燕麥β葡聚糖對糖尿病大鼠腎功能及其腸道菌群的影響

張維 任錦麗 楊嬌 廖章伊 張雅琴

摘要：目的：探討燕麥β葡聚糖（oat βglucan，OG）對糖尿病大鼠腎功能及腸道菌群的影響。方法：采用單側腎切除+鏈脲佐菌素（65mg/kg·BW）一次性腹腔注射方式構建糖尿病腎病（diabetes nephropathy，DN）大鼠模型，將造模成功32只SD雄性大鼠隨機分為4組：模型對照組（蒸餾水灌胃）和低、中、高燕麥β葡聚糖干預組（分別用0275、055、11g/kg·BW燕麥β葡聚糖灌胃），每組8只。另取16只大鼠行假手術并隨機分組：正常對照組（蒸餾水灌胃）和燕麥β葡聚糖對照組（055g/kg·BW 燕麥β葡聚糖灌胃）。飼養(yǎng)8周，在第8周末采集血液、尿液和糞便，進行血糖、腎功能檢測，用HE染色進行腎臟形態(tài)學觀察，16S rDNA檢測分析腸道菌群多樣性。結果：高劑量燕麥β葡聚糖能顯著降低DN大鼠血糖（P<005），低、中劑量燕麥β葡聚糖能顯著降低DN大鼠血尿素氮、肌酐;中、高劑量燕麥β葡聚糖能降低DN大鼠的尿酸/肌酐比值（P<005）;高劑量燕麥β葡聚糖對DN大鼠的腎小球系膜基質(zhì)增生和基底膜增厚，腎小管上皮細胞腫脹變形、脫落，系膜細胞增生有顯著改善作用;高劑量燕麥β葡聚糖能顯著升高DN大鼠腸道菌群豐度和多樣性、厚壁菌門/擬桿菌門的比值（P<005）。結論：燕麥β葡聚糖能改善糖尿病大鼠腎功能，增加腸道菌群豐度和多樣性及升高厚壁菌門/擬桿菌門的比值，這可能是其延緩DN的機制之一。

關鍵詞：燕麥β葡聚糖;糖尿病腎病;腸道菌群

糖尿病腎?。╠iabetic nephropathy，DN）是糖尿病最主要的并發(fā)癥之一，是導致糖尿病患者死亡的主要病因之一[1]。研究證實，燕麥的主要功能成分是β葡聚糖，燕麥β葡聚糖（oat βglucan，OG）是一種水溶性膳食纖維，主要存在于燕麥胚乳和糊粉層細胞壁中，由β（1，3）和β（1，4）糖苷鍵連接形成一種不可消化的βD葡聚糖，而這一特殊結構使得燕麥β葡聚糖具有降低血糖、調(diào)節(jié)腸道菌群的作用[25]。近年來，DN與腸道菌群的相關性引起了科學界的關注，腸道菌群的變化與DN的發(fā)生發(fā)展密切相關[68]。因此，我們推測改善腸道菌群是從源頭上減少DN的發(fā)生的一個重要環(huán)節(jié)，本研究建立DN大鼠模型，觀察燕麥β葡聚糖對糖尿病大鼠腎功能及其腸道菌群的影響。

1材料與方法

11實驗動物及受試物

56只雄性SD大鼠，體重（200±20）g，由北京大學醫(yī)學部實驗動物中心提供。飼養(yǎng)于SPF級動物室，溫度20～26℃，相對濕度40%～70%，動物自由進食與飲水，基礎飼料為（American Institute of Nutrition1993 Maintenance），AIN93M配方。適應性喂養(yǎng)1周后開始實驗，本項目經(jīng)北京大學生物醫(yī)學動物倫理委員會審查通過。燕麥β葡聚糖（陜西森弗天然制品有限公司）純度70%，HPLC級。

12糖尿病腎病大鼠模型建立與分組

選擇40只大鼠行左側腎切除術，術后一次性腹腔注射65mg/kg鏈脲佐菌素（streptozotocin，STZ）（001mol/L pH 45檸檬酸鈉檸檬酸緩沖液配制）。尾靜脈采血檢測血糖水平，7d后空腹血糖>111mmol/L確定DN模型成功。造模成功的32只DN大鼠，隨機分為4組：模型對照組（蒸餾水灌胃）和低、中、高燕麥β葡聚糖干預組（分別用0275、055、11g/kg·BW燕麥β葡聚糖灌胃），每組8只。另取16只大鼠行假手術并隨機分組：正常對照組（蒸餾水灌胃）和燕麥β葡聚糖對照組（055g/kg·BW 燕麥β葡聚糖灌胃）。飼養(yǎng)8周，實驗結束后采集血清、尿液及新鮮糞便，股動脈采血（禁食12h）后處死大鼠，迅速取出右側腎臟轉(zhuǎn)入凍存管，-80℃下保存待測。

