科研 | Food Funct:人参通过调节肠道菌群潜在改善运动所致的疲劳(国人作品)

2021
06/28

+
分享
评论
微生态
A-
A+

编译:微科盟蓝胖儿,编辑:微科盟木木夕、江舜尧。

微科盟原创微文,欢迎转发转载。

导读  

运动所致疲劳(EF)被定义为由于长时间的剧烈运动,不能够发起或维持自发的随意活动。除了感到疲劳和失去活力,EF也会对人体心脏机能和认知能力等生理功能产生消极的影响。内源性代谢紊乱被认为是EF的主要表现型。在厌氧条件下,糖原代谢会导致乳酸堆积,活性氧的产生以及异常的氨基酸和胆汁酸代谢。肠道微生物能够编码丰富的代谢酶,在维持人体内环境和代谢系统的稳定性方面起着关键作用。通过之前的研究我们发现,肠道菌群失调与EF相关。人参是Panaxginseng C. A的根茎部分,是世界范围内著名的功能性食品和中草药。近年来,通过临床和动物实验已经证实了人参水提物(WEG对EF的疗效,然而目前尚未清楚WEG的分子作用机制。我们首先通过高效液相色谱-串联三重四级杆质谱和高效液相色谱-蒸发光散射检测法表征了WEG的化学组成,然后以内源代谢和肠道菌群为研究重点在负重游泳老鼠模型中评估WEG的抗EF效果。结果表明,WEG含有90%的糖类和皂苷,口服WEG可通过改善能量代谢,氧化应激,脂质过氧化,炎症反应,胆汁酸、氨基酸、脂肪酸和脂类代谢紊乱以及肠道菌群失调,从而发挥抗EF作用。WEG中的糖类和人参皂苷作为特定肠道细菌的能量底物,可以对肠道微生物群进行有益调控,重构肠道微生物生态系统,触发多种分子和细胞信号通路(如丁酸或TGR5信号),从而达到治疗EF的效果。本研究帮助使我们更深入地了解WEG是如何缓解EF的。


 

论文ID


 

名:Ginseng ameliorates exercise-induced fatigue potentially by regulating the gut microbiota

人参通过调节肠道菌群潜在改善运动所致的疲劳

期刊Food & Function

IF:4.171

发表时间:2021.04.06

通讯作者:许军,陈虎彪,李松林

通讯作者单位:香港浸会大学中医药学院;中国中医科学院江苏分院;南京中医药大学附属中西医结合医院


实验设计



结果与讨论


1 WEG的化学表征
如图1A1,B和表S1所示,检测到了WEG中全部的28种人参皂苷,总量为12.92 mg g-1。高效凝胶渗透色谱图表明WEG中多糖呈现宽的分子量分布,从1 kDa到12647 kDa(图1A2)。单糖成分分析表明WEG多糖中Glc, Gal, Ara, GlcA, GalA, Man, Rha 和 Fuc 的摩尔比例为1588 : 96 : 80 : 94 : 79 : 21 : 13 : 1,并且WEG中多糖的含量为50.41 mg g-1(图1A3,B和表S1)。此外,WEG中10种低聚糖和9种游离单糖的含量分别为798.00 mg g-1 和40.16 mg g-1(图1A4,5,B和表S1)。总的来说,测定的人参皂苷,多糖,低聚糖和单糖的总量占WEG的90.15% (w/w)。
 

图1. WEG中人参皂苷和糖类的定性定量表征。A1:人参皂苷的UHPLC-QqQ-MS/MS谱图; A2:多糖的HPGPC谱图; A3:多糖中单糖的UHPLC-QqQ-MS/MS谱图; A4:游离低聚糖和单糖的UHPLC-QqQ-MS/MS谱图; A5:游离低聚糖和单糖的HPLC-ELSD谱图; B:人参皂苷和糖类的含量, n=3。
 
2 WEG 恢复EF所改变的生化参数
与对照组相比,负重游泳 14 d的模型组大鼠体重显著降低了22.80%(p <
0.05)(图2A)。EF模型显著提高了血清中CP,LDH、MDA、BUN、TG的水平,降低了GPx、Glc和SOD水平(图2B)。在模型组中,血清促炎性细胞因子IL-1β与对照组相比过度表达了119.79% (p < 0.05)(图2C)。此外,与对照组相比,模型组TGR5/β-肌动蛋白的比例显著降低了31.66% (p < 0.05)(图2D)。WEG处理选择性地恢复了模型组中EF所改变的生化参数。与模型组相比,WEG处理组显著提高了血清中LA, CP, LDH, BUN,Glc 和SOD的含量(图2B),将促炎症细胞因子IL-1β的表达降低了69.84%(图2C),TGR5/β-肌动蛋白的比例提高了111.85% (图 2D)。
 

