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肠上皮Metrnl基因敲除对肠道菌群以及溃疡性结肠炎的影响

陈思敏 凌期盛 张赛龙 缪朝玉

王秀娟, 冯昊, 姜淞凡, 江圣圭, 顾天蕾, 孙连娜. 使君子炮制历史沿革研究[J]. 药学实践与服务, 2023, 41(3): 187-191. doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202211075
引用本文: 陈思敏, 凌期盛, 张赛龙, 缪朝玉. 肠上皮Metrnl基因敲除对肠道菌群以及溃疡性结肠炎的影响[J]. 药学实践与服务, 2023, 41(11): 654-661. doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202211050
WANG Xiujuan, FENG Hao, JIANG Songfan, JIANG Shenggui, GU Tianlei, SUN Lianna. Research on historical evolution of Combretum indicum[J]. Journal of Pharmaceutical Practice and Service, 2023, 41(3): 187-191. doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202211075
Citation: CHEN Simin, LING Qisheng, ZHANG Sailong, MIAO Chaoyu. Effect of intestinal Metrnl gene knockout on intestinal microbiota and ulcerative colitis[J]. Journal of Pharmaceutical Practice and Service, 2023, 41(11): 654-661. doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202211050

肠上皮Metrnl基因敲除对肠道菌群以及溃疡性结肠炎的影响

doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202211050
基金项目: 国家自然科学基金(81803541);上海市“科技创新行动计划”实验动物项目(22140901900)
详细信息
    作者简介:

    陈思敏,硕士研究生,主治医师,研究方向:心血管药理学,Email:siminchen0810@126.com

    通讯作者: 缪朝玉,教授,博士生导师,研究方向:心脑血管药理学和军事药理学,Email:cymiao@smmu.edu.cn

Effect of intestinal Metrnl gene knockout on intestinal microbiota and ulcerative colitis

  • 摘要:   目的  探讨肠上皮Metrnl对葡聚糖硫酸钠盐(DSS)诱导的溃疡性结肠炎小鼠模型的作用及其对肠道菌群调节机制的影响。  方法  应用不同浓度的DSS(3%和1%)对C57 小鼠进行造模,确定实验条件。给予肠上皮Metrnl特异性敲除小鼠(Metrnl(-/-))及其对照小鼠(Metrnl(+/+))3%DSS造模5 d,观察模型小鼠的生存时间、体重、疾病评分(DAI)、结肠长度以及结肠组织切片病理学变化等指标。使用16S核糖体RNA基因测序技术检测肠道菌群组成。  结果  与1%DSS相比,3% DSS可显著缩短C57小鼠的生存时间(P<0.05),降低体重(P<0.05),增加DAI评分(P<0.05),缩短结肠长度(P<0.05),增加病理学评分(P<0.05)。给予3%DSS造模5 d后,与对照组Metrnl(+/+)小鼠相比,Metrnl(-/-)小鼠体重下降更多(P<0.05),DAI评分更高(P<0.05),结肠长度更短(P<0.05)以及病理学评分更高(P<0.05)。检测16S核糖体RNA结果显示,Metrnl(-/-)小鼠的肠道菌群多样性下降,拟杆菌(Bacteroidetes)和变形杆菌(Proteobacteria)显著降低,而厚壁菌(Firmicutes)显著升高。  结论  Metrnl对3%DSS诱导的溃疡性结肠炎小鼠有保护作用,该作用可能与Metrnl对肠道菌群的调节作用相关。
  • 使君子为使君子科植物使君子Combretum indicum 的干燥成熟果实,秋季果皮变紫黑色时采收,除去杂质。使君子原产于印度,我国最早以“留求子”之名,载于晋代嵇含《南方草木状》[1],后又称为使君子,现代国内使君子的道地及主产区为重庆市铜梁县。使君子味甘,性温,小毒,归脾、胃二经。《本草纲目》[2]记载“(使君子)既能杀虫,又益脾胃,所以能敛虚热而止泻痢,为小儿诸病要药”。本文对使君子炮制历史沿革、入药部位、炮制目的及功效进行研究,对国家及地方标准中使君子的收录情况进行整理,并对炮制前后使君子化学成分及药理方面的变化进行探究,以期对国家和地方标准中使君子的质量标准提升起到积极作用,为不同炮制规格使君子在临床合理用药提供思路。

    使君子是使君子科植物使君子的干燥成熟果实,去壳即得使君子仁。使君子仁又名君子仁、君子肉。宋、明时期,为便于有效成分溶出,将君子仁进一步去除种皮,如《太平惠民和剂局方》[3]记载“(使君子仁)浸,去黑皮”。《补要袖珍小儿方论》[4]中提到“肥白者,微炒,去皮”。此外,本草中提及的使君子“去皮”,推测多去果壳。以经典方肥儿方为例,宋朝《太平惠民和剂局方》中记载的是使君子(去皮,细挫),而在明代《万病回春》[5]中记载的使君子(去壳)。清朝则少有去皮的记载,一般果实或种子入药。综上所述,宋、明本草中使君子净制工艺虽有去皮和去壳的说法,但去皮多指去壳。清朝多以去壳为主,少有去皮的做法。具体内容详见表1

