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目的:
溃疡性结肠炎(ulcerative colitis,UC)是炎症性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)的一种,以结肠和直肠发生溃疡和炎症为特点。近年来UC的发病率和患病率呈上升趋势,但其准确的发病机制尚不清楚。越来越多的证据表明肠道菌群失调在UC的发病机制中起着至关重要的作用。此外,UC患者体内还存在着一些代谢物和代谢通路的变化。有研究发现,左金丸和反左金丸具有缓解UC的作用,然而大多数关于左金丸和反左金丸治疗UC的机制研究多集中于它们的免疫调节作用。体外实验表明左金丸和反左金丸具有抑制小鼠肠道菌群生长的作用,有研究还发现黄连大剂量长期干预大鼠可引起肠道菌群及一些代谢通路的改变。然而目前还没有关于左金丸和反左金丸干预溃疡性结肠炎大鼠在肠道菌群及代谢组学方面的研究。因此,本课题将对左金丸和反左金丸干预溃疡性结肠炎大鼠的肠道菌群变化及代谢组学变化进行研究,尝试从肠道微生态学与代谢组学角度阐明左金丸与反左金丸的抗溃疡性结肠炎机制。
方法:
1.米用大鼠自由饮用4%的葡聚糖硫酸钠(Dextran sulphate sodium, DSS)溶液连续7天的方法建立溃疡性结肠炎火鼠模型,并于造模第二天起分别灌胃给予左金丸和反左金丸水提物至实验结束。每天观察大鼠状态、粪便性状与便血情况,测量并记录大鼠体重、饮水量与食量。
2.实验结束后取血清用于炎症因子测定,取结肠测量长度后制作病理切片,评价左金丸与反左金丸的药效;采用免疫荧光法测定结肠Claudin-1蛋白的表达,考察结肠黏膜屏障的完整性。
3.利用IlluminaMiseq测序平台对第7天收集的粪便样本中的肠道菌群V4区进行PCR扩增并测序,通过相关生物信息学分析手段对肠道菌群结构与功能进行分析。
4.运用NMR技术对UC大鼠及左金丸和反左金丸干预后的大鼠的尿液和粪便进行检测,结合多变量统计分析筛选各组间的差异代谢物
5.对筛选的差异代谢物进行代谢通路分析,找到UC大鼠及左金丸和反左金丸干预后显著变化的代谢通路。
结果:
1.采用4%DSS成功建立了UC大鼠模型。左金丸和反左金丸能显著改善UC大鼠的临床症状,显著降低疾病活动指数(Disease activity index,DAI)评分,降低血清中的促炎因子水平,改善结肠病理损伤情况,保护肠道黏膜屏障
2.UC模型大鼠的肠道菌群结构及其代谢功能都发生了明显的改变,主要表现为生物多样性降低及有害菌与有益菌的比例失常。左金丸和反左金丸干预均能抑制某些致病菌或条件致病菌(如黏蛋白降解菌Mucispirillum)的增加,同时增加菌群中益生菌(左金丸增加短链脂肪酸产生菌、反左金丸可增加乳酸杆菌)的丰度。
3.左金丸对在UC大鼠中失调的菌群代谢功能有恢复调控作用,包括增强菌群的基本代谢能力(能量代谢、氨基酸代谢),减弱脂质代谢、物质转运吸收以及疾病相关代谢等代谢功能,而反左金丸对菌群代谢功能的调节作用较弱。
4.由大鼠尿样和粪样1H-NMR谱图共归属了106个代谢物,其中尿样71个,粪样54个。在差异代谢物分析中,模型组与正常组比较发现了26个尿样差异代谢物,其中有9个上调,17个下调;而粪样中有23个差异代谢物,14个上调,9个下调。左金丸和反左金丸干预都能显著上调在模型组尿样中减少的代谢物,如1,3-二羟基丙酮、乙酰胺、顺乌头酸、乙醇酸、N-三甲基赖氨酸,同时减少在模型组尿样中上调的腺嘌呤、二甲胺和二甲基亚砜。左金丸还能升高在模型组粪便中减少的丙酸及丙酮酸、琥珀酸等短链脂肪酸和能量代谢相关代谢物的含量,降低谷氨酸、酪氨酸、缬氨酸等多种氨基酸的水平。反左金丸对粪便代谢变化的影响较小。
5.代谢通路分析结果表明,UC大鼠及左金丸和反左金丸干预后显著变化的代谢通路包括丙酮酸代谢、三羧酸循环、糖酵解与糖异生等糖代谢或能量代谢,甘油酯代谢、丁酸甲酯代谢、酮体的合成与降解等脂质代谢,以及苯基丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、缬氨酸等多种氨基酸合成与代谢:
结论:
本课题结合了肠道微生态学和代谢组学分析技术,研究了左金丸和反左金丸在溃疡性结肠炎大鼠中的作用及其在肠道菌群与代谢组学上的变化,发现其调节肠道菌群与代谢功能的变化规律,旨在从肠道微生态学和代谢组学的角度解释左金丸与反左金丸对UC的作用机制。
