燕麦β葡聚糖对糖尿病大鼠肾功能及其肠道菌群的影响

来源 :中国食物与营养 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luoweitao2007
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  摘要:目的:探讨燕麦β葡聚糖(oat βglucan,OG)对糖尿病大鼠肾功能及肠道菌群的影响。方法:采用单侧肾切除+链脲佐菌素(65mg/kg·BW)一次性腹腔注射方式构建糖尿病肾病(diabetes nephropathy,DN)大鼠模型,将造模成功32只SD雄性大鼠随机分为4组:模型对照组(蒸馏水灌胃)和低、中、高燕麦β葡聚糖干预组(分别用0275、055、11g/kg·BW燕麦β葡聚糖灌胃),每组8只。另取16只大鼠行假手术并随机分组:正常对照组(蒸馏水灌胃)和燕麦β葡聚糖对照组(055g/kg·BW 燕麦β葡聚糖灌胃)。饲养8周,在第8周末采集血液、尿液和粪便,进行血糖、肾功能检测,用HE染色进行肾脏形态学观察,16S rDNA检测分析肠道菌群多样性。结果:高剂量燕麦β葡聚糖能显著降低DN大鼠血糖(P<005),低、中剂量燕麦β葡聚糖能显著降低DN大鼠血尿素氮、肌酐;中、高剂量燕麦β葡聚糖能降低DN大鼠的尿酸/肌酐比值(P<005);高剂量燕麦β葡聚糖对DN大鼠的肾小球系膜基质增生和基底膜增厚,肾小管上皮细胞肿胀变形、脱落,系膜细胞增生有显著改善作用;高剂量燕麦β葡聚糖能显著升高DN大鼠肠道菌群丰度和多样性、厚壁菌门/拟杆菌门的比值(P<005)。结论:燕麦β葡聚糖能改善糖尿病大鼠肾功能,增加肠道菌群丰度和多样性及升高厚壁菌门/拟杆菌门的比值,这可能是其延缓DN的机制之一。
  关键词:燕麦β葡聚糖;糖尿病肾病;肠道菌群
  糖尿病肾病(diabetic nephropathy,DN)是糖尿病最主要的并发症之一,是导致糖尿病患者死亡的主要病因之一[1]。研究证实,燕麦的主要功能成分是β葡聚糖,燕麦β葡聚糖(oat βglucan,OG)是一种水溶性膳食纤维,主要存在于燕麦胚乳和糊粉层细胞壁中,由β(1,3)和β(1,4)糖苷键连接形成一种不可消化的βD葡聚糖,而这一特殊结构使得燕麦β葡聚糖具有降低血糖、调节肠道菌群的作用[25]。近年来,DN与肠道菌群的相关性引起了科学界的关注,肠道菌群的变化与DN的发生发展密切相关[68]。因此,我们推测改善肠道菌群是从源头上减少DN的发生的一个重要环节,本研究建立DN大鼠模型,观察燕麦β葡聚糖对糖尿病大鼠肾功能及其肠道菌群的影响。
  1材料与方法
  11实验动物及受试物
  56只雄性SD大鼠,体重(200±20)g,由北京大学医学部实验动物中心提供。饲养于SPF级动物室,温度20~26℃,相对湿度40%~70%,動物自由进食与饮水,基础饲料为(American Institute of Nutrition1993 Maintenance),AIN93M配方。适应性喂养1周后开始实验,本项目经北京大学生物医学动物伦理委员会审查通过。燕麦β葡聚糖(陕西森弗天然制品有限公司)纯度70%,HPLC级。
  12糖尿病肾病大鼠模型建立与分组
  选择40只大鼠行左侧肾切除术,术后一次性腹腔注射65mg/kg链脲佐菌素(streptozotocin,STZ)(001mol/L pH 45柠檬酸钠柠檬酸缓冲液配制)。尾静脉采血检测血糖水平,7d后空腹血糖>111mmol/L确定DN模型成功。造模成功的32只DN大鼠,随机分为4组:模型对照组(蒸馏水灌胃)和低、中、高燕麦β葡聚糖干预组(分别用0275、055、11g/kg·BW燕麦β葡聚糖灌胃),每组8只。另取16只大鼠行假手术并随机分组:正常对照组(蒸馏水灌胃)和燕麦β葡聚糖对照组(055g/kg·BW 燕麦β葡聚糖灌胃)。饲养8周,实验结束后采集血清、尿液及新鲜粪便,股动脉采血(禁食12h)后处死大鼠,迅速取出右侧肾脏转入冻存管,-80℃下保存待测。
