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研究目的:目前,全球肥胖人口已超过5亿,已成为一项十分严峻的公共健康问题。最新研究表明,肠道菌群在维持机体能量代谢稳态方面发挥着重要调节作用,菌群失衡可导致肥胖、2型糖尿病等多种代谢紊乱性疾病的发生,但其中机制目前尚不清楚。肠道菌群可受内、外环境等多种因素的影响,其中最主要的两大影响因素为运动和饮食。研究发现,运动组小鼠和安静组小鼠肠道内约有2510种细菌属存在差异。运动显著增加了小鼠肠道内乳杆菌属和肠球菌属数量(大约是安静组小鼠的24倍),二者在促进机体对维生素的吸收、抗炎、减脂方面有重要参与。而食物是影响肠道菌群生长的重要物质基础,饮食结构差异可引起菌群结构的显著变化。高脂饮食诱导C57BL/6J小鼠肥胖模型中,肥胖小鼠肠道内菌群多样性及主要菌群所占比例较对照组显著降低;而高纤维食物喂养的小鼠可有效避免由饮食所诱导的体重增加,且其肠道菌群数量及丰度较对照组显著增加。这可能与肠道短链脂肪酸(Short-chain fatty acids,SCFA)含量增加有关。SCFA是肠道细菌发酵纤维素类物质的主要终产物之一。常见的SCFA包括乙酸、丙酸和丁酸,其中,丁酸是调节肠黏膜细胞增殖、分化,参与机体能量代谢的主要分子。Li等人发现,饮食添加丁酸可显著改善小鼠由高脂饮食所诱导的脂代谢异常及菌群结构紊乱。然而运动与丁酸对机体能量代谢调节及菌群变化的影响程度比较目前并无相关报道,且运动与丁酸的协同效应是否能够更优地改善机体脂代谢异常及菌群结构也是我们试图探究的另一个问题。综上所述,本课题的研究目的为:(1)从同一水平上对比运动和丁酸对机体脂代谢的影响;(2)对比运动、丁酸及其复合效应对肠道菌群变化的影响;(3)探究菌群变化影响机体脂代谢的潜在机制。研究方法:选取4周龄雄性C57BL/6小鼠,随机分为正常饮食组和高脂饮食组。正常饮食组包括正常饮食安静组(NC)和正常饮食运动组(NE)。高脂饮食组包括:高脂饮食安静组(HC)、高脂饮食运动组(HE)、高脂饮食丁酸组(HC+Na B)、高脂饮食运动丁酸组(HE+Na B)。有氧跑台训练及丁酸灌胃持续干预8周,记录小鼠每日体重变化值及摄食量。留取小鼠粪便做菌群分析;体成分分析仪检测小鼠的体脂含量(FM)、去脂体重(FFM)及体重指数(BMI);分离小鼠肝脏及白色脂肪组织并称重;提取血清,检测体内炎症因子及血脂水平;气相色谱检测血清和粪便中丁酸含量;Western blot检测小鼠肝脏中Sestrin2,CRTC2,ACC,p-ACC Ser79,FAS,CPT1,PPARα及PPARγ的蛋白表达。5mg/ml LPS预处理Hep G2细胞6h后,5m M丁酸钠干预24h,Western blot检测Hep G2细胞中Sestrin2,CRTC2,p-ACC Ser79,FAS,CPT1,PPARα蛋白表达水平。研究结果:(1)8周高脂饮食干预显著增加了小鼠体重、体脂及肝脏重量(P<0.05),同时血清甘油三酯、游离脂肪酸含量也较正常饮食对照组显著增加(P<0.05)。HE组和HC+Na B组不同程度地抑制了高脂饮食所诱导的小鼠体重增长及脂代谢异常:HC+Na B减重效应更明显(P<0.05),HE对脂代谢的改善更明显(P<0.05)),而HE+Na B组对小鼠脂代谢改善效应低于HE组和HC+Na B组。