2018-04-18
水蘇糖如何調節Ⅱ型糖尿病大鼠腸道菌群，改善炎癥？
——水蘇糖，會成為媲美二甲雙胍的神藥嗎？
最近，派森諾生物與中國農業大學合作，在《Molecular Nutrition & Food Research》（影響因子：4.323）發表論文，評估了水蘇糖（STS）相比于二甲雙胍（MET）對大鼠2型糖尿病的影響以及其腸道菌群的變化，發現STS通過腸道菌群的關鍵物種降低胰腺組織中IL-6和TNF-α的表達，這種效應的機制與MET相似。
研究背景
水蘇糖（STS）是一種非還原性四糖，可顯著降低葡萄糖和腎上腺素誘導的高血糖和四氧嘧啶誘導的糖尿病大鼠中的血糖水平。2型糖尿病（T2D）是一種慢性代謝性疾病，與外周胰島素抵抗、低度系統性炎癥、炎癥細胞因子如IL-6和腫瘤壞死因子-α（TNF-α）的產生相關。二甲雙胍（MET）是一種雙胍類藥物的口服降血糖藥，與血糖控制脂質代謝和抗炎功能相關，表明調節腸道菌群可能是促成MET的抗糖尿病作用的機制之一。腸道菌群16S rRNA基因測序鑒定出T2D患者的Firmicutes和Clostridia分類水平降低，表明胃腸道可能是藥物或食物的重要靶點。
研究目的
最近的研究表明，STS作為一種功能性低聚糖，可以調節腸道菌群平衡。本研究利用新的測序技術和多變量統計，比較STS和MET在治療HFD/鏈脲菌素誘導的T2D大鼠腸道菌群結構的調節作用。
研究方法
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因V3-V4區測序
實驗對象：成年雄性Wistar大鼠
實驗設計：
（1）對照組（NC，n = 10），持續喂食HFD；
（2）HFD + STS組（STS，n = 10），喂食HFD并每天一次灌胃給予5000 mg/kg體重STS（pure = 78.28%）；
（3）HFD + MET組（MET，n = 10），喂食HFD并每天一次灌胃給予200 mg/kg體重MET。
研究結果
1、生物化學參數對STS或MET的響應
喂飼HFD飲食4周后，大鼠體內誘發T2D，注射30 mg / kg STZ。然后將STS或MET灌胃給藥4周，同時使大鼠繼續服食HFD。與NC組相比，STS和MET處理顯著降低血清LPS濃度（p <0.01）。此外，STS和MET處理顯著降低TG（p <0.01）。
2、受STS和MET影響的炎癥相關基因
在胰腺組織中觀察到相關基因IL-2，IL-6，TNF-?，TGF-?，PI3K和Akt的mRNA表達。與對照組相比，STS和MET顯著降低胰腺組織中IL-6（p <0.01）和TNF-?（p <0.01）的mRNA表達。此外，STS和MET顯著增加了PI3K（p <0.01）和Akt（p <0.01）的mRNA表達。
3、16S rRNA基因測序檢測腸道微生物群落整體結構
共測序獲得1,298,030條序列，平均每個對照樣本有53,003條序列，每個MET樣本有47,643條序列，每個STS樣本有44,521條序列。序列平均長度為420~450bp。高質量序列聚集在3924個細菌OTU中，其中STS組OTU為229個，MET組OTU為181個。
DNA原始數據和三組OTU的比較。A）DNA測序量和長度；B）水蘇糖（STS），二甲雙胍（MET）和對照組（NC）中常見和OTU維恩圖。
水蘇糖或二甲雙胍對腸道菌群Alpha多樣性指數的影響
PCA分析顯示，NC組的腸道菌群相比于STS和MET處理，在第二主成分（PC2）上表現出輕微的結構變化。UniFrac NMDS分析顯示了STS和MET處理腸道菌群變化的相反模式。MET和STS群落相似性比對照組更大，這在未加權的Unifrac NMDS中尤為明顯。分類學分析還表明， STS或MET處理時相比于對照組的成分變化趨勢。STS和MET顯著增加了Bacteroidetes的相對豐度（p <0.01），并降低了Verrucomicrobia的相對豐度（p <0.01）。STS顯著增加了Proteobacteria的相對豐度（p <0.01），而MET組觀察到顯著降低。
水蘇糖（STS），二甲雙胍（MET）和對照（NC）處理糖尿病大鼠，使用Beta多樣性和無監督多元統計方法統計對腸道菌群結構的影響。A）PCA二維分析圖；B）基于加權UniFrac距離的NMDS二維圖；C）基于未加權的UniFrac距離的NMDS二維圖。
4、STS或MET處理調節的腸道菌群關鍵物種
LEfSe分析顯示了相對豐度有顯著差異的物種。當補充STS時，Firmicutes和Proteobacteria有顯著差異。MET顯示對Firmicutes，Bacteroidetes和Proteobacteria門有顯著影響。在屬水平上，STS表現出對Phascolarctobacterium，Bilophila，Oscillospira，Turicibacter和SMB53有顯著的選擇性富集作用。MET顯示對Sutterella（p = 0.04），Prevotella（p = 0.03），02d06（p = 0.03）和rc4（p = 0.01有顯著效果。
A）LDA得分圖。LDA得分高于2，表明相應組的相對豐度高于其他兩組；
B）LEfSe分類進化分枝圖；不同的顏色表示在水蘇糖（STS，藍色），二甲雙胍（MET，紅色）和對照組（NC，綠色）中有顯著差異的分類。
5、關鍵物種與胰腺基因表達的相關性
在門水平上，Bacteroidetes與IL-6和TNF-α的mRNA表達呈顯著負相關（p <0.05），與PI3K和Akt的mRNA表達呈正相關（p <0.05）。在科水平上，Peptococcaceae和Desulfovibrionaceae與IL-6和TNF-α的mRNA表達呈顯著負相關（p <0.05），與PI3K和Akt的mRNA表達呈正相關（p <0.05）。Prevotellaceae和Veillonellaceae與IL-6呈顯著負相關，與PI3K和Akt呈顯著正相關（p <0.05）。
總結
該研究證明STS對HFD和低劑量STZ誘導的T2D大鼠中炎癥有改善作用。這種效應的機制，部分與腸道菌群改變Akt/PI3K信號相關。盡管在調節某些特定細菌系統型方面存在差異，但STS和MET在治療HFD誘導的大鼠T2D期間顯示出在改變腸道微生物結構和門組成方面的相似性，表明這兩種治療具有改善胃腸健康的相似機制，并最終介導它們對宿主的有益作用，特別是降低炎性細胞因子。
文章索引：
Guimei Liu，Jia Bei，Li Liang，Guoyong Yu，Lu Li，Quanhong Li(2018).Stachyose Improves Inflammation through Modulating Gut Microbiota of High‐Fat Diet/Streptozotocin‐Induced Type 2 Diabetes in Rats. molecular nutrition & food research，1700954 .
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mnfr.201700954
