(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制長期不清。基于此，中國科學(xué)院微生物研究所真菌學(xué)國家重點實驗室劉宏偉研究員團隊首先從茯苓菌核中分離鑒定了一種水不溶性多糖(WIP)，進而研究WIP改善糖脂代謝作用和調(diào)節(jié)腸道菌群機制。研究揭示了茯苓健脾依賴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，分別對應(yīng)于O-H、C-H、C-O、C-O-C鍵的振動。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，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小鼠評價WIP的降血糖和降血脂作用。以菊粉作為陽性對照。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，菊粉的陽性對照對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和菊粉處理對膳食攝入量、體重和肝臟指數(shù)均無顯著影響。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)降低劑在臨床試驗中被證實對治療血脂異常有效。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?？诜IP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。為了探討WIP對腸道微生物區(qū)系的影響，我們從ob/ob小鼠盲腸內(nèi)容物中進行了16SrRNA基因V3-V4高變區(qū)的高通量測序 (HiSeq)。剔除不合格序列后，平均每個樣本獲得525個操作分類單元(OTU)。每組的OTUS平均值和重疊使用VINE圖進行。

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。同時，與模型組相比，WIP組和菊粉組的α多樣性都明顯降低。計算出的細(xì)菌在門水平上的相對豐度如圖所示。與賦形劑處理相比，WIP處理的ob/ob小鼠顯著提高了類桿菌的豐度。在WIP處理顯著改變的20個屬中，6個單鏈脂肪酸產(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、瘤胃球菌和類桿菌。同時，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，說明WIP和菊粉對腸道微生物區(qū)系的調(diào)節(jié)作用不同。因此，口服WIP對腸道微生物區(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。口服WIP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)的表達明顯增加。代謝性內(nèi)毒素血癥，即血漿脂多糖 (LPS)水平升高，會引起慢性低度炎癥 (CLGI)。在1.0g·kg-1劑量下，ob/ob小鼠與賦形劑對照組相比，血漿內(nèi)毒素水平降低了10.9%。同時，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因素。丁酸可以減少對兼性厭氧細(xì)菌的氧氣或硝酸鹽供應(yīng)，從而控制兼性厭氧細(xì)菌的非生物擴張。丁酸激活上皮PPAR-γ信號，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，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

為了進一步證實腸道微生物區(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)果進一步證實了腸道微生物區(qū)系對WIP改善糖脂穩(wěn)態(tài)的有益作用。

作者簡介

劉宏偉，男，博士，研究員，先后獲得沈陽藥科大學(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“百千萬人才”國家級人選、中青年有突出貢獻專家。 長期開展我國高等真菌及其共寄生真菌活性次級代謝產(chǎn)物高效發(fā)現(xiàn)、生物合成和成藥性研究。

現(xiàn)任中國科學(xué)院微生物研究所真菌學(xué)國家重點實驗室副主任、中國菌物學(xué)會第七屆常務(wù)理事/副秘書長，中國菌物學(xué)會菌物化學(xué)專業(yè)委員會主任委員。作為課題負(fù)責(zé)人主持國家重點研發(fā)計劃課題2項和國家自然科學(xué)基金項目3項，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)專利20余項，9項專利成功轉(zhuǎn)讓實施。獲得西藏自治區(qū)科學(xué)技術(shù)一等獎、二等獎，中國菌物學(xué)會戴方瀾優(yōu)秀青年獎等獎項。

中國菌物學(xué)會