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花色苷对妊娠期糖尿病小鼠肠屏障功能的调节作用

申报人:李嘉轩 申报日期:2025-03-17

基本情况

2025创新项目
花色苷对妊娠期糖尿病小鼠肠屏障功能的调节作用 学生申报
创新训练项目
医学
公共卫生与预防医学类
学生来源于教师科研项目选题
二年期
妊娠期糖尿病(GDM)是妊娠期高发的代谢性疾病,其发病与肠道屏障功能紊乱密切相关。本项目旨在探讨天然多酚类化合物花色苷对GDM小鼠肠屏障功能的保护作用及分子机制。 GDM患者常伴随肠黏膜通透性增加、紧密连接蛋白表达异常及肠道菌群失调,加剧全身炎症和胰岛素抵抗。花色苷作为天然抗氧化剂,具有抗炎、调节菌群等活性,但对GDM肠屏障的作用尚未明确。本研究首次系统揭示花色苷通过多靶点(抑制炎症、抗氧化、调节菌群)改善GDM肠屏障功能的作用,为开发天然、安全的GDM营养干预方案提供实验依据,具有重要的临床转化价值。
1. 国家自然科学基金青年项目:基于内质网应激感应分子PERK/IRE1α探讨花色苷对妊娠期糖尿病的防治作用及机制研究;
2. 山东省自然科学基金青年基金:基于“肠道菌群-胆汁酸-肠TGR5-GLP-1”,探讨花色苷对妊娠期糖尿病的预防作用及机制研究;
3. 贺林院士新医学科研基金项目:花色苷调控TLR4/NF-κB信号通路抑制NLRP3炎性小体介导的妊娠期糖尿病大鼠的炎症损伤
指导教师对本课题给予大力的支持,详细讲解理论知识、带领团队成员进行相关实验
省级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
李嘉轩 公共卫生学院 预防医学(本科) 2024 细胞实验
张桓 公共卫生学院 预防医学(本科) 2024 细胞实验
马梓硕 公共卫生学院 预防医学(本科) 2024 动物实验

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
高芹 公共卫生学院

立项依据

研究花色苷对妊娠期糖尿病小鼠肠屏障功能的具体调节作用
1.通过体内实验,明确AC干预对GDM小鼠胰岛素敏感性、肠屏障作用信号通路及 炎症的影响,确定剂量效应关系,寻找合适的干预剂量;
2.通过体外实验,阐明AC以肠屏障作用为靶点介导炎症反应从而防治GDM的相关机制。
该研究旨在探讨花色苷对妊娠期糖尿病小鼠肠屏障功能的调节作用,研究将从模型构建、指标检测、机制探索等方面展开:
1. 建立GDM小鼠模型:选择合适的小鼠品系,如C57BL/6小鼠。通过高脂饮食联合小剂量链脲佐菌素(STZ)腹腔注射的方法诱导妊娠期糖尿病小鼠模型。正常对照组给予普通饮食和柠檬酸缓冲液注射。监测小鼠的血糖、体重、摄食量等一般指标,以确认模型是否成功建立。
2. 花色苷干预实验:将成功建模的GDM 小鼠随机分为不同干预组,分别给予不同剂量的花色苷灌胃处理,同时设置正常对照组和模型对照组(给予等量溶剂)。干预持续整个妊娠期,观察并记录小鼠的一般健康状况、繁殖性能(如产仔数、仔鼠体重等 )。
3. 肠屏障功能相关指标检测:通过检测小鼠肠道通透性来评估肠屏障的完整性,如采用荧光素标记的葡聚糖(FD4)灌胃,测定血清中FD4含量。检测肠道紧密连接蛋白表达,如ZO-1、Occludin、Claudin等,采用免疫组化、Western blot或实时荧光定量PCR技术,观察花色苷对这些蛋白表达水平的影响。评估肠道黏液层厚度和黏蛋白MUC2表达,通过组织切片染色测量黏液层厚度,用免疫组化或PCR检测MUC2表达。
4. 肠道菌群分析:收集小鼠粪便样本,提取微生物总DNA,通过16S rRNA基因测序分析肠道菌群的组成和多样性。比较不同组之间菌群结构差异,分析花色苷干预后对妊娠期糖尿病小鼠肠道菌群的调节作用,寻找与肠屏障功能改善相关的关键菌群。
