研究方案︱多糖类中药成分功能与机制研究新策略--菌群与代谢

  • 来源:生物谷
  • 时间: 2021/2/26 9:36:00
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    中药方剂在中国已有数千年的应用历史。由于大部分中草药和方剂的成分过于复杂,其有效成分和基础机制尚缺乏充分的科学验证,因此其在现代临床使用中受到诸多限制。中草药经过炮制、煎煮后,复杂的成分包括碳水化合物/多糖(PS)、蛋白质/多肽、糖脂质/糖蛋白、脂质,以及它们的代谢衍生物,如糖苷、胺、脂肪酸、类黄酮、萜类、酚和生物碱,彼此之间发生相互作用从而调节宿主体内的生理生化反应。其中很多成分通常不会被宿主直接吸收,而是进入肠道,通过肠道菌群转化为具备生理活性的代谢产物而发挥药效作用。越来越多的证据表明,中草药也会直接影响肠道菌群的组成,这也与中草药成分转化为活性代谢产物有关。中药有效成分与肠道菌群的相互作用会显著影响中草药的治疗效果。

    其中有一类成分--多糖,越来越受到研究者的关注。中草药多糖以及蔬菜、水果和全谷物等其他来源的多糖,在免疫调节和疾病改善中发挥重要作用。由于人类基因编码的消化酶有限,多糖在到达结肠前通常是不被消化的。在结肠中,肠道微生物通过糖酵解机制将可发酵多糖(如β-葡聚糖)分解生成重要的天然生物活性产物。多糖的连续消化可产生许多短链寡糖(如不同的链长、结构组成和分支数的寡糖)。有些寡糖可以有利于益生菌如双歧杆菌属和拟杆菌属的生长。较短的多糖可以进一步消化形成单糖,如甘露糖(Man)、葡萄糖(Glc)、半乳糖(Gal)、鼠李糖(Rha)、阿拉伯糖(Ara)和岩藻糖(Fuc),它们也可以促进细菌生长。单糖继续分解生成代谢产物,例如短链脂肪酸(SCFA:乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐)、乳酸盐,可直接影响宿主生理。另外,降解产物如D-甘露糖可以充当信号分子,对宿主细胞和组织进行不同的免疫调节作用和功能。

    由于中药研究中具有多组分、多靶点、动态性、整体性等特点,需要不断开发新的策略来研究中药活性成分的疗效机制。代谢组学与肠道元基因组、宏基因组等多组学平台相结合,可以共同鉴定新的功能性代谢产物和功能菌,为中药相关活性成分机制研究打好基础。绘谱君在此整理了几个多糖研究案例,为大家拓展研究策略及方法。

    薜荔果多糖通过肠道菌群和代谢产物发挥减肥作用

    上海中医药大学王顺春教授团队发现薜荔果中提取的同聚半乳糖醛酸型果胶多糖(FPLP)可减轻肥胖小鼠的体重增加和脂肪积累程度,并改善胰岛素抵抗、高脂血症水平以及慢性低度炎症等指标。基于16S rRNA和代谢组学分析,FPLP改善肠道菌群的紊乱,增加了肉豆蔻酸和十五烷酸水平,从而降低血清总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇含量,达到减肥效果。

    黄芪多糖通过菌群代谢物2-羟基丁酸改善肥胖小鼠脂质代谢

    上海中医药大学李后开教授团队对黄芪多糖进行了系统的长期研究,发现黄芪多糖减肥作用与调节小鼠的肠道菌群多样性有关。于是通过采用功能代谢组学结合肠道菌群的研究策略,探讨黄芪多糖(APS)调节代谢的作用机制。明确APS对8周高脂饮食(HFD)肥胖小鼠的代谢有益作用后,基于GC-TOFMS和LC-MS/MS对血清和肝脏进行代谢组学分析,最后发现2-羟基丁酸(2-HB)是APS活性的潜在功能代谢物:HFD降低2-HB水平,而APS可逆转2-HB的变化。进一步研究表明2-HB可抑制油酸诱导的甘油三酯(TG)积累,降低高脂高糖(HFHS)饮食小鼠的血清TG水平并调控参与脂质降解的蛋白质,而2-HB是肠道菌群参与的代谢产物。