图2. WEG恢复EF所改变的生化参数(n = 4–8; ★ : p < 0.05,与对照组相比; +: p < 0.05, 与模型组相比)。A:体重; B1: LA; B2: CP;B3: LDH; B4: MDA; B5: BUN; B6: TG; B7: GPx; B8: Glc; B9: SOD; C: IL-1β; D:TGR5/β-肌动蛋白。
 
3 WEG 修复EF相关的代谢紊乱
方法验证的结果(表S2)以及QC样品在PLS-DA评分图上的高度重叠(图5)表明这种代谢组学方法的精密度和稳定性。使用R2和Q2的交叉验证对模型预测法进行评估,血清和粪便PLS-DA模型的稳健性通过100个排列检验(p < 0.05)进行测定(图S1)。OPLS-DA评分图显示对照组和模型组的血清和粪便样品在阴离子和阳离子模式下均高度分离为两簇,表明EF使得机体的内源性代谢发生很大变化。然后使用VIP > 5的离子筛选由EF引起的大量代谢物(图S1C和D)。通过比对在线人类代谢组数据库(HMDB: http://www.hmdb.ca/),69 种代谢物被识别为EC相关的生物标志物,其中31种代谢物来自血清,38种代谢物来自粪便。在这些代谢产物中,有30种胆汁酸,5种氨基酸,8种脂肪酸以及8种溶血卵磷脂,分别对应于胆汁酸代谢,氨基酸代谢,脂肪酸代谢和脂质代谢途径。基于标准离子强度的半定量结果表明EF改变了生物标志物的含量(表S3)。例如,与对照组相比,EF显著(p < 0.05)增加了粪便中牛磺酸脱氧胆酸(TUDCA)、牛磺酸脱氧胆酸(TCDCA)、熊去氧胆酸3-硫酸酯(udca3 -sulfate)和鹅去氧胆酸3-硫酸酯(CDCA 3-sulfate)的含量,同时降低了血清中色氨酸、LPC(16:0)、LPC(14:0)、LPC(16:1)、LPC(18:0)、LPC(6:0)、LPC(17:0)、LPC(18:2)和LPC(18:1)的含量(图4)。
WEG处理组中血清和粪便的PLS-DA评分图接近对照组(图3A和B),说明WEG处理修复了EF相关的代谢紊乱。WEG处理显著恢复了一些EF所改变的代谢物的含量水平(图4)。值得注意的是,粪便中TUDCA, TCDCA, UDCA3-sulfate 和 CDCA 3-sulfate的含量降低,而丁酸含量增加。血清中色氨酸,LPC(16:0),LPC(14:0),LPC(16:1),LPC(18:0),LPC(6:0),LPC(17:0)和LPC(18:2)的含量均增加了(图4)。
 

3. WEG修复EF相关的代谢紊乱(n=8)。粪便(A)和血清(B)在阴离子(A1和B1)和阳离子模式(A2和B2)的PLS-DA评分图。

图4. 血清(A)和粪便(B)中代谢生物标记物对WEG处理的响应(n = 3–8; ★: p < 0.05,与对照组相比; +: p < 0.05,与模型组相比)。A1: TUDCA; A2:TCDCA; A3: UDCA 3-sulfate; A4: CDCA 3-sulfate; A5: butyrate; B1: tryptophan;B2: LPC (16:0); B3: LPC (14:0); B4: LPC (16:1); B5: LPC (18:0); B6: LPC (6:0);B7: LPC (17:0); B8: LPC (18:2)和B9: LPC (18:1)。
 
