吳晨陽,黎迎,鄒佩志,鄭婷婷,張運(yùn),董政起
中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 藥用植物研究所,北京 100193
鹽酸小檗堿(BBR)是主要從黃連及黃檗中分離出來的生物堿,具有多重生物學(xué)功能。BBR 極性小、溶解度低、滲透性差、血藥濃度極低、生物利用度低[1],但其在治療胃腸道炎癥[2]、代謝相關(guān)疾病[3](如2 型糖尿病[4])、阿爾茨海默病及帕金森癥[5]等方面具有顯著的藥效。按照傳統(tǒng)藥理學(xué)觀念,藥物需靠有效成分入血并達(dá)到一定濃度才可發(fā)揮治療作用,這個(gè)理論尚無法全面闡釋BBR 的多種藥理活性。目前的研究指出,除少量吸收入血以外,BBR發(fā)揮上述藥效的另一關(guān)鍵原因可能是其吸收差而在腸道內(nèi)大量富集所帶來的菌群調(diào)節(jié)作用[6],如提高短鏈脂肪酸(特別是丁酸)產(chǎn)生菌的相對(duì)豐度等[7]。因此,充分發(fā)揮BBR 的菌群調(diào)節(jié)作用或可作為提高其藥效的一種關(guān)鍵手段。
隨著越來越多的研究聚焦在腸道健康,腸道菌群與外界及機(jī)體關(guān)系的黑匣子逐漸被打開[8],研究發(fā)現(xiàn),腸道微生態(tài)的穩(wěn)定與否[9]及日常飲食習(xí)慣[10]會(huì)對(duì)腸道功能產(chǎn)生多方面的影響,如腸道滲透性與腸道屏障功能。研究表明,腸道滲透性與多種疾病相關(guān),關(guān)注腸道滲透性對(duì)于疾病預(yù)防及治療至關(guān)重要。據(jù)報(bào)道,腸道屏障輕度受損會(huì)引起腸道弱炎癥[11],促炎細(xì)胞因子表達(dá)量升高,機(jī)體易感程度變大,易于受到黏附侵襲性大腸埃希氏菌感染,從而導(dǎo)致腸道紊亂進(jìn)一步加劇,腸道滲透性增強(qiáng),有害小分子進(jìn)入機(jī)體,加劇機(jī)體炎癥[12]。其中腸道屏障功能受損的初始表現(xiàn)有腸道黏液層變薄[13],從而引起黏膜層結(jié)構(gòu)等損傷,腸上皮出現(xiàn)囊腫的概率變大。
羥丙基甲基纖維素(HPMC)作為一種藥用輔料記載于《中華人民共和國藥典》2020 年版[14],在生物醫(yī)藥行業(yè)有多方面的應(yīng)用,主要用于包衣材料、膜材料及緩釋制劑的控釋材料[15],如作為片劑中的黏附材料[16]、改進(jìn)阿司匹林腸溶片的包衣材料[17]、藥物緩釋片的骨架材料[18-19]。一方面,作為最常用的親水載體之一,HPMC在制劑研究中得到廣泛青睞。研究表明,在口腔黏膜藥物遞送系統(tǒng)中,HPMC 可增強(qiáng)藥物黏附于口腔黏膜的能力,從而增加藥物與口腔黏膜接觸的時(shí)間,以更好地發(fā)揮藥效[20]。另有研究表明,作為原位凝膠的基質(zhì)之一,隨著HPMC F4M 濃度的增加,其凝膠黏性增加,同時(shí)延緩藥物釋放的程度也相應(yīng)增加[21]。另一方面,作為不可發(fā)酵的膳食纖維,HPMC 被認(rèn)為是一種潛在的益生元纖維[22],已有報(bào)道指出其可調(diào)節(jié)高脂喂養(yǎng)小鼠的腸道菌群Alpha多樣性及菌群組成[23]。
目前,對(duì)藥用輔料的功能認(rèn)知逐漸深入,傳統(tǒng)意義上選用藥用輔料的標(biāo)準(zhǔn)不斷被刷新,已經(jīng)不局限于選擇安全性高、生物相容性好、不與活性物質(zhì)相互作用的輔料,其與腸道菌群的相互作用也逐漸被納入考慮范疇,有研究報(bào)道多種藥用輔料可通過調(diào)節(jié)菌群影響機(jī)體健康及藥物治療效果[24-28],同時(shí),輔料自身的理化性質(zhì)對(duì)藥物的菌群調(diào)節(jié)作用的影響也應(yīng)得到充分重視。與BBR 相似,HPMC 在人體內(nèi)不易被代謝,同時(shí)具有高黏性,可使BBR 在腸道內(nèi)滯留,這為藥物與腸道菌群充分接觸從而更好地發(fā)揮菌群調(diào)節(jié)作用創(chuàng)造了更為有利的條件。本研究以HPMC 為例,對(duì)其與BBR 物理混合使用時(shí)對(duì)腸道微環(huán)境的調(diào)控效應(yīng)進(jìn)行初步探索,也為類似性質(zhì)的輔料(如果膠、卡波姆和海藻酸鈉等)通過腸道菌群調(diào)控影響B(tài)BR藥效方面的研究提供參考。