    表  1  使君子传统炮制方法
    朝代文献成书时间(公元/年)炮制方法药用部位
    《太平惠民和剂局方》1078净制,炮法,焙法种仁(去皮)、种子
    《圣济总录》1111−1117净制,炮法、煨法种子
    《小儿药证直诀》1119煨法种子
    《幼幼新书-惊疳》1150切制、炮法果实
    《本草约言》1525煨法种子
    《药性要略大全》1545炮法种子或果实
    《全幼心鉴》1547切制、炙法种子
    《古今医统大全》1556煨法、清炒法、炙法果实、种子
    《补要袖珍小儿方论》1574净制,蒸法、炒法果实、种仁(去皮)
    《万病回春》1587净制种子
    《本草纲目》1578净制,煨法种子或果实
    《药性会元》1595净制,炮法种子
    《本草经疏》1625切制果实
    《本草汇》1655煨法种子
    《本经逢原》1695煨法种子
    《本草经解要》1724切制果实
    《玉楸药解》1754净制种子
    《医林纂要探源》1758煨法种子或果实
    《得配本草》1761拌法、蒸法种子或果实
    《续名医类案》1770切制,蒸法种子
    《罗氏会约医境》1789煨法果实
    《本草害利》1862煨法,蒸法种子或果实
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    使君子切制主要以粉碎制成丸剂使用为主,宋朝粉碎方法较多,有捣、研、杵和锉之分。明代较单一,多研法。宋朝的《幼幼新书-惊疳》[6]中记载使君子“杵末”。医家对使君子仁粉碎的程度也有过筛的要求。宋朝《幼幼新书-惊疳》和明代《全幼心鉴》[7]中均记载“罗为末”和“捣罗为细末”。《圣济总录》[8]中也有“面裹煨锉”和“捣研为末”的记载。此外,《活幼心书》[9]中还记载“使君子仁...薄切”,说明君子仁也可薄切,具体内容详见表1

    炮使君子首次记载于宋朝《太平惠民和剂局方》中,将使君子裹上面粉在火上烧烤,可缓和药性,增强疗效。《圣济总录》中记载使君子“面裹炮羸”与其他药材制成丸剂,可治疗小儿惊疳,腹中有癖气,面黄肌瘦等。将使君子“去壳半生半炮”后制成丸剂使用,也可治疗小儿疳痢不止。在宋朝的基础上,明代《药性要略大全》[10]中首次提到了将使君子“一生一炮熟,先以壳煎汤,饮用一二口,然后吃使君肉”的方法。

    研究发现现代的炮法与砂炒法相似,如炮姜,将河砂置于容器内,炒至一定程度,再加入中药翻炒至鼓起变色。而本草中记载的炮法与现代煨法相似[11],宋朝使君子多使用煨法和炮法,清朝多为煨法。综上推测,炮法有向煨法转变的过程。

    煨使君子首次记载于宋代《圣济总录》中,“面裹煨”是煨使君子常见的炮制方法之一。《医宗粹言》[12]有“慢火煨香熟用”的记载,表明用的是文火。宋朝《小儿药证直诀》[13]等多将使君子煨制后,制成丸剂使用。明代《本草纲目》等有“(使君子)七生七煨食”的记载。在宋、明基础上,清朝煨使君子较为常用,常将使君子仁煨热或直接生用,或制成散剂,后以其壳煎汤送服。《本草蒙筌》[14]记载“(煨使君子)去壳便可嚼食或制成散丸”。《本草新编》[15]有言,使君子“宜用鲜,而不宜用陈,用熟而不易用生”,即“入药之时,宜现煨熟,去壳口嚼咽下,以汤药送之,始能奏功也”,表明使君子最好于煨热后服用。

    使君子还有其他炮制方法,如蒸法、焙法、炒法、炙法等。

    蒸使君子始见于清朝《续名医类案》[16]中,即将使君子等药材与鸡蛋一起蒸食,用于治疗小儿诸疳。焙法在南北朝《雷公炮制论》[17]中记载较多,是一种干燥方式,起到使药物干燥,便于储存和粉碎的目的。焙使君子首次记载于宋朝《太平惠民和剂局方》中,“焙干入药用”。明代《古今医统大全》[18]首次收录了使君子炒制的炮制方法,“使君子肉微炒,五十枚”,表明使用的是文火。炒使君子仁可增加其有效成分的溶出。炙使君子首次记载于明代《全幼心鉴》中,将君子仁与蜜拌炒,有治疗小儿蛔痛,口流涎洙的作用,《古今医统大全》中还有“用鳖血一杯...,腌一宿,次早炒干”的记载。拌使君子使用较少,首次见于清朝《得配本草》[19]中,“使君子仁拌青糖食之,并用壳煎汤送服,可杀虫”。具体内容见表1

    使君子最早被收录在1963版[20]中国药典中,记载为君子仁,炮制品为君子仁和炒使君子仁。在1977版[21]中国药典中君子仁改名为使君子仁,炮制品分别为使君子、使君子仁和炒使君子仁,并一直沿用至今。历版中国药典中,使君子的净制及切制方法,为除去杂质,使用时需捣碎,炮制方法主要使用清炒法。具体内容详见表2