5. 炎症因子检测:采用ELISA等方法检测血清和肠道组织中炎症因子水平,如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-1β(IL-1β)等,探究花色苷是否通过抑制炎症反应来改善肠屏障功能。
6. 氧化应激指标检测:测定肠道组织中氧化应激相关指标,如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性以及丙二醛(MDA)含量,研究花色苷对妊娠期糖尿病小鼠肠道氧化应激状态的影响,及其与肠屏障功能调节的关系。
7. 信号通路研究:通过Western blot、PCR等技术研究与肠屏障功能、炎症、氧化应激相关的信号通路蛋白和基因表达,如NF-κB、MAPK等信号通路,深入探讨花色苷调节妊娠期糖尿病小鼠肠屏障功能的潜在分子机制。 
花色苷(anthocyanins,AC)是一种特殊的黄酮类化合物,具有良好的降血糖[1]、抗氧化[2]等活性。一定的流行病学证据支持,增加孕期AC摄入可能对GDM产生保护作用。研究表明花色苷可能通过增加胰岛素的敏感性和分泌水平来改善葡萄糖代谢。在Esposito等[3] 的研究中,高脂肪饮食诱发小鼠产生胰岛素抵抗,高脂饮食补充黑加仑的小鼠在注射胰岛素30、60、 120min后,它们的胰岛素敏感性有所改善,体重增加减少,葡萄糖代谢得到改善。Luna⁃Vital等[4] 发现,紫玉米中的花色苷激活游离脂肪酸受体1(free fatty acid receptor 1,FFAR1)依赖蛋白和葡萄糖激酶,增加了胰腺β细胞的胰岛素分泌,导致肝脏葡萄糖摄取增多。
花色苷可以上调葡萄糖转运蛋白(glucose transporters,GLUTs)的表达来促进各种细胞类型中的葡萄糖吸收。Sasaki等[5] 使用0.2%矢车菊素⁃3⁃葡萄糖苷(cyanidin 3⁃glucoside,C3G)对糖尿病模型小鼠喂养5周后,小鼠白色脂肪组织中GLUT4表达明显上调,视黄醇结合蛋白4(retinol binding pro⁃ tein 4,RBP4)表达下调,并伴有白色脂肪组织中炎性脂肪细胞因子(单核细胞趋化蛋白⁃1、肿瘤坏死因子⁃α)表达下调,表明花色苷可以下调糖尿病小鼠RBP4的表达和相关炎症脂肪细胞因子来改善高血糖和胰岛素敏感性。除了GLUT4,GLUT2也是一种胰岛素敏感的葡萄糖转运蛋白,在肝脏的代谢和葡萄糖摄取中起着重要作用。Jiang等[6]对糖尿病小鼠分别给予游离的或与蛋白结合的紫薯花色苷化合物处理,发现小鼠肝脏组织中GLUT2、葡萄糖激酶(glucokinase,GK)和胰岛素受体α(insulin receptor α,INSRα)的蛋白表达水平上升。同时,磷酸果糖激酶(phosphofructokinase, PFK)和丙酮酸激酶(pyruvate kinase,PK)在两个处理组中上调。
在糖异生过程中,葡萄糖⁃6⁃磷酸酶(glucose6⁃ phosphatase,G6Pase)和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 (phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK)是两种重要的限速酶,促进肝细胞内糖原、蛋白质和脂肪向葡萄糖转化,抑制G6Pase和PEPCK的表达可有效抑制血糖的升高。体外数据表明,花色苷和其他多酚可能通过抑制肝细胞的葡萄糖生成来改善葡萄糖代谢[7]。Yan等[8] 用桑葚花色苷提取物处理HepG2细胞,下调过氧化物酶体增殖物激活受体γ 共激活因子⁃1α(peroxisome proliferator⁃activated re⁃ ceptor gamma coactivator 1⁃alpha,PGC⁃1α)和叉头框蛋白O1(forkhead box protein O1,FOXO1),从而使PEPCK和G6Pase的酶活性降低。而且,桑葚花色苷提取物增加了AKT和糖原合酶3β(glycogen synthase kinase,GSK⁃3β)的磷酸化,导致糖原合酶2的表达水平上升,促进了糖原合成,抑制了葡萄糖产生。
