多穗柯三叶苷对高脂饮食诱导的肥胖大鼠的减肥作用及机理研究

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多穗柯以甜味著称,是中国长江以南地区特别是江西、广西、湖南、四川、云南等省以及东南亚的印度、泰国、老挝等地的一种甜茶。自2017年起,多穗柯因其食用和药用功能,被批准为新型食品原料。同时,多穗柯提取物的具有抗氧化、抗炎、抗菌、抗糖尿病、抗癌、保护肝脏和心脏、抗肥胖、保护神经和抗过敏等生理功能。根皮苷和三叶苷是多穗柯主要的生物活性成分,且三叶苷含量大于根皮苷。研究表明,多穗柯提取物和根皮苷都能显著降低高脂饮食诱导的肥胖大鼠体重、空腹血糖和胰岛素抵抗。但在动物模型中,关于多穗柯中主要黄酮类化合物—三叶苷,目前尚没有发现其减肥作用的研究。多穗柯甜茶作为一种饮用历史悠久,不仅具有高甜度、低热量、安全无毒,而且兼具药、糖、茶等综合作用的药食同源且资源丰富的常用饮品,加大其营养健康价值的基础理论研究,对其产品开发的多元化及产业价值的提升具有重大的社会和经济意义。基于此,本研究中以多穗柯三叶苷为研究对象,以SD肥胖大鼠为实验动物模型,通过设置高、中、低剂量的三叶苷灌胃干预,探讨三叶苷对高脂饮食诱导肥胖大鼠的减肥作用,并从脂肪代谢基因、激活棕色脂肪组织活性及肠道微生物等3个方面探讨三叶苷可能的减肥机理机制,最后研究了三叶苷减肥过程中对机体氧化应激的影响探讨三叶苷对预防和治疗肥胖积极作用,以期为多穗柯及三叶苷保健产品和临床药物的开发提供其营养健康价值的理论依据。主要研究结论如下:(1)多穗柯三叶苷对高脂饮食诱导肥胖大鼠的减肥作用及机理研究。以SD大鼠为实验研究对象,通过高脂饲料诱导建立肥胖大鼠模型,再通过阳性药物和三叶苷高、中、低剂量灌胃干预,考察三叶苷的减肥作用。同时检测血脂水平(TG、TC、HDL-C、LDL-C)、肝脏功能(AST和ALT)、肝脏和白色脂肪组织形态的变化。在激素和基因水平探讨了三叶苷减肥作用的机理。结果表明,在不影响摄食量的前提下,三叶苷显著降低高脂饮食诱导的肥胖SD大鼠体重增加(p<0.05),具有明显的减肥作用。其中,中、高剂量三叶苷明显降低肥胖大鼠的脂肪率(p<0.05)。血脂指标和肝功指标检测结果表明,三叶苷显著降低血清TG、TC、LDL-C含量(p<0.05)和且效果好于阳性对照药;同时,ALT和AST的活性也显著降低(p<0.05),而且高剂量三叶苷效果好于奥利司他。组织形态学检查结果表明,三叶苷能明显减少肝脏组织中空泡面积和炎症细胞数量,减少脂质沉积,逆转脂肪沉积导致的肝脏组织病变;同时,白色脂肪组织中肥大细胞明显恢复正常。机理研究结果表明,(a)中、高剂量三叶苷和奥利司他均能显著降低血清胰岛素、廋素和神经肽Y的含量(p<0.05),明显改善廋素抵抗和胰岛素抵抗,减少NPY的分泌,抑制食欲减少食物摄入,有助于控制肥胖的发展。(b)三叶苷显著下调PPARγ、ACC、FAS基因的表达,从而抑制前脂肪细胞的分化和增殖和脂肪酸的生成,减少体质脂质的沉积。而高剂量三叶苷和奥利司他显著上调了肝脏和白色脂肪中PPARα基因的表达(p<0.05),从而加速脂肪氧化,增加肝脏和白色脂肪组织中脂肪分解,减少脂肪细胞脂滴的积累,进而改善肝脏细胞脂肪变性。此外,三叶苷显著上调HSL和CPT1基因的表达(p<0.05),促进脂肪分解和脂肪酸β-氧化,减少机体脂肪含量。因此,三叶苷可能具有PPARα、HSL和CPT1激动剂的作用,刺激了三种基因的表达,从而加快机体脂肪分解,减少脂肪含量和脂肪在内脏组织中的积累。另外,高剂量三叶苷显著上调了白色脂肪组织中UCP1基因的表达(p<0.05),表明三叶苷诱导了白色脂肪组织褐色化,这预示着更多的能量将以热能释放而不是用于脂肪的合成。以上结果说明,三叶苷能明显降低高脂饮食诱导的肥胖大鼠体重增加、改善血脂异常、修复肝脏组织病变,而这些可能是通过改善廋素、胰岛素敏感性和控制饮食以及上调脂肪分解基因的表达和下调脂肪合成基因的表达作用的结果。(2)多穗柯三叶苷对Tyk2/STAT3信号通路介导的棕色脂肪组织功能活性的影响。采用蛋白免疫印迹法考察了棕色脂肪组织中Tyk2/STAT3信号通路中Tyk2和STAT3蛋白表达量,以及下游脂代谢相关的PPARγ、PRDM16、C/EBPβ、PPARα和UCP1蛋白的表达变化,从激活棕色脂肪功能活性的角度探讨了三叶苷对肥胖大鼠减肥的机制。结果表明,三叶苷显著增加肥胖大鼠棕色脂肪组织中Tyk2蛋白和STAT3蛋白表达,抵消高脂饮食对Tyk2/STAT3信号通路活性造成的抑制,恢复棕色脂肪组织的正常发育和下游蛋白的正常表达。三叶苷还显著上调PPARγ,PRDM16和C/EBPβ蛋白的表达,使棕色脂肪细胞正常分化,改善了棕色脂肪组织形态。