    表  2  国家标准中使君子炮制品的收载情况
    国家标准使君子使君子仁炒使君子仁
    1963版《中国药典》未收录除去外壳,取净仁即得。取使君子仁,置锅内用文火炒至微有香气,取出,放凉即得。
    1977版《中国药典》除去杂质,用时捣碎取使君子,除去外壳,取净仁。未收录
    1988年《全国炮制规范》取原药材,除去杂质取净使君子,除去外壳, 取仁取使君子仁置锅内,用文火加热,炒至有香气逸出时,取出放凉
    1990版《中国药典》除去杂质,用时捣碎取净使君子,除去外壳取使君子仁,照清炒法,炒至有香气。
    2010版《中国药典》
    2015版《中国药典》
    2020版《中国药典》
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    各省根据用药需求和用药特点,制定了饮片炮制规范。在各省炮制规范的使君子炮制方法项下,除了现行药典规定的使君子、使君子仁和炒使君子仁外,云南炮规中还记载了烧煨使君子仁炮制方法。此外,各省在使君子饮片的使用上,江苏[22]、内蒙古[23]地区只收录了使君子饮片,“用时捣碎,或入丸、散剂”,云南炮规中收录了使君子仁、炒使君子仁和烧煨使君子仁的内容,使君子仁主要“取原药拣净杂质,用时舂碎或舂去壳取仁”即得。而天津[24]、北京[25]、上海[26]、吉林[27]等地区主要使用使君子和使君子仁。由表3可知,不同地方规范中关于使君子炒制的记载存在着细微差别,首先是火力的不同,有文、武火之别,多使用文火,云南地区使用武火。其次在成品性状上,大部分地区多呈黄色,表面略有焦斑,淡黄黑色等,云南地区是淡黄黑色,有香气。在炮制工艺方面,烧煨使君子仁是云南地区独有的炮制工艺。具体内容详见表3

    表  3  地方炮制规范使君子的收载情况
    炮制品炮制工艺地方炮制规范
    使君子取原药材,除去杂质,干燥安徽2005,河南2005,北京2008,广西2007,湖南2010,
    天津2012,江西1991,吉林1986,重庆2006,贵州2005,
    甘肃1980,山东2002,福建1988,广东1984,湖北2009,
    上海2018,浙江2005
    使君子仁取净使君子,除去外壳,取仁
    炒使君子仁取净使君子仁,炒黄法炒至表面呈黄色,有香气逸出。安徽2005,河南2005,广西2007,湖南2010,江西1991,重庆2006,贵州2005,甘肃1980,山东2002,福建1998,湖北2009
    取使君子仁,炒至表面微具焦斑,香气逸出时,取出,摊凉。用时捣碎。浙江2005
    取使君子仁,用武火炒至呈淡黄黑色,有香气,取出,晾冷,即可。云南1986
    取净使君子仁,用文火炒至熟透,取出,摊凉广东1984
    取净使君子仁,置锅内炒至有香气,取出,放凉。同时捣碎辽宁1986
    烧煨使君子仁临用时在子母火或文火中烧,皮焦仁黄时取出,去壳服用云南1986
    注:安徽2005是指《安徽省中药材饮片炮制规范》2005年版,表中其余地区加年份的内涵相同,各地方炮制规范中的炮制工艺内容一致的,列于同一行,并不局限于全部文字描述都完全相同。
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    现代研究表明使君子果实中主要化学成分有生物碱、氨基酸和脂肪油等类成分[28],其中使君子氨酸是使君子的有效成分,其多以使君子酸钾形式存在,有明确的驱杀蛔虫、蛲虫、绦虫等功效。

    为测定不同部位及炮制品中使君子氨酸的含量,廖佳慧[29]建立柱前衍生-高效液相色谱法,测得使君子仁中使君子氨酸的含量为0.386mg/g,果实含量为0.262 mg/g。发现在不同规格的使君子饮片中,使君子氨酸含量高低依次为清炒种仁(0.433 mg/g)、清炒果实(0.238 mg/g)、(面)煨制种仁(0.186 mg/g)、(面)煨制果实(0.175 mg/g),在炮制过程中,使君子氨酸的含量随着加热温度或时间的上升而下降。

    在使君子药理作用研究的过程中,廖佳慧[30]采用小鼠消化不良实验,使用酚红糊剂评价使君子炮制品的促消化作用。与模型组对比,使君子炮制品均能促进小鼠胃排空运动和小肠推进运动。由强到弱依次为煨制种仁、清炒种仁、煨制果实和生用种仁,生制果实组可降低胃内容物的残留,促进胃排空,但在促小肠推进方面,与模型组相比并不明显,综上可知,炮制可增强使君子的消积作用。

    目前药典[31]中收录了使君子和使君子仁,在性状鉴别中,使君子仁的描述为“表面棕褐色或黑褐色,种皮脱落处为黄白色,种皮薄,易剥离”,表明其多具种皮,与本草中所述的使君子仁一致。现代研究表明,使君子种皮中无现行药典的质控成分葫芦巴碱的存在[32],但种皮所占比例极小,使君子仁去种皮工序费时费力,因此使用的使君子仁与本草记载相似,为净使君子去除外壳获得。