無特定病原體(SPF)級(jí)雄性C57BL/6 小鼠40只,體質(zhì)量18~20 g,購自斯貝福(北京)生物技術(shù)有限公司,生產(chǎn)許可證號(hào)為SCXK(京)2016-0006,飼養(yǎng)于北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥用植物研究所SPF級(jí)動(dòng)物房,小鼠飼養(yǎng)條件為恒溫恒濕,環(huán)境溫度為(22±2)℃,相對(duì)濕度為(50±5)%,12 h/12 h 光暗交替,正常給予常規(guī)飼料及純凈水。本研究所涉及的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均按照北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院動(dòng)物倫理程序和規(guī)范處理,審批號(hào)為SLXD-20201221013。
Secura224-1CN 型電子分析天平(德國Satrorius公司);KQ-500DE 型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司);SP131010-33Q型加熱磁力攪拌器(美國Barnstead Thermolyne公司);L550型臺(tái)式低速大容量離心機(jī)(德國Eppendorf 公司);TL-48R 型粉碎研磨儀(上海萬柏生物科技有限公司);DYY-6C型電泳儀(北京市六一儀器廠);NanoDrop 2000型超微量分光光度計(jì)(美國Thermo Fisher公司);GeneAmp?9700 型聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)儀(美國ABI 公司);Quantus?型微型熒光計(jì)(美國Promega 公司);Miseq PE300/NovaSeq PE250 平臺(tái)(美國Illumina 公司);Aperio CS2 型緊湊型臺(tái)式玻片掃描儀(德國徠卡顯微系統(tǒng))。
HPMC F4M(批號(hào):D180I8Q012,美國陶氏化學(xué));BBR(批號(hào):ZLSC2020072617,純度>98%,南京澤朗有限公司);E.Z.N.A.?soil DNA kit(美國Omega Bio-Tek公司);AxyPrep DNAGel Extraction Kit(美國Axygen 公司);瓊脂糖(西班牙Biowest 公司);Quantus?Fluorometer(美國Promega 公司);NEXTFLEX Rapid DNA-Seq Kit(美國Bioo Scientific公司);蘇木精-伊紅(HE)染色試劑盒(北京索萊寶科技有限公司);引物由北京易科拜德生物技術(shù)有限公司合成。
配制HPMC 水溶液(40 mg·mL-1),經(jīng)24 h 常溫磁力攪拌,待溶脹至澄清透明黏稠狀液體后備用;配制BBR 水溶液(15 mg·mL-1),超聲30 min(100 W,40 kHz),得混懸液。先配制HPMC 的水溶液基質(zhì),再將BBR 加入基質(zhì)中,得HPMC 質(zhì)量濃度為40 mg·mL-1、BBR 質(zhì)量濃度為15 mg·mL-1的混合溶液,經(jīng)24 h常溫磁力攪拌分散均勻后待用。
