随着生活方式的改变,肥胖症和2型糖尿病(T2DM)越来越流行,在全球范围内超过39%的人肥胖,高脂饮食(HFD)加剧了2型糖尿病的流行和肥胖相关代谢紊乱的发展
[1],破坏再生胰岛衍生蛋白3γ(REG3γ)和肠道微生物节律,促进代谢功能障碍
[2],引起慢性全身炎症的发展,且会使肠道微生物失衡而可能驱动胃肠道恶性疾病
[3],极大地增加了全球疾病负担。首先是HFD所引发的肠道微生物群的改变和游离脂肪酸(FFAs)直接影响肠道细胞
[4],使肠道细菌多样性的降低而引起炎症,继而血清游离脂肪酸浓度升高,可引起神经结构改变
[5],反之,肠道细菌丰富度高的个体较少发生肥胖和炎症
[6, 7];肠道微生物群的变化导致肠道对内毒素如脂多糖(LPS)的通透性增加,促进LPS进入循环
[8, 9]加重全身炎症,LPS和FFAs导致促炎细胞因子的产生增加
[10-12](如白细胞介素IL-1β、IL-6和肿瘤坏死因子(TNF-α),从而导致系统性低度炎症
[13],还可提高巨噬细胞中TLRs的表达而产生促炎细胞因子
[14, 15];表现为氧化应激如丙二醛(MDA)、活性氧(ROS)水平显著增加,谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)是一种抗氧化酶,通过其酶活性参与脂质过氧化物的清除,防止脂质过氧化物的积累,起到抗氧化抗炎、保护神经的作用
[16]。
此前研究证实通过单纯HFD诱导16周,可成功建立T2DM小鼠模型,具备高脂血症、胰岛素抵抗的特征
[17],高脂饮食可通过肠-脑轴引起神经炎症状态
[18],而足三里穴具有改善血脂代谢紊乱
[19-23][24, 25]、抗炎
[26-28]、调控肠道菌群
[26, 29-33]等作用,但尚未有文献从肠道菌群改变的角度来探讨其足三里的降脂机制,近期研究表明针刺可通过调节肠道菌群的结构,改善炎性反应,促进肠道屏障修复而改善中风患者神经损伤
[34],但足三里如何调整血脂平衡的机制尚待深究, 因此,本研究通过经典高脂饮食诱导的高脂血症小鼠模型,基于肠道菌群探讨电针足三里改善高脂血症小鼠血脂紊乱的作用机制。
1 材料和方法
1.1 实验动物与分组
健康雌性C57小鼠30只,8周龄,体质量20±2 g,购自广东至远生物医药科技有限公司[生产许可证号:SCXK(粤)2021-0057],饲养于广州中医药大学华南针灸研究中心SPF级动物实验室,自由饮食,明暗交替,温度20~26 ℃,相对湿度40%~70%,采用随机数字表法将小鼠分为对照组(ND组)、高脂饮食组(HFD组)以及高脂饮食+电针足三里组(EA组), 10只/组。本研究经广州中医药大学实验动物伦理委员会批准并在其监督下进行(伦理审批号:20230526004)。
1.2 主要试剂及仪器
1.2.1 主要试剂
高脂饲料(60%脂肪供能,江苏省协同医药生物工程有限责任公司);异氟烷(深圳市瑞沃德生命科技有限公司);总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)、低密度脂蛋白(LDL)、高密度脂蛋白(HDL) 测定试剂盒(南京建成生物工程研究所); MDA检测试剂盒(碧云天)。
1.2.2 主要仪器
华佗牌脉冲电针仪(SDZ-V);针灸针(安迪);气体麻醉机(深圳市瑞沃德生命科技有限公司);低温高速离心机 (Sigma3K30);Western 电泳仪(Bio-Rad);冰冻切片机(Thermo Fisher);激光共聚焦显微镜(Nikon);酶标仪(BioTek)。
1.3 模型建立及干预
ND组予喂养普通基础饲料持续16周,HFD组、EA组予高脂饲料饮食干预持续16周,均饮用蒸馏水; EA组同时予电针双侧足三里穴,具体过程:小鼠置于麻醉诱导箱中,加入异氟烷,连接氧气瓶,麻醉浓度调至2%诱导麻醉3~5 min后,将小鼠取出,头部放入麻醉面罩以1.5%~2%异氟烷维持麻醉状态。小鼠“足三里”穴位定位依据《实验针灸学》:在膝关节后外侧、腓骨小头下约2 mm;使用0. 25×25 mm针灸针,直刺深度2 mm,连续波,频率2 Hz,15 min/次,5次/周,连续干预3周后停1周为1个疗程,共4个疗程(