    古代本草中使君子炮制多使用煨法,炮制工艺成熟。而现代炮制使君子多沿袭了本草中的清炒法,仅云南地区还保存着烧煨使君子的炮制工艺。药理实验表明,煨制使君子仁消积效果强于清炒种仁,说明煨法值得我们进一步关注。目前关于煨使君子的研究报道较少,建议开展深入的对比研究。此外,使君子生熟同治,但炮制后可增强使君子的消积作用。提示不同规格的使君子在有效成分含量和消积杀虫作用方面可能存在差别。建议消积用使君子炮制品,驱蛔用使君子生品。

    葫芦巴碱是目前药典中使君子含量测定的唯一指标,并不完善,而使君子氨酸是使君子的有效成分之一,有明确的驱杀蛔虫、蛲虫、绦虫等功效,建议可增加其成为含量测定指标之一。

    使君子本草记载炮制工艺主要为去壳和煨法。现行药典中收录使君子及其炮制品,全国共有21省炮制规范中记载了使君子的炮制方法,发现去壳及清炒法是当今使君子主流的炮制方法。煨使君子和炒使君子均能缓和药性,增强使君子的消积作用,但与清炒法相比,煨使君子的消积作用更强,因此建议适当给与关注。

  • 图  1  Metrnl(-/-)小鼠未表现出结肠炎表型

    A. Metrnl mRNA在结肠和小肠中的表达;B.结肠HE染色P<0.05,与Metrnl(+/+)组小鼠比较。

    图  2  溃疡性结肠炎模型条件的选择

    A.生存曲线;B.体重;C.疾病评分;D.结肠长度;E.结肠组织的HE染色P<0.05,与对照组小鼠比较。

    图  3  Metrnl敲除后对DSS诱导的溃疡性结肠炎的影响

    A. 体重;B.疾病评分;C.水摄入量;D.结肠长度;E.结肠组织HE染色P<0.05,与DSS-Metrnl(+/+)组比较。

    图  4  肠上皮Metrnl 敲除对DSS诱导的溃疡性结肠炎小鼠肠道菌群动态平衡的影响

    A. Chao1丰度估计量;B.香农多样性指数;C.辛普森多样性指数;D.主成分分析;E.门水平上的丰度;F.纲水平上的丰度;G.目水平上的丰度P<0.05,与DSS-Metrnl(+/+)组比较。

    表  1  小鼠溃疡性结肠炎疾病程度评分表

    疾病评分体重下降 (%)大便性状大便潜血
    0<1正常阴性
    1≥1-5-+
    2≥5-10++
    3≥10-15-+++
    4≥15腹泻++++
    注:“-” 无此性状;“+” 潜血程度。
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-17
  • 修回日期:  2023-05-08
  • 网络出版日期:  2023-11-25
  • 刊出日期:  2023-11-25

肠上皮Metrnl基因敲除对肠道菌群以及溃疡性结肠炎的影响

doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202211050
    基金项目:  国家自然科学基金(81803541);上海市“科技创新行动计划”实验动物项目(22140901900)
    作者简介:

    陈思敏,硕士研究生,主治医师,研究方向:心血管药理学,Email:siminchen0810@126.com

    通讯作者: 缪朝玉,教授,博士生导师,研究方向:心脑血管药理学和军事药理学,Email:cymiao@smmu.edu.cn

摘要:   目的  探讨肠上皮Metrnl对葡聚糖硫酸钠盐(DSS)诱导的溃疡性结肠炎小鼠模型的作用及其对肠道菌群调节机制的影响。  方法  应用不同浓度的DSS(3%和1%)对C57 小鼠进行造模,确定实验条件。给予肠上皮Metrnl特异性敲除小鼠(Metrnl(-/-))及其对照小鼠(Metrnl(+/+))3%DSS造模5 d,观察模型小鼠的生存时间、体重、疾病评分(DAI)、结肠长度以及结肠组织切片病理学变化等指标。使用16S核糖体RNA基因测序技术检测肠道菌群组成。  结果  与1%DSS相比,3% DSS可显著缩短C57小鼠的生存时间(P<0.05),降低体重(P<0.05),增加DAI评分(P<0.05),缩短结肠长度(P<0.05),增加病理学评分(P<0.05)。给予3%DSS造模5 d后,与对照组Metrnl(+/+)小鼠相比,Metrnl(-/-)小鼠体重下降更多(P<0.05),DAI评分更高(P<0.05),结肠长度更短(P<0.05)以及病理学评分更高(P<0.05)。检测16S核糖体RNA结果显示,Metrnl(-/-)小鼠的肠道菌群多样性下降,拟杆菌(Bacteroidetes)和变形杆菌(Proteobacteria)显著降低,而厚壁菌(Firmicutes)显著升高。  结论  Metrnl对3%DSS诱导的溃疡性结肠炎小鼠有保护作用,该作用可能与Metrnl对肠道菌群的调节作用相关。