另外,许多研究表明在花色苷改善糖尿病的机制中涉及腺苷酸活化蛋白激酶(AMP⁃activated protein kinase,AMPK)信号通路。AMPK通路也被认为是糖尿病和相关疾病的主要药物靶点,它是一种细胞内能量传感器,参与细胞代谢的维持,其激活被认为可以抑制肝脏中的糖异生作用。Belwal等[9]研究发现,紫玉米提取物增加了AMPK的磷酸化,降低了肝脏中PEPCK、G6Pase的表达,下调乙酰辅酶A羧化酶(acetyl⁃CoA carboxylase,ACC)和雷帕霉素靶点(mechanistic target of rapamycin,mTOR),增加骨骼肌中GLUT4的表达,来调节胰岛素抵抗,改善糖尿病。
妊娠期糖尿病(gestational diabetes mellitus,GDM)是一种妊娠前糖代谢正常、妊娠后才出现的母体糖代谢异常而首次发生的葡萄糖耐量异常,可导致母体和胎儿近期和远期的多种并发症[10],GDM不仅会增加早产、感染、高血压和心血管疾病等母体并发症的风险,还可能导致难产、胎儿宫内生长受限和新生儿低血糖等不良妊娠结局。此外,越来越多的研究显示GDM是导致子代在成年后患上Ⅱ型糖尿病或肥胖的重要危险因素,并且增加这些孕妇在未来患上Ⅱ型糖尿病或代谢综合征的风险。由于新的诊断标准的引入、二胎及多胎政策的实施以及饮食结构的改变等多种因素, GDM的发病率呈现逐年增加的趋势。据国际糖尿病联盟评估,2021年全球约有2110万(16.7%)活产儿母亲患有妊娠期高血糖症,GDM占其中的80.3%[11]。当前临床方面对于GDM 的治疗方式主要为运动,饮食控制和胰岛素等,缺乏有效的防治措施。可见,明确识别GDM的危险因素,并在早期进行干预,对于改善孕期结果、保障母婴健康具有重要而紧迫的现实意义。GDM的发病机制尚未完全研究透彻,目前普遍认为其与Ⅱ型糖尿病类似,是由外周组织胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)的增加而导致胰岛细胞功能失代偿而引发[12]。
肠道屏障可分为生物屏障、化学屏障、物理屏障和免疫屏障 4 个部分,肠道物理屏障由肠道上皮细胞和细胞间的紧密连接共同组成,肠 黏 液 层 发 挥 化 学 屏 障 作 用,肠道上 皮 细 胞 中 分 布 着 丰 富 的 免 疫 细 胞。肠道中有益微生物主要通过竞争抑制有害微生物、发酵 产 生 有 益 代 谢 产 物 等 途 径 发 挥 其 屏障功能[13-14]研究发现,肠道屏障功能损伤会引发一系列代谢紊乱,进而诱导代谢性疾病的发生[15]。代谢紊乱是肥胖症、痛风、高脂血症、高尿酸血症、糖尿病等疾病的高危风险因素,目前的治疗方式有限,临床上更强调早期发现,并及时调整饮食结构和生活习惯,有效阻止疾病进展。
参考文献:
[1]Yang Y, Zhang JL, Zhou Q. Targets and mechanisms of dietary anthocyanins to combat hyperglycemia and hyperuricemia: A comprehensive review[J]. Crit Rev Food Sci Nutr. 2022;62(4):1119-1143.
[2]Kalt W, Cassidy A, Howard LR, Krikorian R, Stull AJ, Tremblay F, Zamora-Ros R. Recent Research on the Health Benefits of Blueberries and Their Anthocyanins [J]. Adv Nutr, 2020, 11(2):224-236.