將24 只C57BL/6 小鼠進(jìn)行1 周的適應(yīng)性飼養(yǎng),之后隨機(jī)分組,分為對(duì)照組、HPMC(400 mg·kg-1)組、BBR(150 mg·kg-1)組、HPMC 與BBR 物理混合(H+B,400 mg·kg-1+150 mg·kg-1)組,每組6只。灌胃給藥,每日給藥1 次,對(duì)照組小鼠灌胃給予蒸餾水,共給藥3 周。其中,BBR 的給藥劑量由文獻(xiàn)調(diào)研[29]得到,選取BBR 常用給藥劑量區(qū)間內(nèi)的中等值進(jìn)行探索,HPMC 的劑量是預(yù)實(shí)驗(yàn)篩選出可口服給藥的最大劑量。
小鼠頸椎脫臼處死,取遠(yuǎn)端結(jié)腸組織,去除內(nèi)容物,以4%組織細(xì)胞固定液進(jìn)行固定,石蠟包埋,以梯度體積分?jǐn)?shù)酒精進(jìn)行洗脫,按照標(biāo)準(zhǔn)程序切厚度為3.5 μm 的薄片,采用HE 染色,每張切片隨機(jī)選取3個(gè)視野于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。
藥物干預(yù)3 周后收集各組小鼠新鮮糞便,放置于凍存管中,液氮速凍后置于-80 ℃冰箱保存,備用。取小鼠糞便,采用E.Z.N.A.?soil DNA kit 進(jìn)行微生物群落總DNA 抽提,使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA 的提取質(zhì)量,測(cè)定DNA 濃度和純度。使用338F(5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3')和806R(5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3')對(duì)16S rRNA 基因V3~V4 可變區(qū)進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。將同一樣本的PCR 產(chǎn)物混合后使用2%瓊脂糖凝膠回收PCR 產(chǎn)物,利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit 進(jìn)行回收產(chǎn)物純化,2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),并用Quantus?Fluorometer 對(duì)回收產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)定量。使用NEXTFLEX Rapid DNA-Seq Kit 進(jìn)行建庫,利用Miseq PE300/NovaSeq PE250平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序。
因H+B 組1 只小鼠意外死亡,故參與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的各組樣本數(shù)目情況為對(duì)照組6 只,HPMC 組6 只,BBR 組6 只,H+B 組5 只。結(jié)腸組織切片觀察及厚度標(biāo)記使用CaseViewer 軟件進(jìn)行分析。菌群操作分類單元(OTUs)作圖使用R 3.2.0 軟件及GraphPad Prism 軟件。菌群Alpha 多樣性分析采用Observed-OTUs,Chao1 豐富度指數(shù)、Shannon 多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Beta多樣性分析采用非度量多維標(biāo)度(NMDS)分析。數(shù)據(jù)分析采用單因素方差分析(ANOVA)、非參數(shù)Tukey 檢驗(yàn)。以P<0.05為組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
結(jié)腸組織HE染色結(jié)果表明,各組小鼠結(jié)腸組織黏膜結(jié)構(gòu)完整,腸絨毛無明顯缺損,且未觀察到明顯水腫,說明各組小鼠均未出現(xiàn)明顯炎癥反應(yīng)(圖1)。