English Abstract

王秀娟, 冯昊, 姜淞凡, 江圣圭, 顾天蕾, 孙连娜. 使君子炮制历史沿革研究[J]. 药学实践与服务, 2023, 41(3): 187-191. doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202211075
引用本文: 陈思敏, 凌期盛, 张赛龙, 缪朝玉. 肠上皮Metrnl基因敲除对肠道菌群以及溃疡性结肠炎的影响[J]. 药学实践与服务, 2023, 41(11): 654-661. doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202211050
WANG Xiujuan, FENG Hao, JIANG Songfan, JIANG Shenggui, GU Tianlei, SUN Lianna. Research on historical evolution of Combretum indicum[J]. Journal of Pharmaceutical Practice and Service, 2023, 41(3): 187-191. doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202211075
Citation: CHEN Simin, LING Qisheng, ZHANG Sailong, MIAO Chaoyu. Effect of intestinal Metrnl gene knockout on intestinal microbiota and ulcerative colitis[J]. Journal of Pharmaceutical Practice and Service, 2023, 41(11): 654-661. doi: 10.12206/j.issn.2097-2024.202211050
  • 溃疡性结肠炎(ulceractive colitis, UC)属于炎症性肠病的一种,有着较高的发病率,其特征为损伤性炎症,近年来有关其病因及发病机制的研究受到广泛关注,但至今仍不明确[1]。对于溃疡性结肠炎的治疗目前多采用手术、抗感染、糖皮质激素及免疫抑制剂等治疗,但上述治疗手段均为对症治疗,且药物长期使用的不良反应很容易造成疾病复发[2]。因此,探究溃疡性结肠炎的发病机制,将为今后治疗药物的研发提供理论基础。

    Metrnl(Meteorin-like)是近年来新发现的神经营养因子,也叫Cometin, Subfatin或是IL-39[3-4]。 Jorgensen等[4]在2012年将Metrnl描述为类似于Meteorin(Metrn)的神经营养因子。Metrnl基因开放阅读框包含4个外显子,由936个碱基对编码311个氨基酸。Metrnl蛋白包含45个N端信号肽序列,切除信号肽后的266个氨基酸构成分子量约为30 000的成熟蛋白分子,整个蛋白分子没有穿膜区域,是一种分泌蛋白。到目前为止,关于Metrnl功能的研究较少,我们前期针对该蛋白相关研究确认Metrnl为一种新的细胞因子,阐明了Metrnl通过PPARγ信号通路介导胰岛素的增敏作用的重要机制[5]。 Jorgensen等[4]报道了Metrnl在神经突触生长和成神经细胞迁移中的神经营养活性。Watanabe等[6]报道,Metrnl是潜伏过程(Latent process,LP)基因,可用于细胞分化和神经突触延伸。脂肪组织Metrnl能促进脂肪细胞分化、改善代谢、抑制炎症从而调节脂肪功能,对抗肥胖引起的胰岛素抵抗[7]。通过检测Metrnl在各种组织中的表达,我们发现Metrnl在人和小鼠胃肠组织中,特别是在肠上皮细胞中都高度表达,并发现肠上皮Metrnl敲除后可以通过抑制肠上皮细胞的自噬而加重溃疡性结肠炎,提示 Metrnl是溃疡性结肠炎的治疗靶点[8]

    肠道微环境形成了良好的微生物群栖息地,肠道微生物群被认为是人体的重要器官,越来越多的研究将这种微生物环境与胃肠道疾病联系起来。肠道菌群在溃疡性结肠炎中起着重要作用,如在无菌状态下,无法制备出某些小鼠结肠炎模型(如IL-10缺陷型小鼠等)[9-10]。也有研究报道,在治疗溃疡性结肠炎患者时,联合使用抗生素也显示出了较好疗效[11]。此外,与健康人群相比,溃疡性结肠炎患者的肠道菌群组成也发生了显著变化[12]。但由于人类肠道菌群的复杂性和多样性,目前尚未清楚某些特定菌属与溃疡性结肠炎发病机制的关系。

    因此,本研究聚焦溃疡性结肠炎,从肠道微生态角度出发,探究肠上皮Metrnl对于溃疡性结肠炎的作用以及对肠道菌群调节机制的影响。

    • 雄性C57小鼠(8周龄,20只,16~20 g),上海西普尔-必凯实验动物有限公司(生产许可证号:SCXK(沪)2013-0016)。Villin-cre小鼠[B6.Cg-Tg(Vil1in-cre)1000Gum/J,021504],2只,16~20 g,美国JAX公司(北京澄天生物科技有限公司代理),生产许可证号:SYXK(京)2018-0016),用于产生肠上皮细胞特异性Metrnl基因敲除小鼠(Metrnl(-/-))。所有小鼠饲养于相对洁净环境下,使用独立通风系统(individual ventilated cages, IVC)动物房,温度恒定(22~26 ℃),室内明暗交替12 h(08:00至20:00照明),相对湿度为40%~70%,笼内维持正压20~25 Pa,每小时换气60~70次。所有实验动物的使用,都经过海军军医大学动物管理机构的同意和认证,符合实验动物饲养及相关管理规定。所有动物实验均按照美国国家卫生研究院实验动物的护理和使用指南进行,并得到海军军医大学动物伦理委员会的批准。IVC系统购自上海鸣励实验室科技发展有限公司。TRIzol试剂(15596026),美国Invitrogen公司;葡聚糖硫酸钠盐(dextran sodium sulfate,DSS),MFCD00081551,分子量36 000~50 000,美国MP公司,引物,生工生物工程有限公司;包埋机(JB- L5,德国徕卡有限公司);切片机(RM2126,德国徕卡有限公司);RT-PCR仪器(ABI 7500系统,美国赛默飞公司);粪便DNA提取试剂盒(QIAamp Fast DNA Stool Mini Kit,Qiagen, Hilden, 德国);紫外微量分光光度计(NanoDrop 2000,Thermo Scientific, 美国);DNA凝胶回收试剂盒(AxyPrep DNA GelExtraction Kit,Axygen Biosciences, 美国);微型荧光计(QuantiFluor-ST,Promega, 美国);测序仪(Illumina MiSeq,Illumina, 美国)。

