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硒化柴胡多糖介导调控肠道菌群和肝脏氧化应激治疗NAFLD的作用机制

申报人:张欣然 申报日期:2025-03-24

基本情况

2025创新项目
硒化柴胡多糖介导调控肠道菌群和肝脏氧化应激治疗NAFLD的作用机制 学生申报
创新训练项目
工学
生物工程类
学生来源于教师科研项目选题
二年期
非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)已成最常见慢性肝病,全球患病率25%且逐年上升,中国流行率、发病率和相关疾病年度死亡率最高。其发病机制复杂,“多重打击”假说认为脂毒性等多重因素协同诱发肝脏炎症。氧化应激、炎症反应、肠-肝轴在其发展中起关键作用,目前无获批治疗药物。 多糖能调节代谢疾病,硒可对抗氧化应激,硒化柴胡多糖(Se-RBP)兼具二者优势。柴胡多糖有抗炎、调节肠道菌群功能,硒有抗氧化活性。本研究以Se-RBP为对象,以肠道菌群、氧化应激和炎症因子为靶点,探讨其对NAFLD的防治作用,旨在为NAFLD治疗提供新策略,深入研究调控机制,为开发Se-RBP作功能性食品或药品奠定基础,也为柴胡开发提供新思路。
1. 山东省自然科学基金青年项目:硒化柴胡多糖药代动力学研究,ZR2022QH183,2023.01.01-2025.12.30
2. 贺林院士新医学临床转化工作站基金项目:基于肠道菌群与内质网应激探讨硒化螺旋藻多糖改善肥胖及代谢紊乱的作用及机制,JYHL2021MS18,2022.1.1-2024.12.31
支持
校级

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
张欣然 医药工程学院 生物制药(本科) 2024 查找资料,设计方案,中期、结题汇报
孙兰昊 医药工程学院 生物制药(本科) 2024 整理、分析数据、撰写论文等
王楠 医药工程学院 生物制药(本科) 2024 耗材购买,报销等事宜
江碧花 医药工程学院 生物制药(本科) 2024 实验
于苏菲 医药工程学院 生物制药(本科) 2024 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
吴学艳 医药工程学院

立项依据

本研究旨在探究传统中药材柴胡多糖的硒化产物对高脂饮食诱导的NAFLD的防治的作用,同时分析肠道菌群结构改变与NAFLD发生的关系,为传统中药材的深入开发提供新思路,为硒化柴胡多糖的药品和保健品开发提供理论依据和数据支撑。
本课题以硒化柴胡多糖为研究对象,首先从柴胡中提取纯化得到柴胡多糖,用HNO3-Na2SeO3法制备硒化柴胡多糖并对其理化性质及结构进行表征;通过体外和体内实验探究硒化柴胡多糖抗食源性肥胖及代谢紊乱的作用和机制,主要研究内容如下:
1.硒化柴胡多糖的制备
(1)超声辅助热水浸提法提取柴胡多糖:在单因素基础上,利用正交试验优化柴胡多糖的取条件,分析液料比、提取温度、提取时间和超声时间4个因素对柴胡多糖得率的影响,并获得提取柴胡多糖的最佳提取条件。
(2)在单因素基础上,通过正交试验优化柴胡多糖的硒化条件,分析柴胡多糖添加量、亚硒酸钠添加量、反应液pH、硒化温度4个因素对柴胡。
(3)利用GC, HPLC, FT-IR,AFM, SEM等技术,分析柴胡多糖和硒化柴胡多糖主要官能团、构型、微观表面特性。
2.Se-RBP改善高糖高脂饮食诱导的NAFLD的作用评价
(1)小鼠模型的建立与分组:50只雄性ICR小鼠随机分为6组,每组8只小鼠。正常对照组(Control)小鼠提供基础饲料,每日灌胃0.2mL生理盐水;模型组(HFD)小鼠提供高糖高脂饲料,每日灌胃0.2mL生理盐水;阳性对照组小鼠提供高糖高脂饲料,每日灌胃辛伐他汀(Simvastatin)100 mg/kg;实验组小鼠喂食高糖高脂饲料,分别灌胃高剂量、中剂量、低剂量Se-RBP。所有小鼠自由摄取无菌水和食物,每周测定小鼠体重,连续喂养12周。
