不同饮用水对高温环境下大鼠肠道菌群影响机制研究

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目的:高温环境下机体对水的需求会显著增加,此时饮水对健康的影响更为突显。研究表明机体肠道菌群与健康有着十分密切的关系,同时肠道菌群状态与性别、种族、环境、食物和饮水等因素有关。目前针对不同饮用水对高温环境下机体肠道菌群影响的研究还较少见。本研究旨在探究不同饮用水对短期脱水式热暴露和长期热暴露大鼠肠道菌群的影响规律及机制,为公众在高温环境下选择适合的健康饮用水提供数据支撑。方法:1.不同饮用水对短期脱水式热暴露大鼠肠道菌群影响研究将6周龄SD雄性大鼠随机区组分为5组:纯净水组、天然水组、矿泉水组、自来水组、自来水对照组。前4组每天在温度(35±1)℃,湿度65%±10%的小动物培养箱中禁食禁水热暴露脱水2h,使大鼠达到中度脱水(脱水体重损失达4%以上),然后让大鼠分别自由饮用纯净水、天然水、矿泉水、自来水2 h,其余时间均饮用自来水;对照组常温(25±3)℃且相同湿度环境下饲养,饮用自来水,持续7天。在实验第1、7天收集大鼠血液、组织、盲道内容物等样本,进行血液生化指标、脏器和肠道菌群的检测和分析。2.不同饮用水对长期高温环境下大鼠肠道菌群影响机制研究将6周龄SD雄性大鼠随机分为6组:纯净水热暴露组、天然水热暴露组、矿泉水热暴露组、纯净水对照组、天然水对照组、矿泉水对照组。纯净水热暴露组、天然水热暴露组、矿泉水热暴露组每天在温度(35±1)℃、相对湿度65%±10%的高温环境下热暴露2 h,纯净水对照组、天然水对照组、矿泉水对照组置于常温(25±3)℃且相同湿度环境下自由活动2 h,连续28天。在第28天后,采集各组血液、组织、粪便样本,用于进行血清电解质、血脂、肝肾功能、神经内分泌、16S r DNA测序和代谢组学等检测分析。粪菌移植实验:将6周龄SD大鼠随机分为移植纯净水热暴露组、移植天然水热暴露组、移植矿泉水热暴露组、对照组。利用粪菌移植技术将3组饮用水长期热暴露后的大鼠肠道菌群分别移植给移植纯净水热暴露组、移植天然水热暴露组、移植矿泉水热暴露组大鼠,以使菌群定植,然后进行耐热实验。实验过程中收集大鼠粪便样品进行16S r DNA测序分析。结果:1.脱水式热暴露第1、7天各饮用水组的体重减少率均在4.99%以上,表明中度脱水大鼠模型建立成功。第1天,纯净水组血清促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)、促肾上腺皮质激素(ACTH)和皮质醇(Cor)浓度显著低于自来水组,纯净水血清总胆固醇(CHO)和下丘脑去甲肾上腺素(NA)显著低于矿泉水组,血清甲状腺素(T4)显著高于自来水组和矿泉水组;矿泉水组血清CRH浓度显著低于自来水组。第7天,自来水组肝脏T-AOC和血清肌酐(CRE)、NA浓度与自来水对照组相比显著下降;纯净水组血清ALD、下丘脑5-羟色胺(5-HT)和多巴胺(DA)浓度显著高于自来水组,血清钠离子(Na+)、氯离子(Cl-)显著高于矿泉水组;矿泉水组血清镁离子(Mg2+)浓度和CRE浓度显著高于自来水组。不同饮用水使短期脱水式热暴露大鼠的肠道菌群发生了改变。第1天,自来水组的PD_whole_tree和Chao1指数与自来水对照组相比均升高;纯净水组的Shannon指数和ace指数高于自来水组,矿泉水组PD_whole_tree、Chao1、ace指数显著高于自来水组;纯净水组、自来水组、矿泉水组三者β多样性存在差异。第7天,纯净水组和天然水组PD_whole_tree显著低于矿泉水组。进一步通过Metastat分析发现,纯净水组与自来水组相比Lactobacillus显著减少,Bacteroides、NK4A214_group、Christensenellaceae_R-7_group、Oscillibacter、Colidextribacter显著增加;矿泉水组与自来水组相比[Eubacterium]_siraeum_group和Akkermansia显著增加,Akkermansia与代谢改善相关。联合分析发现,矿泉水组血清Mg2+浓度与Akkermansia呈正相关。2.经过28天热暴露后,纯净水热暴露组大鼠血清CHO和高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)浓度出现下降,并显著低于矿泉水热暴露组。纯净水热暴露组肝脏丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)和总抗氧化能力(T-AOC)浓度均显著高于矿泉水热暴露组。矿泉水热暴露组血清ACTH和CRH浓度显著低于矿泉水对照组。使用Metastat分析不同饮用水热暴露组差异菌群,发现矿泉水热暴露组有害菌群Prevotellaceae_Ga6A1_group和Desulfovibrio相对丰度显著减少,产丁酸盐的菌群Ruminococcus和Blautia相对丰度显著增加。非靶向代谢组学分析显示,矿泉水热暴露组一些有益代谢物显著增加,如4-苯基丁酸、L-(+)-阿拉伯糖、N-乙酰-D-葡萄糖胺、胡芦巴碱、N6-乙酰基L-赖氨酸、DL-水苏碱、L-半胱氨酸、鹅去氧胆酸、瓜氨酸。移植纯净水热暴露组、移植天然水热暴露组、移植矿泉水热暴露组大鼠在定植长期热暴露肠道菌群后,耐热能力均出现明显提升。这3组与对照组相比,Rikenellaceae_RC9_gut_group相对丰度均显著增加,Lactobacillus相对丰度均显著减少。移植纯净水热暴露组和移植天然水热暴露组与对照组相比,Clostridium_sensu_stricto_1显著减少,Helicobacter显著增加。结论:1.使大鼠短期脱水式热暴露后饮用纯净水,不利于大鼠机体血清电解质恢复、抑制HPA轴激活、不利于减少机体代谢产热,并可导致下丘脑损伤和肠道菌群中有害菌群显著增加。矿泉水含丰富矿物质,有利于恢复因热暴露脱水引起大鼠电解质平衡,改善代谢,加速机体恢复,改善肠道菌群紊乱。2.长期热暴露饮用矿泉水可以减轻热暴露大鼠肝脏氧化损伤、调节脂质代谢、保护神经系统。作用机制可能是矿泉水中含量丰富的矿物质(钙、镁、锂、锶离子)参与机体代谢、神经系统调节,促进机体有益肠道菌群增加,有害菌群减少,增加有益粪便代谢物,从而促进机体健康。将3种饮用水长期热暴露大鼠粪便肠道菌群定植给正常大鼠,大鼠耐热能力均明显提升,其中耐热时间最长为移植矿泉水热暴露组大鼠。表明饮用不同饮用水长期热暴露可调节大鼠肠道菌群,影响大鼠耐热能力和健康状况。
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