三叶苷还显著增加PPARα和UCP1蛋白表达,提高棕色脂肪组织代谢活性的增加和产热能力。以上结果表明,三叶苷可以通过激活Tyk2/STAT3信号传导途径活性,维持棕色脂肪细胞的增殖和分化,增加棕色脂肪质量,最终上调产热因子UCP1蛋白的表达消耗更多的能量转换为热量释放,这可能是三叶苷减肥的另一个实现途径。(3)多穗柯三叶苷对肥胖大鼠肠道菌群的影响。采用气相色谱法对盲肠中6种短链脂肪酸(SCFAs)含量进行检测,同时采用Mi Seq高通量测序技术对大鼠肠道菌群16Sr DNA的V3区域进行测序,基于Illumina平台测定肠道菌群组成及丰度。采用Chao指数、Simpson指数、Shannon指数和Goods coverage对肠道微生物菌群的alpha多样性进行分析,Beta多样性采用主坐标分析(PCo A)在进行分析。SCFAs检测结果表明,三叶苷可以显着增加肠道中短链脂肪酸的含量,尤其丁酸的含量。高通量测序结果表明,相比高脂对照组,三叶苷的干预显著增加了乳酸杆菌(Lactobacillus)和颤螺旋菌属(Oscillospira)的相对丰度(p<0.05),降低了Blautia,Allobaculum,考拉杆菌属(Phascolarctobacterium)和粪球菌属(Coprococcus)的相对丰度(p<0.05),从而引起厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的比值增加。这说明在门和属的水平上,三叶苷调节了肥胖大鼠肠道菌群的结构和多样性,而肠道菌群的这种改变能促进肥胖大鼠的血脂代谢。PICRUSt分析预测KEGG代谢途径的结果表明,三叶苷处理组肥胖大鼠和高脂模型对照组大鼠之间,PICRUSt预测的KEGG通路存在显著不同,主要参与脂质代谢(类固醇生物合成,类固醇激素生物合成),氨基酸代谢(D-精氨酸和D-鸟氨酸代谢),其他次生代谢产物(类黄酮生物合成),萜类和聚酮化合物(类胡萝卜素生物合成)以及辅因子和维生素(视黄醇代谢),说明三叶苷可能通过肠道菌群的影响参与机体脂质合成和能量代谢,进而对机体肥胖发挥积极作用。以上结果,揭示了肠道菌群对LPR中三叶苷减肥作用的贡献,并预测高脂膳食诱导的肥胖的潜在调控机制。(4)多穗柯三叶苷对高脂饮食诱导的肥胖大鼠体内氧化应激的影响。实验通过检测肥胖大鼠血清和组织(肝脏、白色脂肪组织和棕色脂肪组织)中丙二醛(PC)、羰基化蛋白(PC)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽(GSH)的变化,考察了三叶苷对肥胖大鼠体内氧化应激水平的影响,并在基因水平上对三叶苷抗氧化的机制进行了研究。研究结果表明,肥胖大鼠血清和组织中,MDA和PC含量均有显著增加(p<0.05),其体内发生了严重的氧化应激。三叶苷和阳性药物奥利司他明显降低血清和组织中MDA和PC的含量,其中TR-H组中MDA和PC含量下降显著(p<0.05);同时,三叶苷组SOD活性、CAT活性和GSH含量均有所增加,其中高剂量三叶苷的作用效果最为显著(p<0.05)。核因子E2相关因子2(Nrf2)被认为是机体抵抗氧化应激的关键调控因子。三叶苷明显上调肥胖大鼠肝脏、白色脂肪和棕色脂肪中Nrf2的表达,并呈现剂量依赖性,特别是三叶苷高剂量组分别上调2.48倍、1.20倍和1.23倍。结合前文中SOD、CAT和GSH在大鼠中组织和血清中的各组的变化,我们推测,三叶苷可能是通过增加Nrf2的表达,促进SOD、CAT和GSH等抗氧化酶的表达,进而减轻机体氧化应激。以上结果表明,三叶苷明显降低肥胖大鼠体内氧化应激水平,其作用机理可能是通过上调Nrf2基因的表达实现的。肥胖大鼠体内氧化应激水平的降低,对肥胖的控制和治疗有积极作用。结论:本研究系统研究了多穗柯三叶苷对高脂饮食诱导肥胖大鼠的减肥作用,证实了多穗柯三叶苷具有较强的减肥作用,同时还有降血糖、降血脂及保肝护肝作用。揭示了三叶苷通过上调肥胖大鼠肝脏和白色脂肪组织中脂肪分解基因的表达和下调脂肪合成基因的表达,加速脂肪分解和脂肪酸氧化,同时减少机体脂肪合成和沉积发挥减肥作用;证实了三叶苷通过促进白色脂肪组织褐色化,增加非战栗产热的机体能量消耗;进一步研究证实了,三叶苷激活并增强了Tyk2/STAT3信号通路介导的棕色脂肪功能活性,使机体更多的能量通过非战栗产热以热能释放,增加脂肪分解和脂肪酸氧化速率而发挥减肥作用;揭示了肠道菌群对LPR中三叶苷减肥作用的贡献,并预测高脂膳食诱导的肥胖的潜在调控机制;证实了三叶苷通过上调Nrf2基因的表达,增加机体抗氧化酶的活性或含量,缓解机体氧化应激水平,减少肥胖大鼠炎症反应,有助于肥胖的治疗。
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