(2)葡萄糖耐受能力测定:实验周期结束,小鼠禁食不禁水12h,用罗氏血糖仪测定小鼠空腹血糖值,记为0min,随即以3g/kg的剂量灌胃葡萄糖溶液,分别在灌胃后的30min,60min, 90 min,120 min测定每组小鼠的实时血糖。绘制血糖曲线,并通过梯形法计算曲线下面积(AUC)。
(3)血脂相关指标测定禁食12小时后,心脏穿刺取出血液,静置收集血清。严格按照试剂盒的操作说明检测血清中总甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)、游离脂肪酸(NEFA)以及低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)的含量。分析Se-RBP对HFD诱导小鼠血脂水平的影响。
3.硒化柴胡多糖改善NAFLD的生物活性评价
(1)构建小鼠模型:方法同1.2.1。
(2)肝脏指数测定:实验结束后取出小鼠肝脏,洗净称重,计算各组小鼠肝脏指数。
(3)肝脏形态学观察:HE染色,油红O染色,Masson染色观察肝脏形态。
(4)肝脏中TC、TG与NEFA水平、肝功能指标转氨酶ALT和AST以及肝脏氧化应激指标LPO和MDA的测定:对肝脏组织进行研磨,然后用生化试剂盒对TG、TC与NEFA水平、ALT与AST以及脂质过氧化产物LPO和MDA水平进行测定。
4.基于肠道微生态探讨硒化柴胡多糖对HFD小鼠肠道菌群的影响
(1)肠道微生物结构检测:实验结束时采集小鼠粪便,用剂盒提取小鼠粪便中的肠道菌群的DNA,随后进行肠道细菌16SrRNA基因的PCR扩增及Miseq测序,通过肠道细菌OUT聚类及物种信息注释对各组小鼠肠道菌群结构进行分析。
(2)肠道屏障形态观察:实验结束采集小鼠回肠组织,进行HE染色观察组织形态;WGA-FITC法检测结肠组织中的黏连蛋白,分析Se-RBP对小鼠肠道屏障作用的影响。
(3)内毒素检测:将血清样本取出,采用美洲鲎试剂(LAL)显色法测定各组小鼠血清中的内毒素含量。
(4)小鼠粪便中SCFAs含量测定:采用HPLC法对小鼠粪便中SCFAs含量进行检测。探讨了肝脏脂肪变性与肠道内SCFAs变化的相关性。
5.硒化柴胡多糖通过抑制内质网应激保护脂肪性肝细胞损伤的机制研究
(1)小鼠模型建立与分组方法同1.2.1。
(2)小鼠肝脏中内质网应激相关通路蛋白表达测定:IHC法测定小鼠肝脏中GRP78/Bip,p-IRElα,p-NF-KB p65的表达。
(3)细胞的培养:采用含有10%胎牛血清、100u/mL青霉素、100u/mL链霉素的DMEM高糖培养基培养AML-12细胞,置于37℃、5%的培养箱中,次日更换培养基一次,48 h后细胞传代一次。
(4)CCK-8法评价Se-RBP细胞浓度并筛选油酸(OA)造模浓度Se-RBP的细胞毒性实验:细胞培养至对数生长期,采用胰酶消化,调整细胞密度为5×107个/mL,将细胞悬液以150μL/孔加入到96孔板中培养24 h,吸除培养基,对照组加入150μL/孔的PBS溶液;其他各组加入不同浓度的Se-RBP溶液(50,100,200,400,800g/mL),继续培养24 h。各孔加入10μL的CCK-8工作液,静置30 min,酶标仪在450 nm波长处测定吸光度,计算细胞存活率。筛选油酸的造模浓度:按照上述方法接种细胞,对照组加入150μL/孔的PBS溶液;其他各组加入不同浓度的OA溶液(0.1,0.2,0.5,1.0mM),继续培养24h。各孔加入10μL的CCK-8工作液,静置30 min,酶标仪在450 nm波长处测定吸光度,以细胞存活率确定OA造模浓度。