    灵芝多糖/虫草多糖通过肠道细菌改善肥胖

    台湾长庚大学赖信志教授团队对灵芝多糖和虫草多糖做了很多研究,他们首先发现灵芝多糖可以通过调节肠道菌群使小鼠“减肥”,而冬虫夏草与灵芝功能相似,在免疫调节、抗炎、降血脂等方面都有一定的功效。随后也证实了虫草多糖是通过一种肠道细菌Parabacteroides goldsteinii的作用达到减肥效果,表明新的益生元H1和新的益生菌P. goldsteinii对抗肥胖与调节代谢具有积极作用。

    芦荟多糖可改善肠道菌群,维持肠道健康

    江南大学钱和教授团队发现芦荟多糖(APs)是芦荟中重要的活性成分,是一种有益的可溶性膳食纤维,发酵后可产生短链脂肪酸(SCFAs),有利于机体健康。该项研究发现,APs分子量经胃和肠消化后无明显变化。在体外粪便发酵过程中,挥发物含量和pH值不断下降,而SCFAs浓度显著升高。通过APs干预后,肠道菌群组成发生改变,SCFAs代谢相关菌丰度增加,有害菌减少。此外,APs可增强肠道菌多聚糖降解和果糖、甘露糖代谢,相关酶基因表达上调。表明APs可通过微生物代谢产生SCFAs发挥作用,提示APs可作为功能性食品调控肠道健康。

    牡蛎多糖调节肠道菌群,改善黏膜炎

    中科院南海海洋研究所万鹏团队从牡蛎中提取牡蛎多糖(CHP)并构建S180荷瘤小鼠模型,CHP进行干预治疗后,荷瘤小鼠肠道生理状态明显得到改善,同时炎症因子降低,TP、ALB、PA、TRF、IgA、IgM和IgG水平得以恢复。进一步研究发现,CHP通过调控小鼠的肠道菌群,增加丙酸和丁酸的浓度,进行影响TLRs信号通路,逆转小鼠模型营养与能量代谢改变,增加5-氟尿嘧啶(5-FU)的抑瘤率并改善小鼠精神状态。

    综上针对中药成分(多糖或者相似成分)的药效机制研究,可以利用如下有别于传统中药研究的新策略开展工作:

    1. 选择具有明确药效作用的研究对象(如粗提取物/汤剂或散剂),利用代谢组学和肠道菌群等多组学平台直接寻找药效相关功能成分。其基本原理是使用代谢多组学方法寻找/筛选代谢转化后的功能性成分(如乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐,以及乳酸盐等等),而非直接从中草药中分离提取后筛选功能成分。

    2. 建模给药后,根据模型需求收集肠/粪便/血液样本,对样本中菌群分类和丰度及肠/粪便/血液相关代谢产物进行定量分析。在对照组和实验组之间筛选统计学显著差异的细菌和代谢物,并分析与药物药效是否有关,缩小关注目标。

    3. 上一步获得药效阳性结果后,将对目标菌群(潜在的代谢有益菌)或代谢物(潜在的后生元或类生元)单独或联合进行功能和机制验证。

    为了更好地协助老师们做好多糖类中药的肠道菌及代谢组研究,绘谱君为您提供一站式解决方案,包括课题设计、检测服务(菌群代谢物全谱分析、代谢物绝对定量分析、菌群16S RNA/宏基因测序、关联分析)及数据结果解读等,欢迎做此类研究的科学家们关注二维码联系我们,获得更多科研协助

    参考文献

    1.Role of gut microbiota in identification of novel TCM-derived active metabolites. Protein Cell. 2020. https://doi.org/10.1007/s13238-020-00784-w.

    2.Functional metabolomics reveals that Astragalus polysaccharides improve lipids metabolism through microbial metabolite 2-hydroxybutyric acid in obese mice.Engineering. 2020. https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.05.023.

    3.Roles of gut microbiota and metabolites in a homogalacturonan-type pectic polysaccharide from Ficus pumila Linn. fruits mediated amelioration of obesity. Carbohydrate Polymers. 2020. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116780.

    4.Study on fecal fermentation characteristics of aloe polysaccharides in vitro and their predictive modeling. Carbohydrate Polymers. 2021. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117571.

    5.Oyster polysaccharides ameliorate intestinal mucositis and improve metabolism in 5-fluorouracil-treated S180 tumour-bearing mice. Carbohydrate Polymers. 2021. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117545.

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