[3]ESPOSITO D,DAMSUD T,WILSON M,et al.Black cur⁃ rant anthocyanins attenuate weight gain and improve glu⁃ cose metabolism in diet ⁃induced obese mice with intact,but not disrupted,gut microbiome[J].J Agric Food Chem,2015,63(27):6172-6180
[4]LUNA⁃VITAL D A,GONZALEZ DE MEJIA E.Anthocya⁃ nins from purple corn activate free fatty acid ⁃ receptor 1 and glucokinase enhancing in vitro insulin secretion and hepatic glucose uptake[J].PLoS One,2018,13(7):e0200449
[5]SASAKI R,NISHIMURA N,HOSHINO H,et al.Cyani⁃ din 3 ⁃ glucoside ameliorates hyperglycemia and insulin sensitivity due to downregulation of retinol binding pro⁃ tein 4 expression in diabetic mice[J].Biochem Pharma⁃ col,2007,74(11):1619-1627
[6]JIANG T,SHUAI X,LI J,et al.Protein⁃bound anthocyan⁃ in compounds of purple sweet potato ameliorate hypergly⁃ cemia by regulating hepatic glucose metabolism in high ⁃ fat diet/streptozotocin ⁃induced diabetic mice[J].J Agric Food Chem,2020,68(6):1596-1608
[7]ROOPCHAND D E,KUHN P,ROJO L E,et al.Blueber⁃ ry polyphenol⁃enriched soybean flour reduces hyperglyce⁃ mia,body weight gain and serum cholesterol in mice[J].Pharmacol Res,2013,68(1):59-67
[8]YAN F,ZHANG J,ZHANG L,et al.Mulberry anthocyan⁃ in extract regulates glucose metabolism by promotion of glycogen synthesis and reduction of gluconeogenesis in human HepG2 cells[J].Food Funct,2016,7(1):425-433
[9]BELWAL T,NABAVI S F,NABAVI S M,et al.Dietary anthocyanins and insulin resistance:when food becomes a medicine[J].Nutrients,2017,9(10):1111
[10]Ding M, Chavarro J, Olsen S, et al. Genetic variants of gestational diabetes mellitus: a study of 112 SNPs among 8722 women in two independent populations. Diabetologia. 2018;61(8):1758-1768.
[11]International Diabetes Federation. IDF Diabetes Atlas 10th Edition [M]. 2021.
[12]Nahavandi S, Price S, Sumithran P, et al. Exploration of the shared pathophysiological mechanisms of gestational diabetes and large for gestational age offspring [J]. World J Diabetes,2019,10(6):333-340.
[13]张薇,牛军龙,郭永鹏,等.呕吐毒素对猪肠道屏障的影响及其营养调控研究进展[J].动物营养学报,2022,34(10):6249-6256.
[14]刘阳,张钊,郭双双,等.葛根提取物对产气荚膜梭菌感染肉鸡生长性能和肠道屏障功能的影响[J].中国畜牧杂志,2022,58(6):232-239.
[15]ZENG Y,ZHENG Z,LIU F,et al.Circular RNAs in metabolism and metabolic disorders [J].Obes Rev,2021,22(7):e13220.  
创新点
1. 研究视角独特:多数研究聚焦于花色苷对普通糖尿病的作用,本项目针对妊娠期糖尿病小鼠展开,考虑到孕期生理变化及对母婴健康的特殊影响,从肠屏障功能这一新颖角度,探究花色苷对妊娠期糖尿病的干预效果,填补相关领域空白 。
2. 多维度机制探究:综合运用分子生物学、微生物学等多学科技术,从肠道菌群、紧密连接蛋白、炎症与氧化应激相关信号通路等多个维度,深入剖析花色苷调节肠屏障功能的作用机制,突破以往单一方向研究的局限 。
项目特色
1. 大学生主导实践:由大学生团队自主设计、实施项目,充分发挥大学生创新思维和探索精神,在实践中提升科研能力,相比传统科研项目,更具青春活力与创新热情 。
2. 产学研结合潜力:花色苷来源广泛,若证实其对妊娠期糖尿病肠屏障功能的积极作用,有望开发为辅助防治妊娠期糖尿病的功能性食品或膳食补充剂,项目成果具有转化为实际应用的潜力,连接科研与产业 。
1.技术路线:
路线如图summernote-img
2.拟解决的问题
该项目拟解决的关键科学问题可以归纳为以下几个方面:
① 明确妊娠期糖尿病(GDM)对肠道屏障功能的具体影响机制
拟探究:GDM小鼠模型中肠道屏障损伤的特征(如肠道通透性增加、紧密连接蛋白表达异常、黏液层破坏、菌群失调等)与糖代谢紊乱的因果关系。