圖1 各組小鼠遠(yuǎn)端結(jié)腸組織HE染色切片
對(duì)各組小鼠結(jié)腸組織黏膜層、黏膜下層及肌膜層(漿膜層與肌層的厚度總和)的厚度進(jìn)行分析,結(jié)果表明,干預(yù)3 周后,各組中較為關(guān)鍵的結(jié)腸黏膜層厚度未發(fā)生顯著變化(表1)。由結(jié)腸組織HE染色結(jié)果和對(duì)腸組織各部分厚度的分析,可得HPMC和BBR的干預(yù)未對(duì)結(jié)腸機(jī)械屏障造成顯著影響。
表1 小鼠結(jié)腸組織黏膜層、黏膜下層及肌膜層厚度(, n=3)
表1 小鼠結(jié)腸組織黏膜層、黏膜下層及肌膜層厚度(, n=3)
注:與對(duì)照組比較,*P<0.05。
3.2.1 樣本OTUs 重疊情況 采用韋恩圖(圖2)對(duì)各組小鼠腸道菌群中特有OTUs和共有OTUs進(jìn)行分析,結(jié)果表明,對(duì)照組、HPMC 組、BBR 組、H+B組OTUs分別為2026、2095、299、161條。HPMC組特有OTUs為323條,多于對(duì)照組(267條)、BBR組(96 條)、H+B 組(7 條)。HPMC 組與對(duì)照組共有的OUTs為1577條,BBR組與對(duì)照組共有的OUTs為7 條,BBR 組與H+B 組共有的OUTs 為22 條。說明從OTUs 數(shù)目和特有成分上來看,HPMC 組與對(duì)照組相似性更高,而BBR組與H+B組相似性更高。
圖2 各組小鼠腸道菌群樣本OTUs重疊結(jié)果韋恩圖(n=5~6)
3.2.2 Alpha 多樣性 對(duì)各組小鼠腸道菌群測(cè)序所得的OTUs序列進(jìn)行Alpha多樣性分析(圖3),BBR組和H+B 組可觀察到的物種數(shù)顯著低于對(duì)照組及HPMC 組(P<0.001)。對(duì)由OTUs 數(shù)量計(jì)算所得的Chao1、Shannon、Simpson 指數(shù)進(jìn)行分析。與對(duì)照組相比,HPMC組除組內(nèi)均勻度降低外,Shannon指數(shù)未發(fā)生明顯變化;BBR 組組內(nèi)均勻度較好,Shannon指數(shù)顯著降低(P<0.001)。與BBR組相比,H+B 組Shannon 指數(shù)進(jìn)一步降低,且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),Simpson 指數(shù)顯著降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),即與HPMC 合用增強(qiáng)了BBR 的抗菌能力。推測(cè)這與HPMC 的物理性質(zhì)有關(guān),如代謝惰性、高黏性、酶抑制和膠體保護(hù)等。其中,酶抑制的特性可以起到保持黏度穩(wěn)定性的作用,使得HPMC 在不同的環(huán)境中均可以保持出色的黏度。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的物理混合,HPMC 充分溶脹,使BBR 分散均勻,防止其在溶液底部形成沉淀,HPMC 與水接觸后可形成透明、柔韌的膜[30],當(dāng)經(jīng)過胃和小腸時(shí)對(duì)BBR 進(jìn)行包裹保護(hù),當(dāng)?shù)竭_(dá)結(jié)腸后,HPMC 與BBR 的物理混合體系使得BBR 與腸道菌群接觸得更加均勻,因而促進(jìn)了BBR 降低腸道菌群Alpha多樣性的趨勢(shì)。
圖3 各組小鼠腸道菌群OTUs序列Alpha多樣性指數(shù)分析(n=5~6)
3.2.3 Beta 多樣性 繪制NMDS 圖分析對(duì)照組、HPMC 組、BBR 組及H+B 組的組間差異程度,進(jìn)行Beta 多樣性分析,不同組之間的分離程度越大,說明組間差異越明顯。結(jié)果表明,HPMC 組與對(duì)照組距離較近;BBR 組、H+B 組與對(duì)照組距離均較遠(yuǎn),差異較大;BBR 組與H+B 組距離較近,差異較?。▓D4)。BBR 組與H+B 組的菌群組成明顯不同于其他2組,BBR干預(yù)有效發(fā)揮了菌群調(diào)節(jié)作用。