  13检测指标
  (1)体重、进食量监测:每周进行体重、进食量监测。(2)血糖及肾功能指标检测:采用全自动生化分析仪检测大鼠血糖、血清尿素氮(blood urea nitrogen,BUN)、尿酸(uric acid,UA)、肌酐(creatinine,CR)的含量。(3)肾脏形态学检测:以10%多聚甲醛固定肾脏组织,将组织脱水、透明、浸蜡,包埋后切片,切片厚度为4μm,进行苏木精伊红(hematoxylineosin,HE)染色,用显微镜观察组织形态。(4)16S rDNA肠道菌群测序:利用Thermo NanoDrop 2000紫外微量分光光度计和1%琼脂糖凝胶电泳进行总DNA质检,具体步骤按照说明书操作,所提取的DNA于-80℃保存。前引物序列:CCTACGGGRSGCAGCAG;后引物序列:GGACTACVVGGGTATCTAATC。将得到的PCR产物构建测序文库,采用Illumina Miseq 平台测序,对高质量测序数据进行生物信息学分析,该部分由上海锐翌生物科技有限公司完成。
  14统计分析
  采用SPSS 200统计学软件进行数据分析,连续变量均以±s表示,组间比较采用单因素方差分析,P<005为差异有统计学意义。
  2结果与分析
  21大鼠进食量变化情况
  实验第0周,正常对照组进食量[(1134±2258)g]与燕麦β葡聚糖对照组进食量[(11517±1942)g]无显著差异,模型对照组[(18058±2217)g]与低[(17565±2044)g]、中[(17914±2474)g]、高[(1709±1168)g]燕麦β葡聚糖干预组进食量无显著差异。随着实验进展,各组大鼠的进食量都增加。但正常对照组,燕麦β葡聚糖对照组,低、中燕麦β葡聚糖干预组进食量增加不明显(P>005),模型对照组、高剂量燕麦β葡聚糖干预组进食量显著增加(P<005),且3个燕麦β葡聚糖干预组进食量均低于模型对照组(P<005)(图1)。   22大鼠体重变化情况
  实验第0周,正常对照组体重[(33035±2676)g]与燕麦β葡聚糖对照组体重[(34261±1985)g]无显著差异。模型对照组[(22530±2432)g]与低[(20760±2629)g]、中[(24121±1916)g]、高[(23120±2665)g]燕麦β葡聚糖干预组体重无统计学差异。干预第8周,正常对照组与燕麦β葡聚糖对照组体重均上升,但两组体重上升趋势相似,差异无统计学意义(P>005);模型对照组、3个燕麦β葡聚干预组的体重均下降,各组体重下降趋势相似,差异无统计学意义(P>005)(图2)。
  23燕麦β葡聚糖对大鼠血糖的影响
  干预第8周,与正常对照组相比,模型对照组血糖升高,差异有统计学意义(P<005);与模型对照组相比,3个燕麦β葡聚糖干预组血糖均下降,且高剂量燕麦β葡聚糖干预组血糖显著下降(P<005)(表1)。
  
  24燕麦β葡聚糖对大鼠肾功能的影响
  干预第8周,与正常对照组相比,模型对照组的BUN、CR、UA、尿酸/肌酐均显著升高(P<005);与模型对照组相比,低、中剂量燕麦β葡聚糖干预组BUN、CR显著下降(P<005);中、高剂量燕麦β葡聚糖干预组尿酸/肌酐比值显著下降(P<001);燕麦β葡聚糖干预组对UA无影响(P>005)(表2)。
  
  25燕麦β葡聚糖对大鼠肾脏结构的影响
  干预第8周,与正常对照组相比,模型对照组肾小球系膜基质增生和基底膜增厚,肾小管上皮细胞肿胀变形、脱落,细胞增生,可见轻度玻璃样改变(图3C);与模型对照组相比,燕麦β葡聚糖干预组肾小球系膜基质增生和基底膜增厚,肾小管上皮细胞肿胀变形、脱落,系膜细胞增生均有改善,高剂量燕麦β葡聚糖干预组改善最明显,与正常对照组的肾小球系膜基质、肾小管上皮细胞结构相近(图3F),但低剂量燕麦β葡聚糖干预组仍有轻度玻璃样改变(图3D)。
  26肠道菌群多样性分析