(5)Se-RBP对OA诱导的AML-12细胞损伤的保护作用待细胞生长至60%-80%时,胰酶消化后调整细胞浓度,接种于12孔板内;细胞分为5组:对照组(Control);模型组(OA);高中低剂量的Se-RBP组(OA+高中低剂量Se-RBP);孵育24 h后进行CCK-8实验,对Se-RBP的保护作用进行评价。
(6)AML-12细胞内ROS的检测:细胞培养方法同5);各孔加入100μL荧光探针DCFH-DA溶液进行活性氧检测,置于培养箱中孵育30min后,利用倒置荧光显微镜观察,拍照。
(7)AML-12细胞的油红O染色:细胞培养同5);弃去培养基,各孔加入300μL油红O染液,30min后洗涤细胞,倒置显微镜下观察细胞。
(8)透射电镜观察AML-12细胞内质网的超微结构:细胞培养方法同(5),随后对细胞进行固定、染色、包埋,利用透射电镜观察细胞内质网的超微结构。
(9)Se-RBP对AML-12细胞IL-1β、TNF-α表达的影响:细胞培养方法同(5),随后ELISA法测定培养液中IL-1β、TNF-α含量。
Se-RBP对AML-12细胞中IRElα及NF-κB p65激活的影响:Western blot法。
1.非酒精性脂肪肝严重威胁人类健康
随着人类生活习惯的改变以及肝炎疫苗接种的普及,非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)己经成为最常见的慢性肝病。据报道,全球NAFLD患病率为25%,且患病率逐年增加,是目前全球最重要的公共健康问题之一。在亚洲,中国是NAFLD流行率、发病率和相关疾病年度死亡率最高的国家,如果这种大流行持续下去,预计中国将是世界上NAFLD患病及相关死亡人数最多的国家。
NAFLD包括一系列连续的肝脏疾病,早期症状仅是单纯的肝脏脂肪变性,在炎症反复浸润伴肝细胞损伤和过量脂毒性物质的积累等多种因素作用下可进一步发展为非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis, NASH),最终演变成不可逆转的肝硬化和肝癌(hepatocellular carcinoma HCC),抑制NAFLD病程进展可以显著改善HCC患者生存率。NAFLD除了引起肝病相关的残疾和死亡外,还和2型糖尿病、代谢综合征及其相关心脑血管疾病密切相关。
2.非酒精性脂肪肝的发病发展机制
NAFLD发病机制复杂,过量脂质沉积导致的肝脏脂肪变性和氧化应激是NAFLD发生发展的重要机制。当前被广为接受的NAFLD发病机制假说是基于“二次打击”假说而提出的“多重打击”假说。根据经典的“二次打击”假说解释,第一次打击是脂肪在肝脏内过度积累造成脂肪变性。第二次打击是在第一次脂肪累积的基础上,线粒体中脂肪酸β氧化过快,产生过量活性氧类物质(ROS)肝脏细胞造成氧化损伤。“多重打击”假说是以“二次打击”假说为基础,提出脂毒性、线粒体功能障碍、内质网应激、脂肪组织功能障碍、炎性细胞因子和肠源性内毒素等多重打击因素协同诱发肝脏炎症,从而为NAFLD的发机制提供了更为准确的解释。
肝脏承担着重要的新陈代谢,通过分泌和排泄功能维持机体稳态。由于肝细胞负责脂肪生成、胆固醇生物合成以及糖异生等多种代谢,因此肝细胞富含光滑和粗糙的内质网(endoplasmic reticulum,ER)用来维持细胞的正常功能。然而,饮食及疾病诱导的糖脂代谢异常,打破了肝细胞内ER稳态,导致未折叠蛋白积累(UPR),诱发ER stress。ER stress会影响谷胱甘肽(Glutathione, GSH)的合成,引起氧化应激而加剧肝脏组织损伤。ROS的过量产生而引起的氧化应激在NAFLD的发展中起到关键作用。肝细胞处于脂肪变性状态时,由于脂肪酸氧化与Ca2+过载改变线粒体功能,导致ROS大量增加。这些过程不可避免的导致肝细胞的损伤、肝星状细胞的活化、炎症和过量的细胞外基质积累,逐步发展为NASH。