    • 首先按照本课题组已报道的方法[5]制备Metrnlloxp/loxp小鼠。根据报道的Metrnl(-/-)小鼠的繁殖策略[13],即将Metrnlloxp/loxp小鼠与购买的Villin-Cre小鼠进行交配,产下后代小鼠基因型为Metrnlloxp/wtVillin-Cre。将Metrnlloxp/wtVillin-Cre小鼠和Metrnlloxp/loxp小鼠交配,产生下一代Metrnlloxp/loxpVillin-Cre小鼠。继续与Metrnlloxp/loxp交配,产下的后代,经基因型鉴定分别为Metrnlloxp/loxpVillin-Cre(Metrnl(-/-))和Metrnlloxp/loxp(Metrnl(+/+))。

    • 按照本课题组已报道的方法[3],使用TRIzol试剂从肠道组织中提取总RNA,并使用ABI 7500系统进行RT-PCR。最终的20 μl反应混合物包括10 μl SYBR Green,2 μl cDNA模板和1 μl引物。通过重复反应确定平均阈值循环(Ct),将靶基因表达标准化为GAPDH,并使用ΔΔCT方法获得定量测量结果。Metrnl上游引物(F)CTGGAGCAGGGAGGCTTATTT,下游引物(R)GGACAACAAAGTCACTGGTACAG;GAPDH上游引物(F)GTATGACTCCACTCACGGCAAA,下游引物(R)GGTCTCGCTCCTGGAAGATG。

    • 雄性C57小鼠(8周龄)于实验室适应2周后,按照本课题组已报道的方法进行模型制备[7],将DSS溶于水中,分别至终浓度为3%和1%,让小鼠自由饮用。

      小鼠溃疡性结肠炎疾病程度评分,按照我们之前已报道的的评分标准进行评分[8],对体重下降程度、大便性状、血便情况共3部分分别进行评分,然后进行加和,计算总分数。具体评分标准如下(表1)。

      表 1  小鼠溃疡性结肠炎疾病程度评分表

      疾病评分体重下降 (%)大便性状大便潜血
      0<1正常阴性
      1≥1-5-+
      2≥5-10++
      3≥10-15-+++
      4≥15腹泻++++
      注:“-” 无此性状;“+” 潜血程度。
    • 小鼠处死后,取整个结肠部位,测量长度进行比较。然后将结肠下段部位组织用4%多聚甲醛固定,石蜡包埋,切片机切至4 μm的切片,按照之前的实验方法[14],进行HE染色,染色后在光学显微镜下观察炎症细胞浸润情况,组织损伤情况并拍照记录。

    • 使用16S核糖体RNA基因测序技术检测肠道菌群。为了进行样品收集和DNA提取,从实验小鼠中收集粪便样品,并在取样后3h内将其冷冻在−80°C下。使用QIAamp Fast DNA Stool Mini Kit进行DNA提取。使用NanoDrop 2000测量细菌DNA的浓度。然后,将16S核糖体RNA基因测序用于检测细菌DNA。基因的V3-V4区域使用FastPfu聚合酶通过条形码索引引物(338F和806R)进行PCR扩增。然后通过AxyPrep DNA GelExtraction Kit,凝胶提取纯化扩增子,并使用QuantiFluor-ST进行定量。将纯化的扩增子以等摩尔浓度合并,并使用Illumina MiSeq仪器进行末端配对测序。

    • 16S rRNA测序数据由Quantitative Insights Into Microbial Ecology平台(V.1.9.1)处理,并进行了MegaBLAST搜索,将生物分类单位的读数(OTU)与国家生物技术信息中心16S rRNA数据库中的参考序列比对。按照文献报道的方法[15]进行宏基因组学分析,从16S rRNA序列推算肠道微生物组的基因组,并且对每个样品的基因含量进行了预测。

    • 本实验结果数据以($\bar x $±s)表示,使用SPSS18.0软件进行统计分析。多组以上比较采用单因素方差分析(One-way ANOVA),各组与正常对照组比较采用Dunnett t检验法,两组比较采用独立样本t检验。以P<0.05为差异具有统计学意义。

    • 我们构建了肠上皮细胞特异性Metrnl基因敲除(Metrnl(-/-))小鼠,并检测了Metrnl mRNA在大肠和小肠组织中的表达。结果表明,Metrnl(-/-)小鼠中Metrnl mRNA的表达在结肠和小肠组织中极低(图1A)。 HE结肠切片显示Metrnl(-/-)和Metrnl(+/+)小鼠之间均无组织损伤和炎症细胞浸润(图1B)。以上结果表明,肠上皮细胞特异性Metrnl基因敲除后不会诱发溃疡性结肠炎。

