基于脂质组学探究番茄红素对非酒精性脂肪肝小鼠的干预作用及相关机制

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目的:通过构建C57BL/6J小鼠非酒精性脂肪肝(Non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)模型,并使用不同剂量番茄红素(Lycopene,LYC)灌胃干预,探索番茄红素对NAFLD小鼠血清和肝脏生化指标的作用,利用脂质组学分析番茄红素对NAFLD小鼠肝脏脂质代谢的调节作用,利用分子生物技术探索可能的作用机制,为番茄红素的健康作用提供新的证据,为寻找NAFLD的有效治疗方法提供新思路。方法:1.使用脂肪供能比60%的高脂饲料连续饲养C57BL/6J小鼠12周,构建NAFLD模型,正常对照组(CON组)给予基础维持饲料。将造模成功的小鼠按体重随机分为模型组(MON组)、番茄红素低剂量组(50mg/kg·d,LYC-L组)、番茄红素中剂量组(100mg/kg·d,LYC-M组)和番茄红素高剂量组(200mg/kg·d,LYC-H组)。干预12周,每周记录小鼠体重和进食量。干预结束后,小鼠麻醉处死,收集血清和肝脏组织,记录最终体重和肝脏重量,计算肝脏指数,苏木精-伊红(Hematoxylin–Eosin,HE)染色肝组织后并进行病理学观察。测定小鼠空腹血糖(Fasting blood glucose,FBG)水平,测定小鼠血清中丙氨酸氨基转移酶(Alanine aminotransferase,ALT)、天门冬氨酸氨基转移酶(Aspartate aminotransferase,AST)、总胆固醇(Total cholesterol,TC)、甘油三酯(Triglyceride,TG)、高密度脂蛋白胆固醇(High density lipoprotein cholesterol,HDL-C)、低密度脂蛋白胆固醇(Low density lipoprotein cholesterol,LDL-C)、游离脂肪酸(Free fatty acid,FFAs)、胆汁酸和脂联素水平,测定小鼠肝脏中TC、TG和脂联素的水平。2.使用高效液相色谱-质谱连用的方法测定各组小鼠肝脏中脂质谱的变化,进行主成分分析(Principal component analysis,PCA)和正交偏最小二乘法判别分析(Orthogonal projections to latent structures discriminant analysis,OPLA-DA),比较各组与MON组脂质代谢差异。筛选差异脂质进行层次聚类分析,并对差异脂质进行比较,使用KEGG数据库进行通路富集分析,探寻番茄红素调节肝脏脂质代谢的相关通路。3.使用荧光实时定量PCR和蛋白免疫印迹法(Western blotting,WB)分别测定各组小鼠肝脏中法尼醇衍生物X受体(Farnesoid X receptor,FXR)、成纤维细胞生长因子21(Fibroblast growth factor 21,FGF21)、胆固醇调节元件结合蛋白1C(Sterol regulatory element binding protein-1C,SREBP-1C)、脂肪酸合成酶(Fatty acid synthetase,FAS)、过氧化物酶体增殖物激活受体-α(Peroxisome proliferator-activated receptor-α,PPAR-α)和腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)基因和蛋白表达水平,探索番茄红素调节肝脏脂质代谢的相关机制。结果:1.模型组小鼠肝脏病理切片30%以上细胞发生脂肪变性,脂肪空泡面积占比31.11%±0.81%,说明NAFLD模型建立成功。番茄红素干预之后,随干预剂量增加,小鼠肝脏表面脂肪斑点减少,脂肪空泡的面积均显著减少,脂肪变性改善。与MON组相比,番茄红素干预未明显改变各组小鼠体重、进食量、肝脏指数和FBG水平,各组小鼠血清胆汁酸和脂联素水平无明显差异。