图1)。
1.4 体质量称量
实验开始前测量小鼠体质量;实验开始后,在8周及16周测量小鼠体质量。
1.5 粪便收集
16周干预结束后时进行,每组随机抽取6只小鼠粪便于无菌采样管内,-80 ℃冰箱中贮藏备用,16S rRNA基因测序检测各组小鼠肠道菌群。
1.6 血脂及MDA检测
阿氟丁(0.1 mL/10 g)腹腔注射麻醉后,对小鼠快速摘除眼球,收集血液于EP管中,于室温静置2 h,使用低温离心机以3 000 r/min离心5 min,取上层血清,采用生化试剂盒检测血 TC、TG、LDL-c、HDL-c、MDA水平。
1.7 肝脏油红O染色
取小鼠肝脏,4%多聚甲醛液固定,梯度蔗糖脱水、包埋后切片,使用油红O染色,光镜下观察其形态学变化及脂质蓄积情况。
1.8 结肠组织中NLRP3、TLR4、IL-1b蛋白测定
取小鼠冻存结肠组织,加入RIPA裂解液,匀浆、超声、离心后提取蛋白,BCA 法测定蛋白浓度后定量。随后进行上样、电泳、转膜、封闭后,4 ℃孵育相应一抗(NLRP3、TLR4、IL-1b)抗体稀释比例为 1∶1000,内参抗体β-actin稀释比例为 1∶5000,孵育过夜;次日TBST 洗涤后, 室温摇床孵育对应二抗(稀释比例 1∶50 000)1.5 h,化学发光法显影条带,采用 Image J 软件条带灰度值进行分析。
1.9 统计学分析
采用GraphPad Prism9进行数据统计分析及绘图,ImageJ2 (version:2.14.0/1.54f)软件对实验图片进行分析, 计量资料以均数±标准差表示, 多组之间比较用单因素方差分析,进一步比较采用Tukey法或Bonferroni检验, 假设检测采取双侧检验,以P<0.05时认为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 体质量情况
饮食干预前各组小鼠体质量差异无统计学意义(
P>0.05);相应干预8周后,HFD组小鼠的体质量高于ND组(
P<0.05),EA组小鼠体质量与ND组相比差异无统计学意义(
P>0.05); 16周后,HFD组小鼠的体质量高于ND组(
P<0.01),而EA组小鼠的体质量低于HFD组(
P<0.01)且与ND组相比差异无统计学意义(
P>0.05,
图2)。
2.2 血脂含量对比
与ND组比较,HFD组小鼠血清TC(
P<0.001)、TG(
P<0.05)、LDL-C(
P<0.001,
P<0.05)升高,HDL-C含量降低但未见明显差异。与HFD组比较,EA组小鼠血清TC(
P<0.01)、TG(
P<0.01)、LDL-C(
P<0.05)下降,HDL-C含量升高但未见明显差异;与ND组比较,EA组小鼠血清TC、TG、LDL-C下降(
图3)。
2.3 MDA含量对比
与ND组比较,HFD组小鼠血清MDA升高(
P<0.05),与HFD组比较,EA组小鼠血清MDA含量降低(
P<0.05,
图4)。
2.4 油红O染色
油红 O 染色结果表明,与ND组相比,HFD组可见肝脏组织脂滴蓄积,脂滴明显升高(
P<0.01),与HFD组相比,EA组小鼠肝脏的脂滴减少(
P<0.05,
图5)。
2.5 电针对结肠组织中NLRP3、TLR4、IL-1b蛋白表达的影响
与ND组相比,HFD组小鼠结肠组织中NLRP3、TLR4、IL-1b蛋白表达均升高(
P<0.05或
P<0.01);而与ND组相比,EA组小鼠结肠组织中NLRP3、TLR4、IL-1b蛋白表达无差异(
P>0.05);与模型组相比,EA组小鼠结肠组织中NLRP3蛋白的表达降低(
P<0.05,
图6)。
2.6 各组小鼠肠道菌群比较16S测序
扩增子序列变体(ASV)以及多样性指数稀释曲线随着抽取序列数的增加而趋于平缓时,说明样本的测序数据量合理,符合后期进一步实验需求(
图6A);PCA分析同一组的样本距离越近,并与其他组有明显距离,说明分组效果好(
图6B)。
2.6.1 Alpha 多样性分析
2.6.1.1 ASV 以及多样性指数稀释曲线