4 WEG调节EF相关的肠道菌群失调
与对照组相比, EF模型组显著(p < 0.05)降低了拟杆菌门数量(46.51%),增加了厚壁菌门数量(78.64%)(图5A1-3)。WEG恢复了EF所扰乱的肠道菌群系统。与模型组相比,WEG显著(p < 0.05)增加了拟杆菌门数量(71.78%),降低了厚壁菌门数量(48.28%)(图5A1-3)。
此外,在属水平上的基于分类学的分析表明EF模型显著(p < 0.05)降低了乳酸杆菌属(厚壁菌门)(73.52%)和拟杆菌属(拟杆菌门)(82.52%)的丰度,却很大程度上增加了厌氧棍状菌属(146.61%)的丰度(图5B1-3和5)。EF也会影响(p < 0.05)其他细菌,比如降低双歧杆菌和球菌属,增加链球菌、白脓杆菌和梭状芽孢杆菌属(图5B4和6-9)。经过WEG处理后,乳酸菌属和拟杆菌属分别显著(p < 0.05)增加了312.18%和287.75%(图5B2和3),厌氧菌属在很大程度上(p < 0.05)减少了59.19%(图5B5)。此外,WEG处理也恢复了(p < 0.05)其他一些菌属,如双歧杆菌,链球菌、球菌和梭状芽孢杆菌(图5B4和6-9)。基于加权UniFrac PCoA的OTU水平分析结果显示,EF模型组大鼠的肠道菌群组成与对照组有明显的差异(图5C)。与模型组相比,WEG处理组和对照组之间的差异性更小,说明WEG处理改善了肠道菌群失调(图5C)。
通过冗余分析确定EF模型和WEG处理对特定细菌种类的影响。总体而言,与对照组相比,EF模型显著(p < 0.05)改变了70种OTUs(34种增加,36种降低)。与模型组相比,WEG处理组很大程度上(p < 0.05)恢复了50种OTUs(26种降低,24种增加)(图6)。
 

5. WEG调节EF相关的肠道菌群失调。WEG在门水平(A)和属水平(B)上的影响。肠道菌群基于OUT数据的加权Unifrac PcoA(C)。(n = 5–8; ★: p < 0.05,与对照组相比; +: p < 0.05,与模型组相比)。A1:全部门组成;A2:拟杆菌门;A3:厚壁菌门;B1:全部属组成;B2:乳酸菌属;B3:拟杆菌属;B4:双歧杆菌属;B5:厌氧菌属;B6:链球菌属;B7:球菌属;B8 布劳特氏菌 属和B9:梭状芽孢杆菌属。

图6. 基于RDA的基础上EF模型和WEG处理所改变的70种OTUs 丰度的热图(a: 和对照组相比; b: 和模型组相比; ↑: 与对照组/模型组相比增加; ↓: 与对照组/模型组相比降低)。
 