越来越多的研究表明炎症反应在NAFLD的发生发展中发挥重要作用,大量不同种类的免疫细胞通过不同途径参与NAFLD的进程。肝脏中存在着大量的居留免疫细胞,与募集而来的免疫细胞共同参与NASH和纤维化的发展。肝脏居留巨噬细胞(kupffer细胞)是人体最大的组织居留巨噬细胞库。在炎性环境下,肝脏会募集大量由单核细胞衍生的巨噬细胞,使肝脏中巨噬细胞数量增加。NAFLD中,脂质的过量累积会导致肝细胞损伤并释放损伤相关的分子模式(damage associated molecularpatterns, DAMPs),DAMPs活化巨噬细胞并使其产生并释放促炎因子,促进NASH的发展。大量的动物实验发现抑制巨噬细胞促炎因子的释放可以显著缓解饮食诱导的NASH小鼠的肝脏损伤。
目前还没有药物被批准用于NAFLD的治疗。临床上炎症的治疗主要集中在类固醇和非类固醇抗炎药,但其副作用如高血压、骨质疏松、免疫抑制、上消化道溃疡、肝毒性、肾功能不全等,使其长期使用存在争议,也是这些药物使用的一个重要限制。因此,寻找潜在无毒、有效的抑制炎症的物质是迫切需要的。
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图1 NAFLD发展的“二次打击”学说
肠-肝轴在NAFLD的发生发展起到关键作用。正常情况下,健康的肠道内定植了大约1000多种微生物群落,与宿主相互作用,共同维持机体的健康状态。肠道菌群的数量与种类发生改变,或者其代谢功能发生障碍,会增加罹患疾病的风险。研究表明,肠道菌群的生态失衡与NAFLD的发展密切相关。Spencer等人研究发现,在胆碱缺乏的情况下,受试小鼠肠道内的丹毒丝菌纲(Erysipelotrichia)与γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)的相对丰度随着肝脏脂肪堆积的严重程度而改变,丹毒丝菌纲的丰度增加,患有NAFLD的风险也随之增加,而γ-变形菌纲的丰度与NAFLD的发生呈负相关。有研究者利用全基因组鸟枪测序,通过比较肠道微生物群落的组成来区别轻度、中度NAFLD与纤维化,结果发现厚壁菌门与变形菌门的丰度在各组间有明显差异;在轻度、中度NAFLD患者的肠道内,厚壁菌门的丰度较高;而在肝脏纤维化严重的患者肠道内变形菌门的丰度较高。此外,无菌小鼠接受NAFLD小鼠的粪便移植后,产生了明显的代谢紊乱,肝脏的脂质积蓄显著增加,血脂水平的相应提高。国内最新一项研究成功分离并鉴定了几种在肥胖和NAFLD儿童中占主导地位的共生肠道细菌菌株,其中4种新菌株在体外实验种具有显著增脂作用,这些菌株通过调节脂质代谢和炎症相关基因的表达,表现出与肝细胞脂肪变性的潜在联系。
此外,肠道菌群代谢产物LPS、短链脂肪酸、乙醇、3-(4-羟苯基)乳酸以及与肠道菌群代谢相关的胆酸汁、胆碱、甜菜碱和甲胺循环的改变在肝脏损伤的病理生理学中液起到重要作用11(如图1)。这些研究结果表明肠道菌群对脂质代谢的平衡至关重要,改善肠道菌群的组成结构可能成为防治NAFLD的新靶标。
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图2 肠道菌群密切参与NAFLD的发展
肠道粘膜通透性增加是促进NAFLD发生发展的重要机制。黏液层、抗菌肽以及细胞间的紧密连接共同构成了肠道粘膜屏障。对128例NAFLD患者的肠道粘膜功能进行分析,结果发现39.1%的NAFLD患者肠道粘膜屏障受损,健康对照组中仅有6.8%出现肠道粘膜通透性增加,而在NASH患者中,这一数字达到49.2% ,可见随着肝脏病程度的增加肠道粘膜通透性有明显改变。通过分析NAFLD患者的肠道紧密连接蛋白表达情况,结果显示ZO-1表达水平的显著降低导致了肠道粘膜通透性的增加。另一研究表明在高脂饮食诱导的NASH小鼠中,肠血管屏障破坏标记物脂膜蛋白PV1显著上调,肠血管屏障受损导致肠道细菌移位进入肝脏,进一步引发肝脏的炎症反应,加速NAFLD的发展。