圖4 各組小鼠腸道菌群OTUs序列Beta多樣性分析(n=5~6)
3.2.4 腸道菌群在門水平上的組成 在門水平上,各組小鼠腸道菌群的組成中優(yōu)勢(shì)菌群包括擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)及疣微菌門(Verrucomicrobia)(圖5A)。對(duì)照組擬桿菌門的相對(duì)豐度為57.11%,BBR 組為43.75%,H+B組為35.48%(圖5B);對(duì)照組厚壁菌門的相對(duì)豐度為33.57%,BBR 組為24.22%,H+B 組為16.85%;對(duì)照組放線菌門的相對(duì)豐度為3.67%,BBR 組為0.01%(P<0.05),H+B 組為0.01%(P<0.05)。與之相反,BBR 干預(yù)可顯著富集變形菌門及疣微菌門。對(duì)照組變形菌門的相對(duì)豐度為2.00%,BBR 組為11.99%(P<0.001),H+B組為14.65%(P<0.001);對(duì)照組疣微菌門的相對(duì)豐度為2.78%,BBR 組為19.63%(P<0.05),H+B 組為33.00%(P<0.001),H+B 組富集疣微菌門的能力優(yōu)于BBR 組。在這幾種優(yōu)勢(shì)菌門的變化中,疣微菌門的漲幅最為突出,推測(cè)這與屬于疣微菌門的艾克曼菌屬(Akkermansia)的相對(duì)豐度大幅提高有密切關(guān)聯(lián)。
圖5 各組小鼠腸道菌群在門水平的組成(n=5~6)
3.2.5 腸道菌群在屬水平上的組成 在屬水平上,對(duì)照組毛螺菌屬(Lachnospiraceae)的相對(duì)豐度為1.219 0%,BBR組為0.003 0%(P<0.05),H+B組為0.0006%(P<0.05);對(duì)照組瘤胃菌屬(Ruminococcaceae_UCG-014)相對(duì)豐度為1.430%,BBR 組為0.013%,H+B 組為0;對(duì)照組另支菌屬(Alistipes)的相對(duì)豐度為1.319%,BBR 組為0.074%(P<0.05),H+B組為0;對(duì)照組其他unidentified 菌屬的總相對(duì)豐度為70.92%,BBR 為34.73%(P<0.001),H+B 組為12.88%(P<0.001);與BBR 組相比,H+B 組顯著降低(P<0.05)。對(duì)于以上各菌屬,HPMC 組均未發(fā)生顯著性變化,BBR 使其相對(duì)豐度產(chǎn)生不同程度的下降趨勢(shì),H+B 組與BBR 組變化趨勢(shì)一致,整體來看,以上所提到的菌屬除unidentified 菌屬以外,其余菌屬變化幅度均較小,不超過2%(圖6)。
圖6 各組小鼠腸道菌群在屬水平的組成(n=5~6)
BBR 對(duì)部分菌屬可產(chǎn)生富集作用,如布勞特氏菌屬(Blautia)、艾克曼菌屬和埃希氏菌-志賀菌屬(Escherichia-Shigella)。對(duì)照組布勞特氏菌屬的相對(duì)豐度為1.525%,BBR 為12.720%(P<0.001),H+B 組為8.717%(P<0.05)。布勞特氏菌屬是產(chǎn)丁酸的主要菌種,屬于短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌,短鏈脂肪酸的產(chǎn)生可促進(jìn)機(jī)體內(nèi)腸道緊密連接蛋白的形成及腸道有益菌種的生長(zhǎng)[31],可緩解因腸道滲透性增大引起的免疫炎癥,起到良好的修復(fù)及保護(hù)腸道屏障功能的作用;對(duì)照組艾克曼菌屬的相對(duì)豐度為2.776%,BBR 組為19.630%(P<0.05),H+B 組為33.000%(P<0.001),增強(qiáng)了BBR 富集艾克曼菌屬的作用。