5 WEG通过调节肠道菌群潜在治疗EF
在本研究中,我们发现EF模型显著改变了血清的许多生化指标,包括LA、CP、LDH、MDA、BUN、TG、GPx、SOD、IL-1β和TGR5,表明EF导致了大鼠中能量代谢异常,氧化应激,脂质过氧化,炎症应答以及胆汁酸代谢异常。此外,代谢组分析和16SrRNA基因测序表明EF模型扰乱胆汁酸、氨基酸、脂肪酸,脂质的代谢和肠道微生态(例如乳酸菌、拟杆菌和双歧杆菌的减少,厌氧菌、链球菌和梭状芽孢杆菌的增加)。有趣的是,关于运动导致的门水平上的肠道菌群多样性的变化,报道并不是一致的。例如,在本研究中,拟杆菌门增加,厚壁菌门减少,与某些报道是相反的,原因有待于进一步探讨。此外,值得注意的是,模型组老鼠发生的一些变化可能并不是有害的。例如,EF模型降低了血清中Glc的含量,这可能是对健康有益的;被认为是益生菌的肠道细菌布劳特氏菌在模型组大鼠中也增加了。
我们进一步发现了WEG处理改善了EF相关的内源性代谢紊乱和肠道菌群失调。此外,化学表征显示WEG含有大量的人参皂苷和糖类。基于此,WEG的化学组成,肠道菌群,内源性代谢紊乱和抗EF效果之间的潜在相互作用讨论如下(图7)。
与寄主相比,哺乳动物的肠道微生物含有更多的碳水化合物活性酶(糖苷水解酶、多糖裂解酶、糖酯酶和糖基转移酶),具有更大的能力代谢糖类物质。因此,大多数糖类物质,尤其是多糖和低聚糖,在口服后不能被人体消化和吸收,但是可以作为能量来源用于肠道菌群的发酵。人参中水溶性多糖的结构性质在之前已经被充分研究。结果显示人参多糖的的中性成分是类似淀粉的葡聚糖(含有分子量超过300 kDa的Glc)和阿拉伯半乳聚糖的混合物,酸性成分是富含鼠李半乳糖醛酸聚糖I的果胶和富含聚半乳糖醛酸的果胶(杂聚物包括Glc, GalA, Gal, Ara,Rha,分子量不超过100 kDa)。通过之前的研究,我们发现口服WEG多糖促进了一些肠道菌群例如乳酸菌和拟杆菌的生长。此外,拟杆菌属,乳酸菌属,双歧杆菌属和球菌属中的细菌已经被证实可以利用WEG中的低聚糖,如Suc,Mal和Tri。除了消化糖类之外,肠道菌群在人参皂苷的体内代谢中起着决定性的作用。与糖类相似,人参皂苷也含有大量可以被肠道菌群利用的结构多样化的糖基和半葡萄糖醛酸,例如Rb1中的glc21glcglc6 1glcRb2中的glc2 1glcglc61arap,Rb3中的glc21glcglc61xyl,Re中的glc21rha和Ro中的glcA21glc。因此,肠道菌群催化的去糖基化反应是人参皂苷在小肠中主要的解离阶段。拟杆菌属和乳酸菌属中的大部分细菌已经被证实参与人参皂苷的肠道代谢过程。因此WEG处理能够促进乳酸菌属,拟杆菌属,双歧杆菌属和球菌属菌群的扩张主要归因于糖类和人参皂苷可以作为特定肠道菌群的营养物质。在WEG处理组中,微生物糖发酵的主要终产物丁酸含量的显著增加进一步支持了该结论。由于竞争繁殖,这些菌属的生长进一步减少了其他共生细菌,这也可能是WEG使得厌氧菌数,链球菌属和球菌属降低的原因。
由于肠道菌群对维持宿主代谢稳态起着关键性的作用,WEG对肠道菌群的重塑能够改善内源性代谢紊乱,进而发挥抗EF效果。此外,不同的肠道菌群在预防和导致代谢紊乱方面发挥着特定的作用。例如,经过WEG处理后,糖基被不同菌属如乳酸菌属,拟杆菌属,双歧杆菌属和球菌属发酵产生的丁酸含量显著增加。作为脱乙酰化酶(HDAC)抑制剂或G蛋白偶联受体(GPCRs)的传导信号,丁酸已经被证实对机体能量/物质代谢和内环境稳态具有局部或整体的益处。它可以作为结肠细胞的能量底物,增加肌肉和脂肪组织的葡萄糖摄入,降低白色脂肪组织的脂解。而且丁酸对HDAC的抑制可以产生抗炎症免疫表型,降低促炎症细胞因子的生成(例如IL-1β)。因此,丁酸是传递WEG改善EF模型大鼠肠道紊乱和炎症应答效果的关键信号。此外,尽管缺乏清晰的机制解释,但是乳酸菌属和双歧杆菌属中的几种益生菌增加了MDA和LDH含量,降低了SOD和GPx含量,说明其对脂质过氧化的强烈抑制作用。厌氧菌属和血清中TG含量呈正相关。链球菌属能够产生LA,通过糖酵解释放能量,进而导致用于释放能量的三磷酸腺苷(ATP)含量降低。梭状芽孢杆菌参与牛磺酸-胆汁酸结合物(例如TUDCA,TCDCA)的解链,通过编码的7α-去羟化酶和胆汁酸硫酸酯酶作用的硫酸盐释放游离的胆汁酸。此外,胆汁酸可以通过肝肠循环进入人体系统,调节葡萄糖代谢,脂质代谢和能量消耗,并且通过激活特定受体TGR5抑制全身炎症反应。总的来说,WEG处理增加了乳酸杆菌属,拟杆菌属,双歧杆菌属和球菌属,降低了厌氧菌属,链球菌属和梭状芽孢杆菌属,WEG对肠道菌群的影响可能是实现其对EF治疗作用的驱动因素。
 

图7. 肠道菌群在调节WEG的抗EF效果中的核心作用。
 

结论


本研究探讨了WEG是如何在大鼠负重游泳模型中发挥抗EF作用的。WEG含有丰富的结构多样化的糖类和人参皂苷,WEG处理可以改善与EF相关的肠道菌群失调和内源性代谢紊乱。这些发现表明,肠道微生物在调节WEG的抗EF效果中起到核心作用。具体而言,WEG中的糖类和人参皂苷作为肠道特定细菌的能量底物,从而恢复被EF打乱的肠道菌群;重塑后的肠道微生物生态系统会触发多个分子和细胞信号传导来实现对EF的治疗效果。然而,肠道菌群在WEG发挥抗EF效果中的明确作用以及有关的分子和细胞机制仍有待进一步探究。
本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
肠道菌群,胆汁酸,人参,调节,运动,疲劳

人点赞

收藏

人收藏

打赏

打赏

我有话说

0条评论

0/500

评论字数超出限制

表情
评论

为你推荐

推荐课程


社群

精彩视频

您的申请提交成功

确定 取消
剩余5
×

打赏金额

认可我就打赏我~

1元 5元 10元 20元 50元 其它

打赏

打赏作者

认可我就打赏我~

×

扫描二维码

立即打赏给Ta吧!

温馨提示:仅支持微信支付!