13檢測指標

（1）體重、進食量監(jiān)測：每周進行體重、進食量監(jiān)測。（2）血糖及腎功能指標檢測：采用全自動生化分析儀檢測大鼠血糖、血清尿素氮（blood urea nitrogen，BUN）、尿酸（uric acid，UA）、肌酐（creatinine，CR）的含量。（3）腎臟形態(tài)學檢測：以10%多聚甲醛固定腎臟組織，將組織脫水、透明、浸蠟，包埋后切片，切片厚度為4μm，進行蘇木精伊紅（hematoxylineosin，HE）染色，用顯微鏡觀察組織形態(tài)。（4）16S rDNA腸道菌群測序：利用Thermo NanoDrop 2000紫外微量分光光度計和1%瓊脂糖凝膠電泳進行總DNA質(zhì)檢，具體步驟按照說明書操作，所提取的DNA于-80℃保存。前引物序列：CCTACGGGRSGCAGCAG;后引物序列：GGACTACVVGGGTATCTAATC。將得到的PCR產(chǎn)物構建測序文庫，采用Illumina Miseq 平臺測序，對高質(zhì)量測序數(shù)據(jù)進行生物信息學分析，該部分由上海銳翌生物科技有限公司完成。

14統(tǒng)計分析

采用SPSS 200統(tǒng)計學軟件進行數(shù)據(jù)分析，連續(xù)變量均以±s表示，組間比較采用單因素方差分析，P<005為差異有統(tǒng)計學意義。

2結果與分析

21大鼠進食量變化情況

實驗第0周，正常對照組進食量[（1134±2258）g]與燕麥β葡聚糖對照組進食量[（11517±1942）g]無顯著差異，模型對照組[（18058±2217）g]與低[（17565±2044）g]、中[（17914±2474）g]、高[（1709±1168）g]燕麥β葡聚糖干預組進食量無顯著差異。隨著實驗進展，各組大鼠的進食量都增加。但正常對照組，燕麥β葡聚糖對照組，低、中燕麥β葡聚糖干預組進食量增加不明顯（P>005），模型對照組、高劑量燕麥β葡聚糖干預組進食量顯著增加（P<005），且3個燕麥β葡聚糖干預組進食量均低于模型對照組（P<005）（圖1）。

22大鼠體重變化情況

實驗第0周，正常對照組體重[（33035±2676）g]與燕麥β葡聚糖對照組體重[（34261±1985）g]無顯著差異。模型對照組[（22530±2432）g]與低[（20760±2629）g]、中[（24121±1916）g]、高[（23120±2665）g]燕麥β葡聚糖干預組體重無統(tǒng)計學差異。干預第8周，正常對照組與燕麥β葡聚糖對照組體重均上升，但兩組體重上升趨勢相似，差異無統(tǒng)計學意義（P>005）;模型對照組、3個燕麥β葡聚干預組的體重均下降，各組體重下降趨勢相似，差異無統(tǒng)計學意義（P>005）（圖2）。

23燕麥β葡聚糖對大鼠血糖的影響

干預第8周，與正常對照組相比，模型對照組血糖升高，差異有統(tǒng)計學意義（P<005）;與模型對照組相比，3個燕麥β葡聚糖干預組血糖均下降，且高劑量燕麥β葡聚糖干預組血糖顯著下降（P<005）（表1）。

24燕麥β葡聚糖對大鼠腎功能的影響

干預第8周，與正常對照組相比，模型對照組的BUN、CR、UA、尿酸/肌酐均顯著升高（P<005）;與模型對照組相比，低、中劑量燕麥β葡聚糖干預組BUN、CR顯著下降（P<005）;中、高劑量燕麥β葡聚糖干預組尿酸/肌酐比值顯著下降（P<001）;燕麥β葡聚糖干預組對UA無影響（P>005）（表2）。

25燕麥β葡聚糖對大鼠腎臟結構的影響

干預第8周，與正常對照組相比，模型對照組腎小球系膜基質(zhì)增生和基底膜增厚，腎小管上皮細胞腫脹變形、脫落，細胞增生，可見輕度玻璃樣改變（圖3C）;與模型對照組相比，燕麥β葡聚糖干預組腎小球系膜基質(zhì)增生和基底膜增厚，腎小管上皮細胞腫脹變形、脫落，系膜細胞增生均有改善，高劑量燕麥β葡聚糖干預組改善最明顯，與正常對照組的腎小球系膜基質(zhì)、腎小管上皮細胞結構相近（圖3F），但低劑量燕麥β葡聚糖干預組仍有輕度玻璃樣改變（圖3D）。

26腸道菌群多樣性分析

干預第8周，與正常對照組相比，模型對照組腸道菌群豐度和多樣性指數(shù)Chao1和Shannon顯著降低（P<005）;與模型對照組相比，3個燕麥β葡聚糖干預組腸道菌群豐度指數(shù)Chao1均升高，且高劑量燕麥β葡聚糖干預組Chao1指數(shù)顯著升高（P<005）;低、中、高劑量燕麥β葡聚糖干預組多樣性指數(shù)Shannon均升高，且低、中劑量燕麥β葡聚糖干預組顯著升高（P<005）（表3）。