3.硒化柴胡多糖具有防治非酒精性脂肪肝的潜力
多糖是一种天然来源的无毒大分子物质,具有很高的生物活性,在调节 代谢疾病方面有着得天独厚的优势。越来越多的研究表明由于人类基因组无法编码足够的碳水化合物代谢酶,膳食中的多糖在唾液、胃液及小肠中不会被完全消化吸收,一部分得以顺利到达结肠被肠道微生物所利用,结肠中大量微生物具有机体不具备的代谢多糖的能力,产生大量短链脂肪酸(SCFAs)。SCFAs对肠道屏障的维持具有重要作用:短链脂肪酸中的丁酸盐能够通过激活GPR43/NLRC3通路,提高结肠组织中紧密连接蛋白ZO-1与occludin的表达,改善肠道黏膜屏障受损。同时短链脂肪酸可以作为肠上皮细胞的能量来源,并作为信号分子参与代谢和肠道免疫调节。其次多糖能够影响肠道微生物的组成和多样性。多糖对肠道微生物群落结构影响和肠道微生物对多糖的利用彼此互为因果,共同调节肠道内蛋白质、脂肪和糖类的代谢。因此基于宿主健康、肠道菌群和多糖三者之间密切的关联性,以肠道微生物为靶点研究多糖对脂代谢调节作用及相关机制研究日益深入。
硒是一些抗氧化物酶(谷胱甘肽过氧酶、硫氧还蛋白还原酶和碘胸腺嘧啶去碘化酶)的必要组成元素,硒剂的补充可以有效提高抗氧化酶的活性,对抗氧化应激造成的肝脏损伤。无机硒安全范围较小,过量摄入在机体内会造成积蓄性毒性累积和致突变作用,且与有机硒相比,其生物利用度低,毒性高。硒化多糖是实现无机硒向有机硒转化的有效手段。硒化多糖不仅集硒与多糖的优点于一身,还体现出硒与多糖结合为硒化多糖后的生物学功能。大量研究表明,硒化多糖在免疫调节、抗氧化损伤、抗病毒、抗肿瘤、降血压、降血脂等方面发挥越来越多的作用,对其生物活性的研究备受关注。
柴胡(radix bupleuri)是我国传统常用中草药,为伞科植物,多糖是其主要活性成分之一,具有具有解表退热,疏肝升阳,调经止痛等功效,对调节肠道菌群、减轻肠道炎症均具有较好的调节活性。
基于柴胡多糖(radix bupleuri polysaccharide, RBP)的抗炎活性、调节肠道菌群结构功能结合硒的抗氧化活性,本研究拟以硒化柴胡多糖(Se-RBP)为研究对象,以肠道菌群、氧化应激和炎症因子为发挥作用的靶点,探讨硒化柴胡多糖对于NAFLD的防治作用,为NAFLD的治疗提供新的策略,深入探讨其对调控机制,为开发利用硒化柴胡多糖作为功能性食品或改善NAFLD药品的研发奠定研究基础和数据支撑,为传统中药资源柴胡的开发提供研究思路。
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本课题对硒化柴胡多糖NAFLD的作用和机制进行探讨,从硒剂增强抗氧化酶活性缓解内质网氧化应激造成的肝损伤,柴胡多糖调节肠道菌群改善糖脂代谢异常、保护肠道屏障、降血糖、抗炎等多重角度进行研究,为NAFLD的防治筛选新的有效靶点,具有重要的理论依据和潜在的应用价值。该研究具有多层面、多靶点、多途径的优势,对NAFLD的防治具有非常大的潜力。
1.技术路线
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2.拟解决的问题
(1)Se-RBP对小鼠肠道菌群的影响
许多研究已证实NAFLD与肠道菌群互相影响,而肠道菌群受到饮食调节的影响。因此,本研究通过对HFD诱导小鼠饲喂硒化柴胡多糖,提取小鼠肠道菌群DNA并对其16S rDNA基因的V3-V4可变区进行扩增,从门水平结构和属水平结构分析小鼠肠道菌群结构改变,分析硒化柴胡多糖对肠道菌群结构的影响。
(2)Se-RBP对小鼠肠道屏障的影响