      图  1  Metrnl(-/-)小鼠未表现出结肠炎表型

    • 在建立DSS诱发的溃疡性结肠炎模型之前,为了选择最佳的观察时间和DSS给药浓度,我们分别选择3%DSS和1%DSS进行造模,并观察了不同DSS浓度下C57小鼠的存活时间。结果显示,在3%DSS组的第6天,出现了小鼠死亡;直至给药10 d,全部小鼠死亡(图2A)。在1%DSS组中,未观察到小鼠死亡。与对照组相比,3%DSS组的小鼠体重在第5天时显著性降低(P<0.05),而1%DSS组的体重并无显著改变(图2B)。同样,与对照组相比,3%DSS组小鼠DAI增加(P<0.05),结肠长度显著性缩短(P<0.05),而1%DSS组在疾病活动指数、结肠长度方面均无明显变化(图2C-D)。 组织形态学方面,3%DSS组表现出结肠炎表型,具有明显的组织损伤,而对照组并无明显变化(图2E)。因此,我们选择3%DSS和5 d的给药时间作为后续实验条件。

      图  2  溃疡性结肠炎模型条件的选择

    • 给予Metrnl(-/-)和Metrnl(+/+)小鼠3%DSS后,两组小鼠均表现出溃疡性结肠炎症状,其特征为持续的体重减轻、疾病活动指数增加、血性腹泻、结肠长度缩短以及结肠炎症(图3)。在此过程中,在给药后第5天时,与Metrnl(+/+)小鼠体重减轻(−8.27± 1.32)%相比,Metrnl(-/-)小鼠的体重减轻(−14.92±1.05)%,具有统计学差异(P<0.05,图3A);与Metrnl(+/+)小鼠的疾病活动指数(6.00±1.63)相比,Metrnl(-/-)小鼠显著增加至(9.67±1.38)(P<0.05,图3B);与Metrnl(+/+)小鼠结肠长度(7.08±0.89 cm)相比,Metrnl(-/-)小鼠结肠更短(5.77±0.58 cm)(P<0.05)(图3D);为了排除上述差异不是由小鼠摄入不同量的3%DSS引起的,我们还检测了两组小鼠的饮水量。结果显示两组小鼠饮水量之间并无显着差异(图3C)。

      图  3  Metrnl敲除后对DSS诱导的溃疡性结肠炎的影响

    • 我们通过高通量16S rRNA基因测序,检测了Metrnl对DSS诱导的溃疡性结肠炎小鼠模型中肠道菌群的影响。应用Chao1 丰度估计量(chao1 richness estimator),香农多样性指数(shannon diversity index),辛普森多样性指数(simpson diversity index)三种指标评价各组小鼠中菌群的Alpha多样性(图4A-C)。结果显示,在未进行DSS造模之前,Metrnl(-/-)和Metrnl(+/+)小鼠的Alpha多样性并无显著差异;而进行3%DSS造模后,Metrnl(-/-)和Metrnl(+/+)小鼠出现了差异,其中Metrnl(-/-)小鼠多样性显著下降(图4A-C)。主成分分析显示,在给予3%DSS造模后的Metrnl(-/-)和Metrnl(+/+)小鼠之间微生物的组成显著不同(图4D)。检测小鼠粪便微生物组成,结果显示,在“门”这一层面,给予3%DSS后拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和变形杆菌门(Proteobacteria)在Metrnl(-/-)和Metrnl(+/+)小鼠间存在显著的不同(图4E)。在Metrnl(-/-)小鼠中,BacteroidetesProteobacteria显著降低,而Firmicutes显著升高。在“纲”这一层面,发现给予DSS后,Metrnl(-/-)和Metrnl(+/+)小鼠间拟杆菌纲(Bacteroidia)和梭菌纲(Clostridia)具有显著差异。值得注意的是,拟杆菌纲(Bacteroidia)属于拟杆菌门(Bacteroidetes梭菌纲(Clostridia)属于厚壁菌门(Firmicutes)(图4F)。为了进一步探究影响给予DSS后造成Metrnl(-/-)和Metrnl(+/+)小鼠间状态的原因,我们又在“目”层面进行了检测,结果显示(图4G),拟杆菌目(Bacteroidales),属于杆菌纲(Bacteroidia);梭菌目(Clostridiales),属于梭菌纲(Clostridia)发生了显著改变。

      图  4  肠上皮Metrnl 敲除对DSS诱导的溃疡性结肠炎小鼠肠道菌群动态平衡的影响

    • 本研究用DSS诱导溃疡性结肠炎小鼠模型并从对肠道微生物影响的角度出发,探究肠上皮Metrnl特异性敲除对于肠道菌群调节的影响以及对溃疡性结肠炎的作用。发现Metrnl在溃疡性结肠炎小鼠模型中具有保护的功能,该效应可能是Metrnl通过对肠道菌群的调节所致。