溃疡性结肠炎(ulcerative colitis,UC)是炎症性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)的一种,以结肠和直肠发生溃疡和炎症为特点。近年来UC的发病率和患病率呈上升趋势,但其准确的发病机制尚不清楚。越来越多的证据表明肠道菌群失调在UC的发病机制中起着至关重要的作用。此外,UC患者体内还存在着一些代谢物和代谢通路的变化。有研究发现,左金丸和反左金丸具有缓解UC的作用,然而大多数关于左金丸和反左金丸治疗UC的机制研究多集中于它们的免疫调节作用。体外实验表明左金丸和反左金丸具有抑制小鼠肠道菌群生长的作用,有研究还发现黄连大剂量长期干预大鼠可引起肠道菌群及一些代谢通路的改变。然而目前还没有关于左金丸和反左金丸干预溃疡性结肠炎大鼠在肠道菌群及代谢组学方面的研究。因此,本课题将对左金丸和反左金丸干预溃疡性结肠炎大鼠的肠道菌群变化及代谢组学变化进行研究,尝试从肠道微生态学与代谢组学角度阐明左金丸与反左金丸的抗溃疡性结肠炎机制。
方法:
1.米用大鼠自由饮用4%的葡聚糖硫酸钠(Dextran sulphate sodium, DSS)溶液连续7天的方法建立溃疡性结肠炎火鼠模型,并于造模第二天起分别灌胃给予左金丸和反左金丸水提物至实验结束。每天观察大鼠状态、粪便性状与便血情况,测量并记录大鼠体重、饮水量与食量。
2.实验结束后取血清用于炎症因子测定,取结肠测量长度后制作病理切片,评价左金丸与反左金丸的药效;采用免疫荧光法测定结肠Claudin-1蛋白的表达,考察结肠黏膜屏障的完整性。
3.利用IlluminaMiseq测序平台对第7天收集的粪便样本中的肠道菌群V4区进行PCR扩增并测序,通过相关生物信息学分析手段对肠道菌群结构与功能进行分析。
4.运用NMR技术对UC大鼠及左金丸和反左金丸干预后的大鼠的尿液和粪便进行检测,结合多变量统计分析筛选各组间的差异代谢物
5.对筛选的差异代谢物进行代谢通路分析,找到UC大鼠及左金丸和反左金丸干预后显著变化的代谢通路。
结果:
1.采用4%DSS成功建立了UC大鼠模型。左金丸和反左金丸能显著改善UC大鼠的临床症状,显著降低疾病活动指数(Disease activity index,DAI)评分,降低血清中的促炎因子水平,改善结肠病理损伤情况,保护肠道黏膜屏障
2.UC模型大鼠的肠道菌群结构及其代谢功能都发生了明显的改变,主要表现为生物多样性降低及有害菌与有益菌的比例失常。左金丸和反左金丸干预均能抑制某些致病菌或条件致病菌(如黏蛋白降解菌Mucispirillum)的增加,同时增加菌群中益生菌(左金丸增加短链脂肪酸产生菌、反左金丸可增加乳酸杆菌)的丰度。
3.左金丸对在UC大鼠中失调的菌群代谢功能有恢复调控作用,包括增强菌群的基本代谢能力(能量代谢、氨基酸代谢),减弱脂质代谢、物质转运吸收以及疾病相关代谢等代谢功能,而反左金丸对菌群代谢功能的调节作用较弱。
4.由大鼠尿样和粪样1H-NMR谱图共归属了106个代谢物,其中尿样71个,粪样54个。在差异代谢物分析中,模型组与正常组比较发现了26个尿样差异代谢物,其中有9个上调,17个下调;而粪样中有23个差异代谢物,14个上调,9个下调。左金丸和反左金丸干预都能显著上调在模型组尿样中减少的代谢物,如1,3-二羟基丙酮、乙酰胺、顺乌头酸、乙醇酸、N-三甲基赖氨酸,同时减少在模型组尿样中上调的腺嘌呤、二甲胺和二甲基亚砜。左金丸还能升高在模型组粪便中减少的丙酸及丙酮酸、琥珀酸等短链脂肪酸和能量代谢相关代谢物的含量,降低谷氨酸、酪氨酸、缬氨酸等多种氨基酸的水平。反左金丸对粪便代谢变化的影响较小。
5.代谢通路分析结果表明,UC大鼠及左金丸和反左金丸干预后显著变化的代谢通路包括丙酮酸代谢、三羧酸循环、糖酵解与糖异生等糖代谢或能量代谢,甘油酯代谢、丁酸甲酯代谢、酮体的合成与降解等脂质代谢,以及苯基丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、缬氨酸等多种氨基酸合成与代谢:
结论:
本课题结合了肠道微生态学和代谢组学分析技术,研究了左金丸和反左金丸在溃疡性结肠炎大鼠中的作用及其在肠道菌群与代谢组学上的变化,发现其调节肠道菌群与代谢功能的变化规律,旨在从肠道微生态学和代谢组学的角度解释左金丸与反左金丸对UC的作用机制。