SCFAs是多种多糖在肠道内被肠道细菌消化降解的产物,SCFAs参与到日常饮食、肠道菌群和脂肪储存之间调节的分子机制当中。本研究拟采用HPLC法测定小鼠粪便中SCFAs含量,肝脏脂肪变性与肠道内SCFAs变化的相关性。同时通过对小鼠回肠组织进行HE染色观察组织形态。WGA-FITC法检测结肠组织中的黏连蛋白,分析Se-RBP对小鼠肠道屏障作用的影响。
(3)硒化柴胡多糖对内质网应激的影响机制研究
当肝脏中积聚过量的脂肪时,线粒体中脂肪酸的β氧化加快,以致产生大量的ROS物质造成氧化损伤和内质网应激反应。硒是多种抗氧化酶的必要组成元素,硒化多糖能有效增强抗氧化酶的活性,有潜力对抗脂质堆积造成的氧化应激,缓解肝细胞的氧化损伤。本研究拟通过测定小鼠肝脏中内质网应激相关通路蛋白GRP78/Bip,p-IRElα,p-NF-KB p65表达的测定,结合体外培养肝脏细胞内各种抗氧化酶的活性,脂肪在肝细胞内的沉积来评估硒化柴胡多糖对内质网氧化应激的影响。
3.预期结果
明确硒化柴胡多糖对于NAFLD的防治作用及其调控机制,为NAFLD的治疗提供新的策略。
发表高水平论文1篇
2025年1月~2025年12月:完成硒化柴胡多糖的制备和结构表征;通过测定HFD诱导NAFLD小鼠及其Se-RBP干预后的体重增长曲线、血脂水平、病理组织学检查等完成Se-RBP改善NAFLD的生物活性的评价。
2026年1月~2026年12月:完成硒化柴胡多糖对HFD诱导肥胖小鼠的肠道菌群结构的影响,完成硒化柴胡多糖对肝脏细胞内质网应激的影响,对其作用机制进行分析。进行工作总结,提交总结报告。
本课题组长期从事多糖生物活性方面的研究,近年来对柴胡多糖的结构表征、体外生物活性及相关信号通路以及体内免疫调节机制等方面研究取得了扎实的工作积累,部分成果展示如下:
1.1 柴胡多糖的提取纯化及表征
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图3柴胡多糖的结构表征(组分分离、单糖测定、分子量测定、红外光谱表征)
1.2 柴胡多糖的体外免疫调节作用及机制
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图4柴胡多糖对局势细胞增殖和NO、IL-6、TNF-α分泌的影响
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图5柴胡多糖激活对巨噬细胞 MAPK 和 NF-кB 信号通路
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图6柴胡多糖提高免疫调节信号通路相关 mRNA 的表达
1.3 柴胡多糖对免疫抑制小鼠的免疫调节能力影响
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图7柴胡多糖对免疫抑制小鼠的免疫器官、脏器指数、免疫细胞数量和肝脏抗氧化酶活性的影响
1.4柴胡多糖对小鼠肠道肠道屏障的影响
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图8柴胡多糖对小鼠肠道肠道屏障的影响
学院具备开展本研究的实验室、动物房、大型分析仪器等实验条件,可支持顺利开展实验。

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 购买实验动物、耗材、 测试 12000.00 8000.00
1. 业务费 16000.00 8000.00 8000.00
(1)计算、分析、测试费 8000.00 16srRNA检测肠道细菌 8000.00 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 8000.00 论文版面费 0.00 8000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 4000.00 购买实验动物及耗材 4000.00 0.00
结束