27菌落的群落結構

干預第8周，在門水平上（圖4A），與正常對照組相比，模型對照組的厚壁菌門豐度顯著下降、擬桿菌門豐度顯著升高、厚壁菌門/擬桿菌門比值顯著下降（P<005）;燕麥β葡聚糖干預組與模型對照組相比，擬桿菌門豐度均降低、厚壁菌門的豐度和厚壁菌門/擬桿菌門比值均升高，低劑量燕麥β葡聚糖干預組擬桿菌門豐度顯著下降（P<005）、厚壁菌門豐度顯著升高及厚壁菌門/擬桿菌門比值顯著升高（P<005）。在屬水平上（圖4B），與正常對照組相比，模型對照組Prevotella（普氏菌屬）、Ruminococcus（瘤胃球菌屬）豐度顯著升高（P<005），

3討論

本研究通過單側腎切除+鏈脲佐菌素（65mg/kg·BW）一次性腹腔注射方式構建DN大鼠模型，因其方法簡便易行，對胰島β細胞損傷特異性高，且死亡率較低而成為當前最常見的DN大鼠的造模方式。當前研究結果顯示，單側腎切除+鏈脲佐菌素（65mg/kg·BW）一次性腹腔注射之后大鼠BUN、CR、UA、尿酸/肌酐比值均升高;HE染色可見大鼠腎小球系膜基質(zhì)增生和基底膜增厚，腎小管上皮細胞腫脹變形、脫落，系膜細胞增生;腸道菌群豐度和多樣性均降低，擬桿菌門豐度升高、厚壁菌門豐度及厚壁菌門/擬桿菌門比值均下降，而正常對照組以上指標均無明顯變化。以上說明，在當前研究中單側腎切除+鏈脲佐菌素（65mg/kg·BW）一次性腹腔注射方式成功構建了DN大鼠模型。本研究還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)燕麥β葡聚糖干預后的DN大鼠血清中的尿素氮、CR、尿酸/肌酐與未處理的DN大鼠相比有顯著差異;DN大鼠的腎小球、腎小管出現(xiàn)明顯的病理學變化;腸道菌群豐度和多樣性升高，擬桿菌門豐度下降、厚壁菌門豐度以及厚壁菌門/擬桿菌門比值升高。以上說明，燕麥β葡聚糖對DN大鼠有積極的治療作用。

本研究結果顯示，燕麥β葡聚糖干預組血糖、BUN、CR含量及尿酸/肌酐比值均低于模型對照組中的含量且改善了DN引起的腎小球系膜基質(zhì)增生和基底膜增厚，腎小管上皮細胞腫脹變形、脫落，系膜細胞增生的情況。這說明燕麥β葡聚糖對DN具有保護作用。這與我們之前的研究結果一致，即燕麥β葡聚糖可能是DN的一種潛在的治療物質(zhì)。此外，在我們的結果中，燕麥β葡聚糖干預組腸道菌群Alpha多樣性升高（Alpha 多樣性反映的是單個樣品內(nèi)部的物種多樣性，利用腸道菌群豐度和多樣性指數(shù)Chao1、Shannon來衡量，此數(shù)值越大說明樣品物種的豐度和多樣性越高[910]）。在門水平上，燕麥β葡聚糖干預組厚壁菌門豐度相對上升，擬桿菌門豐度相對下降，且厚壁菌門/擬桿菌門比值升高。這提示燕麥β葡聚糖對DN大鼠的治療作用可能與改變其腸道菌群Alpha多樣性，厚壁菌門、擬桿菌門的豐度以及二者之間的比值有關。已有研究顯示[11]，腸道菌群與2型糖尿病等代謝性疾病的發(fā)病密切相關，其潛在機制與腸道菌群豐度和多樣性的變化有關。Larsen等[11]研究表明，厚壁菌門/擬桿菌門的比值和2型糖尿病的發(fā)生呈負相關，且2型糖尿病患者厚壁菌門相對豐度降低，而擬桿菌門等豐度相對升高[1213]，原因可能是厚壁菌門中多數(shù)細菌產(chǎn)生丁酸鹽菌[14]。丁酸鹽是一種短鏈脂肪酸鹽，它能促進腸內(nèi)分泌L細胞分泌胰高血糖素樣肽1（GLP1）和肽YY（PYY），GLP1可改善胰島功能并調(diào)節(jié)胰島素的釋放，從而起到降低血糖的作用[15]。本研究通過構建大鼠DN模型進一步說明了腸道菌群在2型DN發(fā)生發(fā)展中所發(fā)揮的重要作用，并提供了燕麥β葡聚糖對DN大鼠具有保護作用的證據(jù)。

綜上所述，燕麥β葡聚糖能改善DN大鼠血糖及腎功能，其機制可能是調(diào)節(jié)腸道菌群豐富、多樣性以及厚壁菌門/擬桿菌門的比值。◇

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