肠道微生物对肝纤维化进程的影响及樟芝的干预作用研究

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肝纤维化是由各种致病因子导致肝脏内细胞外基质(ECM)过度沉积的病理过程,是包括肝硬化在内的多种慢性肝病发展过程中的重要环节,积极防治肝纤维化具有重要的现实意义。研究结果表明,肠道菌群或是诸多肝脏疾病发生发展的推动力,但肠道菌群与肝纤维化的关系有待进一步研究。樟芝(Antrodia camphorata)是我国珍贵的药食用菌,具有保肝效果。本论文通过建立小鼠肝纤维化模型,运用组织病理学和分子生态学等技术手段对肝纤维化后肠道菌群的变化进行了确认,并通过肝纤维化小鼠和正常小鼠同笼饲养实验以及粪菌移植(FMT)实验,证实肠道菌群是肝纤维化发展的驱动力。而樟芝发酵菌丝体粉(AC)整体入药可有效防治CCl4诱导的小鼠肝纤维化,16S rDNA高通量测序表明其可改变肠道菌群结构,并利用肝脏转录组测序(RNA-seq)技术对AC防治肝纤维化的机制进行解析,随后利用FMT实验证明AC能通过调节肠道菌群直接防治肝纤维化,并以此为基础,建立肠道微生物体外培养模型发酵制备微生态制剂用以防治肝纤维化。本研究为寻找肝纤维化的治疗靶点及有效干预措施提供新的视角。主要结论如下:1、以肝组织胶原特征性物质羟脯氨酸(Hyp)、肝损伤血清标志物谷氨酸转氨酶(ALT)和天门冬氨酸转氨酶(AST)、肝星状细胞(HSCs)活化关键基因α-SMA的表达,以及ECM的主要成分I型胶原(Col 1)基因的表达为肝纤维化模型的评价指标,综合造模效率、成模率、稳定性考虑,确定BALB/c品系小鼠为动物模型建模对象,以CCl4做为肝纤维化模型的诱导剂,CCl4的给予剂量为0.5 mg/kg体重(CCl4以橄榄油稀释,终浓度为25%),每周腹腔注射2次,建模时间为4周。采用16S rDNA高通量测序分析技术,发现CCl4诱导肝纤维化进程中,小鼠肠道菌群不断变化,且CCl4诱导4周后,肠道菌群结构变化明显。在门水平上,疣微菌门(Verrucomicrobia)丰度显著升高;在属水平上Akkermansia显著升高,而理研菌科(Rikenellaceae)显著降低。通过LEfSe分析,推测了Akkermansia可以作为CCl4诱导4周后的肠道标志菌群。2、为了进一步探究肠道菌群变化是否为肝纤维化发展的驱动力。基于小鼠有互食粪便的嗜好,我们通过把正常鼠和不同肝纤维化程度的小鼠同笼饲养4周,以隔离饲养的正常鼠和肝纤维化鼠作为对照,发现与肝纤维化鼠同笼饲养的正常鼠出现了肝纤维化表型,且与同笼疾病鼠的肝纤维化程度相关。提示肝纤维化或可通过粪便“传播”给正常鼠。进一步通过FMT实验单独考察肠道菌群的作用,把CCl4诱导4周的粪便菌群(肝纤鼠粪便菌群)移植到正常鼠体内,发现正常鼠体重增长缓慢,肝组织Hyp含量上升,肝脏α-SMA和Col 1表达水平增加,肝脏外观和胶原特异性天狼猩红染色(SRS)都显示移植了肝纤鼠粪便菌群后正常鼠出现了肝纤维化表型;移植肝纤鼠粪便菌群的小鼠用CCl4诱导肝纤维化后,体重增长显著减缓,毛色暗沉,活力不佳,肝体比升高,血清ALT和AST水平升高,肝损伤严重,肝脏外观和SRS都显示出比CCl4模型鼠更严重的肝纤维化现象,肝组织Hyp显著增加,且肝组织α-SMA和Col 1的表达水平也大幅度增高。以上结果表明肝纤鼠粪便菌群有促进肝纤维化发生和发展的能力,肠道微生物结构变化在一定程度上会促进肝纤维化的进程。3、采用CCl4诱导的小鼠肝纤维化模型,探究了AC(350 mg/kg,700 mg/kg)的抗肝纤维化效果。结果表明AC能够改善因注射CCl4导致的小鼠体重减轻;组织病理切片显示AC可以改善肝细胞损伤,减少胶原沉积;同时AC可以有效降低模型小鼠血清中ALT和AST的水平,降低肝脏中Hyp的含量。为了研究AC是否可以调节肠道菌群,提取了不同实验组小鼠实验终点的粪便DNA进行16S rDNA高通量测序分析。结果表明,AC可以重塑肝纤维化小鼠肠道菌群结构,使小鼠菌群结构与正常组相近。AC能显著降低疣微菌门丰度,促进理研菌科丰度升高。通过对操作分类单元(operational taxonomic units,OTUs)的分析发现AC不同剂量干预组对CCl4诱导肝纤维化所导致的肠道菌群变化均有不同程度的改善,其中低剂量AC干预对38%的关键OTUs改善效果显著,而高剂量AC干预组这一比例为22%。提示AC低剂量组或有更好的肠道微生物调节效果。在此基础上进一步运用RNA-seq技术对AC低剂量组肝脏转录组进行分析,探究AC改善肝纤维化的机制,共鉴定到了368个与正常组一致变化的基因,GO聚类和代谢途径分析显示这些基因主要参与调控胶原纤维合成、环氧化酶P450途径、氧化还原反应和ECM合成等,并参与了ECM-受体相互作用、花生四烯酸代谢、视黄醇代谢以及黏着斑等信号通路。通过运用荧光定量PCR技术(qRT-PCR)对转录组测序结果进行验证,证实AC不仅可以直接调节肝脏α-SMA、Col 1、Col 3、Fn、TGF-β1、PDGF和VEGF基因的转录水平,还通过肠道菌群免疫调节依赖的TLR4/CD14途径改善肝纤维化。4、运用FMT技术把正常鼠肠道菌群(MCTRL)、AC干预2周的正常鼠肠道菌群(MAC)和AC干预6周的肝纤维化鼠的肠道菌群(MCAC)移植到肝纤维化模型小鼠体内,发现三者能显著降低CCl4诱导引起的肝脏Hyp的含量升高,降低血清AST和ALT活力抑制肝损伤,缓解肝脏胶原过度沉积,且MAC改善肝纤维化的效果要优于MCTRL和MCAC。结果表明AC可通过重塑肠道菌群结构改善肝纤维化。进一步通过RNA-seq技术,对MAC干预组的小鼠肝组织转录组进行生物信息学分析,GO聚类和代谢途径分析显示MAC主要通过调节环氧化酶P450途径、胰岛素受体信号通路、活跨膜受体蛋白酪氨酸激酶活性和成纤维细胞增殖正调控的相关基因参与调节ECM-受体相互作用、类固醇激素生物合成、花生四烯酸代谢、亚油酸代谢和胆汁分泌等信号通路,并运用qRT-PCR对测序结果进行了验证。5、通过实验室前期构建的肠道菌群体外模拟发酵系统以MAC为起始微生物群,发酵制备微生态制剂,并运用组织病理学技术确定了该微生态菌剂确实有改善肝纤维化的作用。在此基础上进一步采用高通量测序技术和生物信息学分析手段找到了23个潜在的抗肝纤维化OTUs。
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