      近期有一篇关于Metrnl改善克罗恩氏病(CD)的报道,该研究表明肠系膜脂肪组织与肠道存在交互作用,发现小鼠在给予Metrnl后,可通过激活STAT5/PPARγ信号通路,从而达到促进脂肪细胞分化来减轻肠系膜脂肪组织病变的作用[16]。该研究表明Metrnl确实可以影响炎症性肠病的发生发展。除此以外,我们进一步证实了,肠上皮特异性Metrnl敲除后可以加重DSS诱导的溃疡性结肠炎,并且该作用是通过抑制AMPK-mTOR-p70S6K通路,下调了肠上皮细胞自噬水平产生的[7]

      肠道微环境形成了合适的微生物群栖息地,已证明会影响多种消化系统疾病的发生[17]。肠道菌群稳态的紊乱已被广泛认为与炎症性肠病的发病机制和进展密切相关[8]。肠道菌群主要有三种功能,分别是代谢作用,保护作用和营养作用[18-19]。正常人肠道中在“门”这一层面,主要有四类微生物群,包括拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)和变形杆菌门(Proteobacteria[20-21]

      溃疡性结肠炎的主要特征是有益细菌的减少。拟杆菌门(Bacteroidetes)是革兰阴性厌氧细菌,构成了哺乳动物胃肠道中主要微生物群[22]。目前认为,拟杆菌门可以通过免疫调节和维持体内平衡而对宿主发挥有益作用。据报道,拟杆菌门可以通过分泌多糖A(polysaccharide A, PSA)来增强抗炎因子IL-10的mRNA表达[23-24]。本研究结果显示出类似趋势,在给予3%DSS进行溃疡性结肠炎造模后,Metrnl(-/-)小鼠症状更加严重,与Metrnl(+/+)小鼠相比,其拟杆菌门的成分显著下降。然而,拟杆菌门在溃疡性结肠炎中并不完全有益。有报道显示,拟杆菌门可以侵入肠道组织并引起个别患者的肠道损伤[25]。因此针对该类菌属的作用还有待进一步验证。除此以外,由于SCFA具有增强肠壁屏障和免疫系统的作用,从而有助于抵抗病原体,因此产生SCFA的菌群目前认为对人体是有益的,例如Faecalibacterium prausnitziiRoseburiaEubacterium[26-28]。放线菌门(Actinobacteria)中的双歧杆菌属(Bifidobacterium)也是有益菌群[29-30]。然而,在该属中发现了有争议的结果,因为有研究报道显示,与对照组相比,溃疡性结肠炎患者的Bifidobacterium增加了[31- 32],其原因可能是疾病程度的造成的。因此,需要进一步的研究来阐明该有益菌群在溃疡性结肠炎中的作用。

      相反的,目前很多研究显示菌群在溃疡性结肠炎中显著增加,如变形杆菌门(Proteobacteria)下的黏附侵入性大肠杆菌属(adherent-invasive Escherichia coli)和巴斯德杆菌属(Pasteurellaceae),厚壁菌门(Firmicutes)下的韦荣氏球菌属(Veillonellaceae)和瘤胃球菌属(Ruminococcus gnavus),梭杆菌属(Fusobacterium)。我们的研究结果也显示出类似趋势,在给予DSS后,与Metrnl(+/+)小鼠相比,Metrnl(-/-)小鼠的厚壁菌的成分显著上升。除此以外,以下菌属也被认为具有潜在致病性,如大肠杆菌属(Escherichia),沙门菌属(Salmonella),耶尔森菌属(Yersinia),脱硫弧菌属(Desulfovibrio),幽门螺杆菌属(Helicobacter),弧菌属(Vibrio[31, 33-36]。目前报道较多的是黏附侵入性大肠杆菌,此种细菌能够黏附并穿过肠道黏液屏障,侵入肠道上皮层,促进TNFα分泌和炎症的发生[37-38]。本研究表明,肠上皮特异性Metrnl敲除后,在3%DSS诱导的溃疡性结肠炎模型中,导致肠道菌群动态平衡的进一步紊乱,表明恢复菌群动态平衡对于治疗溃疡性结肠炎至关重要。

      需要注意的是,大量研究表明,目前并没有明确具体的哪一种微生物群对人体是有益的,因为每个人的菌群特征都不同。一般而言,只有相对平衡的微生物群,才能最佳地维持人体的代谢和免疫功能以及预防疾病的发展。在健康的肠道中,病原菌和共生菌群可以共存而不会出现问题。但是,这种平衡的任何紊乱都会导致营养不良,从而改变微生物与宿主之间的相互作用[39]。尽管目前普遍认为溃疡性结肠炎中肠环境平衡的破坏是显著发生的,但是造成肠道平衡紊乱的生物学机制的仍然未知,并且不清楚这种紊乱究竟是造成溃疡性结肠炎的原因还是结果。

      本研究仍存在不足。首先,肠道微生态对溃疡性结肠炎的保护作用的详细机制仍未探究清楚,特别是肠道中存在的主要4类微生物群(拟杆菌,厚壁菌,放线菌,变形杆菌)对溃疡性结肠炎的作用还有待证实。其次,肠上皮特异性Metrnl敲除后通过调节肠道菌群的组成,从而加重3%DSS诱导的溃疡性结肠炎的作用证据仍不十分充分,需要今后在进一步的研究中加以阐明。

参考文献 (39)

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