PD whole tree指数、Chao1指数、ACE指数、Shannon指数变化趋势相似,体现在物种多样性上ND组>EA组>HFD组的稳定趋势。HFD组小鼠的Alpha多样性指数指数较正常小鼠显著下降,EA组小鼠Alpha多样性指数显著升高,提示HFD组小鼠的肠道菌群数量显著低于对照ND组小鼠,电针治疗后肠道菌群数量明显回升(
图7)。
本实验各曲线代表各样本,随着抽取深度的增加而曲线趋于平缓,本实验的样本的测序数据量合理。
多样性指数在各个组的分布情况(
图8),PD whole tree指数、Chao1指数、ACE指数、Shannon多样性指数在组间差异显著,HFD组多样性指数较ND组降低(
P<0.05),而电针干预后,EA组小鼠肠道菌群多样性指数较HFD组提升(
P<0.05)。
2.6.1.2 ASV 分类
根据ASV聚类分析结果,绘制成花瓣图,体现每个样本ASV个数及所有样本共有的ASV个数,也说明HFD组较ND组降低,而电针干预一定程度上地恢复了这些变化,EA组小鼠ASV个数提升(
图9)。
2.6.2 Beta 多样性分析
EA组与HFD组距离较近,与ND组距离较远(
图10),HFD组和EA组小鼠在高脂饮食干预后,与ND组在肠道菌群多样性上出现了显著的差别。
2.6.3 属水平(genus)菌群组成分析
不同干预对小鼠菌群属水平相对丰度的影响见
图11。群落结构柱状图显示在属水平上,Muribaculaceae、Lachnospiraceae_NK4A136_group是2个最主要的优势菌属, Muribaculaceae菌和Lachnospiraceae_NK4A136_group菌相对丰度在高脂模型组明显下降,对照组小鼠的Muribaculaceae、Lachnospiraceae_NK4A136_group的相对丰度最高,而电针干预后,EA组一定程度上地恢复了这些变化(
图11)。
3 讨论
本研究进行HFD诱导16周的高脂血症小鼠模型,探究电针足三里对高脂饮食诱导小鼠血脂和脂质代谢物、肠道菌群的影响,高脂血症小鼠体质量显著增高,血清中血脂指标TC、TG、LDL-c含量显著升高,HDL-c含量降低,脂质过氧化物MDA也显著升高,肠道菌群丰度降低;针刺足三里干预后,模型小鼠体质量下降,TC、TG、LDL-c含量显著降低,HDL-c含量升高,葡萄糖耐量改善,MDA降低,肠道菌群丰度显著增加,其中Muribaculaceae和Lachnospiraceae_NK4A136_group菌丰度显著增加。
Muribaculaceae属菌是一种肠道共生菌,在复合碳水化合物和高热量降解方面具有多功能性
[35],研究表明Muribaculaceae属菌可能在脂质代谢中发挥重要作用,通过分解食物中的复杂多糖,产生有益的短链脂肪酸,对肠道的正常功能和代谢、调节免疫系统起着重要作用,且能作为降低胆固醇的潜在生物标志物
[36],也与宿主的体重调节和肥胖密切相关,对于维持正常体重和预防肥胖有重要意义。本研究发现电针足三里可能增加Muribaculaceae丰度,由此发挥降解复合碳水化合物和热量、降低血脂的功效,为阐释足三里的降脂机制提供了见解。
研究表明胆固醇和氧化胆固醇暴露可能导致肠道微生物群失调,使Lachnospiraceae_NK4A136_group的相对丰度降低,Lachnospiraceae_NK4A136_group可通过发酵膳食多糖产生短链脂肪酸(SCFAs),表现出抗炎特性,促进肠道黏膜的修复,与多种代谢性疾病和慢性炎症呈负相关,是一种潜在的有益菌
[37],已有研究发现上调Lachnospiraceae_NK4A136及其代谢物丁酸水平, 通过TLR4/NF-κB和MCT1/HDAC3信号通路之间的串扰,减轻了神经炎症反应和神经元凋亡
[38],本研究发现Lachnospiraceae_NK4A136_group在高脂模型组丰度明显下降,在电针足三里干预后Lachnospiraceae_NK4A136_group丰度升高,可能由此发挥修复肠道黏膜、抗炎的功效,修复肠道屏障,减轻肠毒素泄漏到体循环,从而降低血脂和脂质过氧化物,解释了足三里通过调节肠道菌群起到外周降脂、抗氧化。