  干预第8周,与正常对照组相比,模型对照组肠道菌群丰度和多样性指数Chao1和Shannon显著降低(P<005);与模型对照组相比,3个燕麦β葡聚糖干预组肠道菌群丰度指数Chao1均升高,且高剂量燕麦β葡聚糖干预组Chao1指数显著升高(P<005);低、中、高剂量燕麦β葡聚糖干预组多样性指数Shannon均升高,且低、中剂量燕麦β葡聚糖干预组显著升高(P<005)(表3)。
  27菌落的群落结构
  干预第8周,在门水平上(图4A),与正常对照组相比,模型对照组的厚壁菌门丰度显著下降、拟杆菌门丰度显著升高、厚壁菌门/拟杆菌门比值显著下降(P<005);燕麦β葡聚糖干预组与模型对照组相比,拟杆菌门丰度均降低、厚壁菌门的丰度和厚壁菌门/拟杆菌门比值均升高,低剂量燕麦β葡聚糖干预组拟杆菌门丰度显著下降(P<005)、厚壁菌门丰度显著升高及厚壁菌门/拟杆菌门比值显著升高(P<005)。在属水平上(图4B),与正常对照组相比,模型对照组Prevotella(普氏菌属)、Ruminococcus(瘤胃球菌属)丰度显著升高(P<005),
  
  3讨论
  本研究通过单侧肾切除+链脲佐菌素(65mg/kg·BW)一次性腹腔注射方式构建DN大鼠模型,因其方法简便易行,对胰岛β细胞损伤特异性高,且死亡率较低而成为当前最常见的DN大鼠的造模方式。当前研究结果显示,单侧肾切除+链脲佐菌素(65mg/kg·BW)一次性腹腔注射之后大鼠BUN、CR、UA、尿酸/肌酐比值均升高;HE染色可見大鼠肾小球系膜基质增生和基底膜增厚,肾小管上皮细胞肿胀变形、脱落,系膜细胞增生;肠道菌群丰度和多样性均降低,拟杆菌门丰度升高、厚壁菌门丰度及厚壁菌门/拟杆菌门比值均下降,而正常对照组以上指标均无明显变化。以上说明,在当前研究中单侧肾切除+链脲佐菌素(65mg/kg·BW)一次性腹腔注射方式成功构建了DN大鼠模型。本研究还发现,经燕麦β葡聚糖干预后的DN大鼠血清中的尿素氮、CR、尿酸/肌酐与未处理的DN大鼠相比有显著差异;DN大鼠的肾小球、肾小管出现明显的病理学变化;肠道菌群丰度和多样性升高,拟杆菌门丰度下降、厚壁菌门丰度以及厚壁菌门/拟杆菌门比值升高。以上说明,燕麦β葡聚糖对DN大鼠有积极的治疗作用。
  本研究结果显示,燕麦β葡聚糖干预组血糖、BUN、CR含量及尿酸/肌酐比值均低于模型对照组中的含量且改善了DN引起的肾小球系膜基质增生和基底膜增厚,肾小管上皮细胞肿胀变形、脱落,系膜细胞增生的情况。这说明燕麦β葡聚糖对DN具有保护作用。这与我们之前的研究结果一致,即燕麦β葡聚糖可能是DN的一种潜在的治疗物质。此外,在我们的结果中,燕麦β葡聚糖干预组肠道菌群Alpha多样性升高(Alpha 多样性反映的是单个样品内部的物种多样性,利用肠道菌群丰度和多样性指数Chao1、Shannon来衡量,此数值越大说明样品物种的丰度和多样性越高[910])。在门水平上,燕麦β葡聚糖干预组厚壁菌门丰度相对上升,拟杆菌门丰度相对下降,且厚壁菌门/拟杆菌门比值升高。这提示燕麦β葡聚糖对DN大鼠的治疗作用可能与改变其肠道菌群Alpha多样性,厚壁菌门、拟杆菌门的丰度以及二者之间的比值有关。已有研究显示[11],肠道菌群与2型糖尿病等代谢性疾病的发病密切相关,其潜在机制与肠道菌群丰度和多样性的变化有关。Larsen等[11]研究表明,厚壁菌门/拟杆菌门的比值和2型糖尿病的发生呈负相关,且2型糖尿病患者厚壁菌门相对丰度降低,而拟杆菌门等丰度相对升高[1213],原因可能是厚壁菌门中多数细菌产生丁酸盐菌[14]。丁酸盐是一种短链脂肪酸盐,它能促进肠内分泌L细胞分泌胰高血糖素样肽1(GLP1)和肽YY(PYY),GLP1可改善胰岛功能并调节胰岛素的释放,从而起到降低血糖的作用[15]。本研究通过构建大鼠DN模型进一步说明了肠道菌群在2型DN发生发展中所发挥的重要作用,并提供了燕麦β葡聚糖对DN大鼠具有保护作用的证据。   综上所述,燕麦β葡聚糖能改善DN大鼠血糖及肾功能,其机制可能是调节肠道菌群丰富、多样性以及厚壁菌门/拟杆菌门的比值。◇
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