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中医药与肠道菌群 | GPB: 经典名方葛根芩连汤治疗糖尿病的机制研究

2021-04-14
中科新生命
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编者按

肠道菌群是近年来中医药领域的研究热点,不仅与中医理论相契合,而且是中药口服发挥药效的重要靶点之一。基于肠道菌群的中药药理研究近年来也陆续刊登于核心期刊。

为了帮助广大研究者了解中医药相关肠道微生物的研究进展与方法,我们收集整理了近几年基于中药及肠靶轴研究的发表于GUT、Nature Communications、Theranostics等高水平期刊的论文。

【中医药与肠道菌群专辑】为大家精细解读重磅研究与进展。

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【杂志名】:Genomics, Proteomics & Bioinformatics

【影响因子】:IF=7.05

【中药】:中药复方—葛根芩连汤(GQD)、单体—小檗碱

【疾病】:II型糖尿病

【样本类型】:大鼠动物模型

【技术方法】:16S +代谢组+转录组

【是否菌群验证】:否

【关键菌群】:Faecalibacterium, Roseburia


研 究 背 景

【中药背景】葛根芩连汤(GQD)是一种中药复方,已被长期应用于代谢类疾病的治疗,包括糖尿病。葛根芩连汤(GQD)包含黄连、黄芩、葛根、川芎知母、白头翁、赤芍和干姜等七种草药,主要活性成分是小檗碱、黄芩苷和葛根素等,因化学成分复杂,部分限制了其广泛应用。前期研究发现,葛根芩连汤可通过调节肠道菌群,富集Faecalibacterium、Gemmiger和Blautia等产丁酸细菌而治疗II型糖尿病。

【疾病和肠道微生物背景】II型糖尿病(T2DM)是一种常见的代谢性疾病,全球范围约内有4.25亿患者,且II型糖尿病的发病率不断增加。大量研究表明,肠道菌群失调在II型糖尿病的发生发展过程中发挥着关键的作用,会导致有益菌(如Faecalibacterium、Bifidobacterium)的减少以及有害细菌的异常繁殖,从而诱发机体的慢性低水平炎症,造成胰岛素抵抗,引起人体的糖脂代谢异常。因此,以肠道菌群为靶点,采生活方式干预、补充微生态制剂、降糖药物、菌群移植等手段,对肠道菌群进行靶向性调节成为防治II型糖尿病的新策略。

T2DM的疗法是自古有之,其中中药(TCM)具有较大的占比,其疗效被大量的临床研究与应用所证实。中药治疗不仅比常规治疗方案便宜,还表现出更高的疗效或更少的不良反应。中科院微生物研究所和中医科学院广安门医院研究团队比较葛根芩连汤和小檗碱在疗效、调节肠道菌群、诱导回肠基因表达谱改变以及改善宿主炎症状态等方面的差异,描绘葛根芩连汤关键活性成分小檗碱通过调节肠道菌群治疗II型糖尿病机制。相关文章发表在权威期刊《Genomics, Proteomics & Bioinformatics》。


实 验 设 计

主要结论

1. 药效学指标检测: 药物治疗可改善糖尿病大鼠糖代谢状况

为了探索不同治疗方法对大鼠的影响,监测并分析了12周血糖水平和体重的变化、葡萄糖耐量试验(OGTT)、空腹血浆胰岛素水平以及胰岛素抵抗(HOMA-IR)。研究发现:

(1)正常动物(N组) VS 糖尿病模型动物(GK):GK大鼠体重均显著低于正常组,同时具有更高的空腹血糖(higher nonfasting blood glucose,NFBG)水平。

(2)未治疗 VS 药物治疗:葛根芩连汤(GQD)、小檗碱(BBR)、二甲双胍(M)治疗组均达到了降糖作用,但BBR的作用略弱于GQD。进一步发现,药物处理能够显著提高葡萄糖清除能力,显著降低空腹血浆胰岛素水平显著及胰岛素抵抗(HOMA-IR)。

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2. 菌群组成分析:药物干预显著改变大鼠肠道菌群结构,发现潜在关键菌群

(1)整体改变:葛根芩连汤(GQD)和小檗碱(BBR)处理不影响整体菌群水平,但均可改变菌群的结构,即将菌群结构从糖尿病状态恢复到正常大鼠水平。GQD与BBR的菌群结构具有高度相似性,提示BBR可能是改变大鼠肠道菌群的主要驱动力(图2A)。

(2)门与属水平改变:GQD和BBR治疗组均显著富集了Faecalibacterium、Roseburia等高丰度产丁酸菌属,及许多稀有菌属包括Parabacteroides、Paraprevotella、Butyricimonas、Alistipes等产丁酸菌属(图2B)。此外,GQD和BBR治疗还能显著降低致病菌的相对丰度。