研究发现足三里穴区深层筋膜分布的PROKR2+神经元,其神经纤维投射至脊髓和迷走神经节,形成“足三里-迷走神经-肾上腺”抗炎轴,驱动肾上腺释放儿茶酚胺类物质并能够活化胆碱能抗炎通路,抑制巨噬细胞中TLR4-NLRP3通路的活化
[39],抑制脂多糖诱导的全身炎症
[40];其次,激活迷走神经可增加肠道蠕动,改善肠道通透性,减少致病菌的增殖
[41];再者,电针足三里通过调节肠-脑轴调整肠道菌群的组成和功能
[42],刺激脑肠肽(如血清素(5-HT)、血管活性肠肽(VIP)、γ-氨基丁酸(GABA)的释放,脑肠肽能够调节肠道蠕动和分泌功能,从而影响肠道菌群的组成分布和代谢
[43, 44];另外,电针足三里可以调节下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA轴)
[45, 46],减少应激激素(如皮质醇)的释放,并影响糖皮质激素、多巴胺、去甲肾上腺素等神经递质的释放,间接抑制炎症小体活性,改善肠道微环境;电针足三里还可通过调节胆汁酸的分泌和代谢抑制致病菌的生长
[47],改善肠道菌群的组成,且能调节免疫细胞的功能,减少促炎因子(如TNF-α、IL-6、IL-1β)的释放,同时增加抗炎因子(如IL-10)的表达
[48],这种免疫调节作用有助于减轻肠道炎症,为有益菌的生长创造有利条件。另一方面,电针足三里促进有益菌(如乳酸菌、双歧杆菌)的增殖,发酵膳食纤维产生短链脂肪酸(SCFAs)如乙酸、丙酸、丁酸等,可为肠道上皮细胞提供能量,增强肠道屏障功能,也起到抗炎的作用
[49]。
电针足三里促进菌群结构的平衡,有助于改善肠道屏障功能。电针足三里能够增加肠道菌群的多样性,调整有益菌与致病菌丰度,促进菌群结构的平衡。研究表明,电针足三里能够显著改善炎症性肠病(IBD)模型小鼠的肠道菌群失调
[50],增加有益菌(如乳酸菌、双歧杆菌)的丰度,其通过产生抗菌肽、竞争性抑制致病菌等方式,减少致病菌(如大肠杆菌、肠球菌)的丰度,维持肠道菌群的稳态
[30],改善肠道微生态,这种变化与电针的免疫调节和抗炎作用密切相关。同时,电针足三里可以增强肠道上皮细胞的紧密连接蛋白(如occludin、ZO-1)的表达
[51, 52],改善肠道屏障功能,肠道屏障功能的改善能够减少细菌和内毒素的易位,从而维持肠道菌群的稳态。
TLR4-NLRP3-IL-1β轴的异常活化和协同作用是驱动慢性炎症的核心机制
[53],TLR4通过NF-κB上调NLRP3和pro-IL-1β的表达,启动NLRP3炎症小体的激活,NLRP3炎症小体通过caspase-1切割pro-IL-1β生成成熟IL-1β,IL-1β进一步通过自分泌和旁分泌放大炎症信号,并通过IL-1R激活NF-κB,进一步促进NLRP3和TLR4的表达,形成恶性循环,在溃疡性结肠炎中,TLR4和NLRP3的过度激活导致IL-1β的过量释放,进而引发肠道上皮细胞的损伤和炎症反应的持续。通过阻断炎症小体NLRP3的组装、拮抗TLR4,中和IL-1β,可减少促炎因子释放,改善肠道屏障功能
[54]。
在TLR4-NLRP3-IL-1β这一通路中,首先,TLR4(Toll样受体4)主要识别脂多糖(LPS)等病原体相关分子,通过MyD88依赖性通路激活NF-κB和MAPK信号,诱导促炎因子(如TNF-α、IL-6、IL-1β)的表达
[55],TLR4在炎症性肠病的炎癌转换过程中发挥重要作用,其过度激活导致NF-κB信号持续活化,引发肠道屏障通透性增加和慢性炎症,会导致肠道上皮细胞的慢性炎症和损伤
[56],在坏死性小肠结肠炎(NEC)和早产儿肠穿孔模型中,TLR4信号异常也扮演重要角色,并与肠道微生物群失衡及神经炎症相关
[57, 58]。其次,NLRP3(NOD样受体家族pyrin域包含蛋白3)在肠道炎症中被激活,进而促进IL-1β和IL-18的成熟分泌
[59],其过度释放引起肠道上皮细胞焦亡和屏障功能破坏
[60, 61],与炎症性肠病(IBD)的病理进展密切相关,致病菌的增加也与肠道中NLRP3炎症小体的激活有一定关系