且日饮食监测发现,HC+Na B显著抑制了小鼠食欲,减少摄食量(P<0.05),而HE对小鼠进食量无显著影响(P>0.05)。(2)ELISA检测发现,高脂饮食显著增加了小鼠血清炎症因子水平及LPS含量(P<0.05),HE组和HC+Na B组不同程度地抑制了高脂饮食所导致的炎症因子水平及LPS含量的增加(运动效应更明显)(P<0.05),而HE+Na B组对小鼠炎症水平改善效应低于HE组和HC+Na B组,但对LPS水平抑制最明显。气相色谱检测发现,正常饮食中,NE显著增加了小鼠粪便中丁酸含量(P<0.05),而对血清丁酸含量无影响;高脂显著抑制了小鼠体内丁酸含量(P<0.05)。其中,HC+Na B对小鼠血清及粪便丁酸含量无影响(P>0.05),而HE显著增加了粪便中丁酸含量(P<0.05),但对血清丁酸含量无影响(P>0.05),HE+Na B对血清及粪便丁酸含量均无显著影响。提示运动和丁酸联合干预反而降低了运动效应,但其中机制尚不清楚。(3)肠道菌群分析发现,厚壁菌门(Firmicutes),拟杆菌门(Bacteroidetes),放线菌门(Actinobacteria)及变形菌门(Proteobacteria)为肠道内的主要菌门。Firmicutes/Bacteroidetes(F/B)比值增加与机体发生肥胖密切相关。正常饮食组中,运动显著增加了拟杆菌门(Bacteroidetes)含量而降低了厚壁菌门(Firmicutes)比例,F/B显著降低(P=0.01);高脂饮食显著增加了拟杆菌门(Firmicutes)含量及F/B比值(P=0.01),而运动和丁酸干预不同程度改善了菌群结构,降低了F/B比值。HE显著增加了肠道产丁酸菌数量(P=0.01),而HC+Na B对产丁酸菌群比例增加较少,HE+Na B组对菌群结构影响不显著。此外,Sestrin2和CRTC2作为脂代谢过程中的两种关键分子,HE和HC+Na B均显著促进了二者在小鼠肝脏中的表达(P<0.05)。考虑到运动干预显著增加了肠道产丁酸菌的数量,提示Sestrin2和CRTC2的表达变化可能与丁酸含量有关。细胞实验发现,LPS单独干预组显著促进了Hep G2细胞中IL-1β,TNF-ɑ及脂质合成蛋白的高表达(P<0.05),脂质分解蛋白低表达(P<0.05)。同时显著降低了Sestrin2和CRTC2的蛋白水平(P<0.05)。LPS与丁酸联合干预显著抑制Hep G2细胞的IL-1β,TNF-ɑ及脂质合成蛋白的表达(P<0.05),促进了脂质分解蛋白高表达(P<0.05)。同时显著促进了Sestrin2和CRTC2的蛋白表达水平(P<0.05)。研究结论:(1)运动和丁酸干预均可显著抑制高脂饮食诱导的小鼠体重增长、血清炎症水平及脂代谢异常。其中,丁酸的减脂效应部分程度上可能通过抑制小鼠食欲实现的;(2)饮食和运动干预是影响肠道菌群变化的两大关键因素。正常饮食和运动均可增加肠道益生菌的比例。高脂饮食结合运动或丁酸干预均可有效平衡由高脂饮食所导致的菌群比例失衡且运动效应更显著。运动和丁酸联合干预反而降低了运动对机体脂代谢的改善及菌群比例的调节,丁酸含量的增多反而能降低肠道产丁酸菌比例。(3)动物实验中,运动增加了小鼠肠道产丁酸菌的数量,且运动或丁酸干预均显著提高了小鼠肝脏中Sestrin2和CRTC2的表达。此外,细胞实验中,丁酸显著逆转了LPS对Sestrin2和CRTC2的抑制。提示,Sestrin2和CRTC2在菌群变化影响机体代谢中可能有重要参与。