(3)与二甲双胍比较:二甲双胍治疗后富集的菌属,与GQD和BBR组中富集的菌属具有重叠,但是种类相对较少。

以上结果表明,BBR作为GQD的主要活性成分,在调节肠道菌群方面的能力与GQD极其相似,可以显著富集包括Faecalibacterium和Roseburia在内的产丁酸菌属。

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3. 菌群代谢物检测:富集菌群显著增加丁酸表达

(1)短链脂肪酸表达水平检测:GQD和BBR治疗后,两组大鼠粪便中的乙酸、丙酸和丁酸含量均显著增加。进一步比较各药物组间的水平发现:GQD的乙酸和丁酸水平高于其他组;而乙酸或丙酸并没有组间的显著差异。以上结果表明,GQD和BBR治疗后大鼠粪便中短链脂肪酸水平显著升高,这和两种药物能显著富集产丁酸菌属的结果相一致(图3A-C)。

(2)代谢物表达水平与菌群丰度的关联分析:从总体上看,粪便短链脂肪酸水平,尤其是丁酸,与上述GQD和BBR组富集的多个产丁酸菌属的相对丰度呈正相关。而与一些丰度降低的潜在致病菌属的相对丰度呈负相关,例如Helicobacter(图3D)。短链脂肪酸的含量与相应实验组肠道微生物组成变化高度一致,提示GQD和BBR治疗显著富集的菌属增加了短链脂肪酸的含量。

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4. 回肠基因表达谱:菌群改善炎症及糖脂代谢相关功能

通过转录组学分析来确定不同组大鼠回肠基因表达谱的差异:共获得的855个差异表达基因(DEGs),通过聚类分析得到4个Cluster(图4A)。

(1)炎症相关Cluster:Cluster 1主要与免疫激活相关,Cluster 2主要与细胞因子产生和分泌有关。Cluster 1和Cluster 2的DEGs主要由GQD和BBR组中显著下调的基因组成,这暗示了GQD和BBR治疗在减轻肠道炎症中的潜在作用。

(2)糖脂代谢相关Cluster:Cluster 3主要与脂质和碳水化合物代谢有关,Cluster 4主要与脂质代谢相关(图4B)。鉴于Cluster 3和4中的DEGs在GQD组和BBR组中均显示了相对较高的表达量,这些结果表明GQD和BBR处理后GK大鼠的脂质和碳水化合物的代谢能力显著改善。

综上所述,回肠转录组数据表明,GQD和BBR治疗可能通过改变肠道菌群,显著减轻GK大鼠回肠的炎症情况,并改善脂质和碳水化合物的代谢。

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5. 炎症指标表达验证:药物显著降低大鼠的系统性与局部炎症水平

为了验证上述转录谱揭示的药物改善炎症的潜在作用,研究者进一步检测了相关炎症指标的表达水平:

(1)炎症因子:检测血清中6种促炎细胞因子IL-1β、IL-6、IL-17、TNF-α、IFN-γ和MCP-1的含量。表明经药物治疗后,糖尿病模型大鼠的系统性炎症水平得到显著降低。

(2)胰岛炎症相关基因:荧光定量PCR技术检测胰岛中关键免疫相关基因的表达水平。结果发现,治疗12周后,参与胰岛β细胞炎症过程的三个代表性基因(Nfkb1、Stat1和Ifngr1)的表达水平均显著下调。

以上结果表明,二甲双胍、GQD和BBR治疗药物干预可以缓解系统性和局部(胰岛)的炎症水平,从而改善糖尿病症状。

总 结

本研究以药效学指标出发,运用多组学技术从肠道菌群-代谢物-靶器官,多维度系统性探究了中药复方葛根芩连汤以及活性成分小檗碱通过靶向肠道菌群缓解II型糖尿病的机制,即通过富集产丁酸细菌,调控肠道黏膜免疫和糖脂代谢等功能,减轻系统性和胰岛局部炎症水平,改善胰岛素抵抗。为探究中药与肠道菌群的相互作用机制提供了很好的研究案例,并增进了对小檗碱这一有望用于治疗II型糖尿病的新药作用机制的理解。

此外,该研究的组别设计也非常值得参考:除了中药复方组,作者同时设立了主要组分组(小檗碱)及西药组(二甲双胍组)。通过复方组与组分组的结果比较,可进一步解释复方中可能起到主要作用的活性组分;通过与西药组参比,可更为有力的说明中药的药效作用,及突出中药多靶点的优势效应。