[62]。再者,在早产儿肠穿孔模型中,IL-1β的过度释放与脑室下区(SVZ)的神经炎症及神经发育障碍相关
[63],临床研究表明IBD患者血清和肠道组织中IL-1β水平显著升高,且与疾病严重程度呈正相关,靶向IL-1β(如IL-1受体拮抗剂)可部分缓解IBD症状。
结合已有研究发现和本实验结果,电针足三里可能通过驱动“足三里-迷走神经-肾上腺”抗炎轴、调节下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA轴)等神经-免疫-代谢网络抑制肠道TLR4-NLRP3-IL-1β轴的异常活化,发挥抗炎作用,改善肠道微环境,提高肠道菌群多样性,尤其提高Lachnospiraceae_NK4A136_group菌和Muribaculaceae菌丰度,由此促进降解复合碳水化合物和热量、降低血脂,并产生短链脂肪酸(SCFAs)发挥抗炎特性,并修复肠道黏膜、改善肠道屏障功能,减少细菌和内毒素易位,从而降低LPS等TLR4配体的暴露,下调TLR4表达,并降低了血清脂质过氧化物MDA含量,可能通过抗氧化作用抑制NLRP3炎症小体的组装与活化
[64],降低NLRP3炎症小体的下游效应分子IL-1β成熟释放,增强抗炎机制,减轻肠道炎症,反过来为有益菌生长创造条件,通过有益菌降解脂肪和热量,降低血清胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白,减轻肝脏脂肪沉积,改善高脂血症小鼠的血脂紊乱。
从中医角度看来,肠道菌群失衡的根本原因在于人体内环境的失衡,尤其是脾胃功能失调、气血阴阳不和、外邪侵袭及情志不畅等多因素交织作用的结果。脾胃运化失常是肠道菌群失衡的核心,中医认为“脾胃为后天之本”,是水谷运化的核心脏腑,直接影响肠道环境。脾胃虚弱,脾虚则运化无力,食物停滞肠道,无法转化为精微物质,反而滋生“痰湿”“积滞”,导致湿浊内阻,肠道环境恶化,有益菌生长受限,有害菌繁殖,导致菌群失调。外因而言,过食辛辣肥甘或外感湿热之邪,导致脾胃湿热,肠道湿热熏蒸,湿热环境破坏菌群平衡,引发腹泻、腹胀或便秘,常见于高脂高糖饮食后的菌群失调。气血不足,气为血之帅,气虚则肠道蠕动无力、引起便秘,食物滞留发酵,有害菌滋生。血虚则肠道失润,黏膜屏障受损,病原菌易入侵。阴阳失调则阴虚火旺则肠道津液不足,虚火灼伤黏膜,导致便秘、干硬粪便,抑制益生菌生长;阳虚寒凝,阳气不足则肠道寒凝,蠕动缓慢,粪便稀溏,有害菌过度增殖。治疗上需以“调和”为原则,使人体肠道环境的“土壤”恢复正常,菌群这一“草木”自然得以健康生长。高脂血症起于饮食肥甘厚腻而生湿浊,脾困于湿而失于健运,体内水湿停滞不运,日久致痰浊瘀血、湿毒,感于热又生湿热,治宜健脾益气、利湿化痰。足三里是胃经合穴、胃腑的下合穴,脾胃相表里,有燥化脾湿,生发胃气的功效,现代研究表明足三里具有改善脂质代谢紊乱、抗炎等药理作用
[22, 31, 65]。现代研究也表明长期高脂饮食可导致小鼠体质量增加、诱导代谢综合征
[66-68],而足三里穴具有改善脂质代谢紊乱
[19-22]、抗炎
[26-28]、调控肠道菌群
[31-33]等作用,艾灸“足三里”改善高脂饮食大鼠血管损伤和氧化应激
[65]、可有效调节肠道菌群结构,改善衰老大鼠氧化应激水平
[28]。
综上,电针足三里能够改善高脂血症小鼠肠道菌群结构,提高Muribaculaceae属菌、有助于降低热量和胆固醇血脂,同时提高Lachnospiraceae_NK4A136_group菌、有助于修复肠道黏膜,并减轻肠道炎症因子NLRP3、TLR4、IL-1b的表达,维护肠道屏障完整性,降低肠内容物泄漏,从而降低血液中的脂质过氧化物丙二醛(MDA)水平,达到调节血脂紊乱的疗效,减轻肝脏脂肪沉积,改善代谢紊乱和慢性炎症,为解释足三里的降脂作用提供了新的见解和实验依据,在后续的研究中,可结合肠道黏膜免疫研究进行深入验证,进一步探索电针足三里对肠道菌群的具体调控机制,以期更深入探索其作用机制并开发基于电针的肠道菌群调节策略。
国家自然科学基金(82205245)
广东省自然科学基金(2023A1515011143)