作為一種明星菌屬,艾克曼菌屬屬于疣微菌門,BBR 顯著上調(diào)了疣微菌門和艾克曼菌屬的豐度,這與先前的研究結(jié)果一致[32],艾克曼菌屬是黏液定殖微生物中的主要菌屬,與黏液層發(fā)揮對(duì)腸道組織的保護(hù)作用密切相關(guān)。有研究表明,克羅恩病及潰瘍性結(jié)腸炎患者腸道內(nèi)艾克曼菌屬相對(duì)豐度下降,與疾病狀態(tài)呈負(fù)相關(guān)[33],因此BBR 富集此菌可能是其修復(fù)黏液層厚度的關(guān)鍵原因[34]。對(duì)照組埃希氏菌-志賀菌屬的相對(duì)豐度為0.002%,BBR 組為10.150%(P<0.001),H+B組為11.890%(P<0.001)。以上各菌屬,HPMC 干預(yù)均未使菌屬相對(duì)豐度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。值得注意的是,對(duì)照組薩特氏菌屬(Parasutterella)的相對(duì)豐度為0.961%,HPMC 組為0.116%(P<0.001),與對(duì)照組相比,BBR 組薩特氏菌屬的相對(duì)豐度無明顯變化,H+B 組則產(chǎn)生輕微下降趨勢(shì),薩特氏菌屬的相對(duì)豐度為0.441%。副薩特氏菌屬參與膽汁酸穩(wěn)態(tài)代謝維持,其穩(wěn)態(tài)失衡后或?qū)δc道屏障帶來不利影響[35],HPMC 組該菌相對(duì)豐度輕度下降,與BBR 合用后恢復(fù)正常,避免出現(xiàn)腸道微生態(tài)紊亂。
綜合來看,無論是從Alpha 多樣性的變化還是腸道菌群的組成變化來看,與HPMC 物理混合使用后,BBR 的菌群調(diào)節(jié)作用均得到正向促進(jìn),究其原因,很大程度上是由于HPMC 的高黏度,研究選用的HPMC F4M 在2% 的濃度下黏度即可達(dá)到4000 mPa·s,在本研究中,選取4%的HPMC。已有研究指出HPMC F4M 可使藥物更好地黏附在口腔黏膜[20],推測(cè)4%的高黏性HPMC 與BBR 物理混合后,使BBR充分黏附于腸道黏膜,增加了BBR與定殖在腸道黏液層上的腸道菌群接觸的概率和時(shí)間,從而直接促進(jìn)了BBR 的菌群調(diào)節(jié)作用。同時(shí),研究表明HPMC F4M 可延緩藥物的釋放[21],推測(cè)其可增加BBR 在腸道內(nèi)的滯留,某種程度上也可促進(jìn)其與腸道菌群的相互作用。另一方面,從BBR 吸收入血發(fā)揮作用的角度考慮,由于HPMC 是一種親水性高分子,當(dāng)其與溶解度較低的BBR 物理混合后,存在提高BBR 溶解度的可能,從而促進(jìn)BBR 入血發(fā)揮藥效。
本研究對(duì)BBR與HPMC合用及BBR單獨(dú)干預(yù)可能引起的小鼠腸道菌群及腸道微生態(tài)變化進(jìn)行初步探究,分析得出,HPMC 單獨(dú)使用未對(duì)小鼠腸道微生態(tài)產(chǎn)生明顯影響,HPMC 與BBR 物理混合后起到對(duì)BBR自身功能的正向促進(jìn)作用,可增強(qiáng)BBR的廣譜抗菌能力,同時(shí)增強(qiáng)BBR 富集艾克曼菌屬的作用,推測(cè)這與HPMC 與BBR 物理混合使用時(shí)增強(qiáng)其黏附于腸道黏膜及延緩BBR釋放,從而促進(jìn)BBR與腸道菌群充分接觸以更好地發(fā)揮菌群調(diào)節(jié)作用密切關(guān)聯(lián)。除此之外,還可考慮具有相同黏度,但甲氧基、羥丙基取代度不同的其他型號(hào)HPMC 如E4M、K4M 等對(duì)BBR 腸道微生態(tài)調(diào)控作用的影響的差異,從而探究黏性以外的作用機(jī)制。另外,果膠、卡波姆、海藻酸鈉等可作為凝膠基質(zhì)的藥用輔料也存在影響B(tài)BR 腸道微生態(tài)調(diào)控效應(yīng)的潛在可能,未來可開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行探究,以從全新的角度考量制劑研究中藥用輔料的選擇標(biāo)準(zhǔn)。