与MON组相比,LYC-H组血清AST/ALT水平显著降低(P<0.05),LYC-H组小鼠血清TC、HDL-C和游离脂肪酸水平显著降低,LYC-L组和LYC-M组小鼠血清TG和LDL-C水平降低,差异有统计学意义(P<0.05)。各干预组小鼠肝脏TC水平较MON组均显著降低,LYC-L和LYC-M组肝脏TG水平显著降低,LYC-H组肝脏脂联素水平显著升高(P<0.05)。2.脂质组学分析结果显示,5组肝脏样本共检测到551种代谢物,主要包含甘油脂类(Glycerolipids,GL)、甘油磷脂类(Glycerophosphatide,GP)和鞘脂类(Sphingolipids,SP)。PCA分析显示,CON组与MON组肝脏样本在得分散点图中区分明显,说明两组间脂质构成差异明显,模型构建成功。构建各组与MON组比较的OPLS-DA模型,各模型真实稳健,不存在过拟合现象,OPLS-DA得分图显示各组与MON组的分区显著,均位于不同的象限。对差异脂质进行筛选和层次聚类分析,发现差异脂质主要集中在甘油脂类、甘油磷脂类和鞘脂类,CON组与MON组之间差异脂质数量最多,主要表现为MON组37种TG水平上调,48种磷脂酰胆碱(Phosphatidylcholine,PC)水平下调和18种磷脂酰乙醇胺(Phosphatidyl ethanolamine,PE)水平下调。随着番茄红素干预剂量的增加,各组与MON组组间差异脂质种类数量增加。对差异脂质进行比较发现,鞘脂类中(神经酰胺非羟基脂肪酸-鞘氨醇(Ceramide non-hydroxy fatty acid–sphingosine,Cers)、己糖基神经酰胺非羟基脂肪酸-鞘氨醇(Hexosyl ceramide non-hydroxy fatty acid–sphingosine,Her Cer)和鞘磷脂(Sphingomyelin,SM)是鞘脂的主要亚类),与MON组比较,LYC-M、LYC-H组SM(d14:0/24:2)、Hex Cer/NS(d16:1/35:0)水平显著降低,LYC-H组Cer/NS(d18:2/20:0)水平显著降低,各干预组中Hex Cer/NS(d18:1/31:0)水平均显著下调(P<0.05)。在甘油磷脂中,番茄红素干预对PE(13:0/22:3)、PC(17:1/17:1)、PC(6:0/27:0)和PC(16:2e/24:4)的水平具有上调趋势。在甘油脂中比较了甘油二酯(Diacylglycerol,DG)水平,与MON组相比,LYC-H组DG(18:2/20:3)和DG(20:3/20:4)水平显著下降,LYC-M组和LYC-H组DG(20:3/22:6)和DG(22:4/22:6)水平显著下降(P<0.05)。KEGG代谢通路富集分析发现MON组改变的代谢通路主要包括甘油磷脂代谢、胆碱代谢和逆行性内源性大麻素信号通路,番茄红素干预能够调节NAFLD小鼠胆固醇代谢、脂肪的消化吸收、脂肪细胞的脂解作用、脂质和动脉粥样硬化等代谢通路。3.PCR结果显示,与MON组相比,LYC-L组FXR基因表达显著上调,LYC-H组PPAR-α和AMPK基因表达显著上调,LYC-L和LYC-H组中SREBP-1C基因表达显著下调(P<0.05)。WB结果显示,与MON组相比,LYC-H组FGF21和PPAR-α蛋白表达显著升高,LYC-H组和LYC-L组SREBP-1C蛋白表达显著降低,LYC-M组中FAS蛋白表达显著降低(P<0.05)。结论:1.番茄红素干预能够降低NAFLD小鼠血清和肝脏中脂质水平,改善肝脏脂肪蓄积状况和由此引起的肝脏损伤。2.番茄红素对肝脏脂质代谢谱的调节作用主要集中于甘油脂类、甘油磷脂类和鞘脂类,可能通过降低鞘脂类水平减轻肝脏脂质毒性,降低甘油脂类水平减少肝脏脂质蓄积,番茄红素能够调节NAFLD小鼠胆固醇代谢、脂肪的消化吸收、脂肪细胞的脂解作用、脂质和动脉粥样硬化等代谢通路。3.番茄红素可能通过FXR-SREBP-1C-FAS通路抑制肝脏脂肪酸和TG合成,并通过调节FXR-PPAR-α-FGF21-AMPK促进肝脏中脂肪酸氧化,调节肝脏脂质和能量代谢,其中LYC-H组对肝脏脂质代谢的调节作用更明显。
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