基于代谢组学和宏基因组学的地麦活性糖改善Ⅱ型糖尿病的药效及肠道菌群研究

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目的:基于代谢组学和宏基因组学技术手段,探讨地麦活性糖(ROS+MD,RM)改善Ⅱ型糖尿病的药效及肠道菌群多样性分析研究。方法:(1)以高膳食+STZ诱导SD大鼠Ⅱ型糖尿病为模型,考察RM对大鼠空腹血糖、血清炎症因子、血脂水平等指标的影响,并确定地麦活性糖的最佳比例。(2)确定药物最佳比例后,对量效关系展开实验,同时引入抗生素因素,考察大鼠空腹血糖、腹腔糖耐量实验(Intraperitoneal glucose tolerance test,IPGTT)、胰岛素耐量实验((Intraperitoneal insulin tolerance test,IPITT)等指标,并取粪便、尿液等样本,待后续研究。(3)肠道菌群多样性主要采用16Sr DNA测序手段,从操作分类单元(operational taxonomic units,OTU)丰度水平、门水平、属水平等开展分析与预测;代谢组学主要研究粪便及尿液样本中的差异代谢产物及对相应的代谢通路展开联动分析;宏基因组学手段主要研究粪便样本中非冗余基因集所注释到各数据库的基因及相应物种功能、组成、通路等,深入研究其起效机理。(4)对地麦活性糖进行药物安全性初步考察,以期为后续的新药开发提供药物安全性基础。结果:(1)在RM各比例组中,RM1:1组可较好的降低空腹血糖,对于血清炎症因子、血脂中TG、TC表达水平均具有抑制作用;同时改善胰腺损伤,保护肠道完整性,提高肠道L细胞的GLP-1阳性表达,故确定最佳比例为RM1:1组。(2)再次的药效学实验表明,RM1:1中剂量组及高剂量组降糖效果较好,有效改善大鼠糖耐量及提高胰岛素敏感性;抗生素引入条件下,RM与抗生素的联用降糖效果不明显,提示RM确经肠道起效。(3)肠道菌群多样性结果表明,给予RM治疗后,可提高Bacteroidetes/Firmicutes比例;在属水平上,则存在显著性差异菌属,包括Muribaculaceae、Phascolarctobacterium、Lactobacillus、bacteroides、Ruminococcaceae-UCG-014、Lachnospiraceae、Akkermansia等菌属含量,上述菌属均与短链脂肪酸产生有关;而抗生素组从OTU水平、门水平及属水平等数据分析结果表明,抗生素对肠道菌群破坏性较大,达到了预期实验设计效果。代谢组学研究表明,RM可回调高脂模型组偏离正常组的整体代谢趋势,可通过影响L-棕榈酰肉碱、谷氨酰胺、谷氨酸等氨基酸代谢、能量代谢、脂肪酸降解途径中的关键代谢产物,起到改善Ⅱ型糖尿病作用,从代谢角度阐述RM可能起效机理。宏基因组学结果表明,RM可影响肠道菌群在门水平上丰度,减少Firmicutes的比例,上调Bacteroidetes含量,提高B/F比值,提高proteobacteria含量;推进到种水平层次上研究表明RM给药后显著性影响Lactobacillus_acidophilus、Phascolarctobacterium_sp_CAG_207、Clostridium_sp_CAG_343等菌种。同时,考察了大鼠样本基因的NOG分布(Non-supervised Orthologous Groups)、Function水平上的各功能丰度以及碳水化合物活性酶的比例及变化趋势;此外,RM可通过影响菌群对宿主的碳水化合物代谢、氨基酸代谢、糖代谢等信号通路途径产生作用。(4)药物安全性考察实验结果表明,在最大剂量给药下,各组KM小鼠体重、进食量、饮水量、随机血糖等并未出现差异;同时,行为学观察表明KM小鼠生理活动正常,无死亡现象;实验终期的解剖研究也表明药物对KM小鼠内脏无明显的损害情况,安全性较高。结论:本文在前期研究基础上,利用分子生物学、16Sr DNA、代谢组学及宏基因组学技术手段,揭示了“RM-肠道菌群-药效”间的联系,阐明RM改善Ⅱ型糖尿病与肠道菌群密切相关,同时影响相关代谢通路及代谢产物而发挥相应药理作用,提示肠道菌群途径可能是RM发挥药效的重点方向之一。
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