科学意义:揭示GDM与肠道屏障功能间的双向调控关系,为靶向肠道干预提供理论依据。
② 解析花色苷改善GDM肠道屏障功能的核心靶点与通路
拟探究:花色苷是否通过调控Nrf2/ARE抗氧化通路、抑制TLR4/NF-κB炎症信号、调节肠道菌群代谢产物(如短链脂肪酸)或影响肠内分泌细胞功能(如GLP-1分泌)等途径修复肠屏障。
创新性:突破传统降糖药物研究框架,首次从"肠道微环境稳态"角度揭示花色苷防治GDM的新机制。
③ 建立肠-代谢轴在GDM中的作用网络
拟探究:肠道屏障功能改善是否通过减少内毒素入血(代谢性内毒素血症)、调节胆汁酸代谢或肠源性激素分泌等途径,间接改善胰岛素抵抗和β细胞功能。
应用价值:为开发基于"肠-胰/肝对话"的膳食干预策略提供实验依据。
④评估花色苷干预的时空特异性效应
拟探究:妊娠不同阶段(早/中/晚期)补充花色苷对母婴结局的影响差异,明确干预窗口期。
临床意义:指导孕期营养干预的最佳时机选择。
3.预期成果
通过上述研究,项目将系统阐明花色苷通过肠屏障调控改善GDM的分子网络,为天然产物在妊娠代谢疾病防控中的应用提供全新视角。
(1)研究成果将以学术论文形式体现,预计在国内外期刊上发表论文1篇。
(2)研究成果将制成药物应用于临床,减轻妊娠期糖尿病对孕妇的危害,促进花色苷的开发和应用。
2025.06-2025.12 开展动物实验,观察花色苷对GDM防治效果;
2026.01-2026.06 进行机制研究,检测不同实验组胎盘组织内质网应激关键蛋白PERK表达水平和血清炎症水平,进行阶段性小结;
2026.07-2026.12 开展细胞实验,检测相关指标;
2027.01-2027.06进行资料的分析总结,撰写论文和汇报研究结果。
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
(1) Gao Q, Liang B, Li H, Xie R, Xu Y, Tong Y, Jiang S. Metabolically healthy overweight/obesity with no metabolic abnormalities and incident hyperglycaemia in Chinese adults: analysis of a retrospective cohort study, BMJ Open, 2025,15(1).
(2) Gao Q, Zhong C, Zhou X, Chen R, Xiong T, Hong M, Li Q, Kong M, Xiong G, Han W, Sun G, Yang X, Yang N, Hao L. Inverse association of total polyphenols and flavonoids intake and the intake from fruits with the risk of gestational diabetes mellitus: A prospective cohort study. Clin Nutr. 2021;40(2):550-559.
(3) Gao Q, Zhong C, Zhou X, Chen R, Xiong T, Hong M, Li Q, Kong M, Han W, Sun G, Yang X, Yang N, Hao L. The association between intake of dietary lycopene and other carotenoids and gestational diabetes mellitus risk during mid-trimester: a cross-sectional study. Br J Nutr. 2019;121(12):1405-1412.
(4) Jiang S, Sun M, Zhou X, Xu Y, Ullah H, Niu X, Feng C, Gao Q (*). Association between blood manganese levels and depressive symptoms among US adults: A nationally representative cross-sectional study. J Affect Disord. 2023;333:65-71.
(5) 胡楠楠,赵成奥,高芹(*),翟庆峰(*). 内质网应激在妊娠期糖尿病中的作用及生物活性成分防治的研究进展,中国病理生理杂志,2024, 40(7): 1316-1323。
已具备的条件,尚缺少的条件及解决方法
已具备的条件
(1)项目申请者所在学校具有SPF级动物实验室和细胞房,可以完成实验动物实验 和细胞实验;
(2)拥有公共卫生检测与评估中心,配有各种大型仪器设备如LC-MS/MS、GC- MS、ICP-MS等;
(3)拥有荧光定量PCR仪、低温高速和超速离心机、微波消解仪、超级恒温水浴、 电泳仪全能酶标仪、全自动生化分析仪、PCR扩增仪等仪器;
(4)具备想对成熟的实验分析体系;
(5)对花色苷、妊娠期糖尿病和肠道屏障功能的研究相对透彻,且具有相对丰富的 研究经验;
尚缺少的条件
(1)没有熟练使用实验仪器;
(2)还有小部分的相关著作没有查阅到;
(3)对于花色苷和妊娠期糖尿病的理论知识的掌握还不够,自己的花色苷和妊娠期
糖尿病理论素养还不够深厚。
解决方法
(1)多进入实验室练习,争取在实验开始前熟练掌握机器使用
(2)利用图书馆的文献传递功能,向其它高校图书馆求助,同时向同学和老师寻求 帮助。
(3)对花色苷和妊娠期糖尿病方面的文献和著作进行深入地阅读,提高自己的理论 水平和素养,努力加深论文的理论深度。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 20000.00 15000.00 5000.00
1. 业务费 5000.00 0.00 5000.00
(1)计算、分析、测试费 0.00 0.00 0.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(5)论文出版费 5000.00 0.00 5000.00
2. 仪器设备购置费 15000.00 15000.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 0.00 0.00 0.00
结束