YIC-IR
菊粉及其短链脂肪酸酯对糖尿病和肥胖小鼠代谢和肠道微生态的影响
朱晓振
Subtype博士
Thesis Advisor高学鲁、衣悦涛
2020-05-22
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral中国科学院烟台海岸带研究所
Degree Name理学博士
Degree Discipline海洋化学
KeywordⅡ型糖尿病和肥胖 膳食纤维 短链脂肪酸 短链脂肪酸酯 肠道微生物
AbstractⅡ型糖尿病和肥胖已成为在全球范围内流行的慢性疾病,严重威胁身体健康。饮食中膳食纤维的缺乏,会影响肠道菌群组成,引起慢性炎症疾病的发生。膳食纤维在肠道微生物作用下发酵产生短链脂肪酸(SCFA),主要为乙酸、丙酸和丁酸,对调节肠道菌群失衡,改善机体代谢具有重要作用。基于膳食纤维和SCFA对Ⅱ型糖尿病和肥胖的改善作用,本文通过构建链脲佐菌素(STZ)诱导的Ⅱ型糖尿病小鼠模型和高脂饮食诱导的肥胖症小鼠模型,研究菊粉、短链脂肪酸及菊粉短链脂肪酸酯,对Ⅱ型糖尿病和肥胖症小鼠代谢和肠道微生态的影响,具体研究内容如下: (1)通过构建STZ诱导的Ⅱ型糖尿病小鼠模型,研究了菊粉和短链脂肪酸对小鼠代谢和肠道微生态的改善作用。结果显示: 菊粉、乙酸钠和丙酸钠显著降低进食量(p < 0.05),改善Ⅱ型糖尿病小鼠多食症状,但是对体重没有显著影响(p > 0.05),可能与促进胃肠激素肽YY(PYY)分泌有关,PYY可参与食欲调节;菊粉和丙酸钠显著改善葡萄糖耐量,增强胰岛β细胞功能;丙酸钠显著改善空腹血糖(FBG)和胰岛素抵抗(IR)(p < 0.05),对胰岛素抵抗的改善可能与促进胰高血糖素样肽(GLP-1)分泌有关,GLP-1可以促进胰岛素分泌,对葡萄糖稳态的调节具有重要作用;丙酸钠显著降低了肝脏指数(肝体比),HE染色结果显示,丙酸钠明显改善Ⅱ型糖尿病小鼠肝脏肿大、肝组织空泡化,降低肝脏脂质氧化产生的丙二醛(MDA),缓解MDA导致的肝脏细胞浸润;丙酸钠显著增加粪便总SCFA含量,尤其是增加了乙酸和丙酸含量(p < 0.05);粪便微生物结果显示,在门水平上,菊粉和丙酸钠显著降低Proteobacteria和Actinobacteria的相对丰度(p < 0.05),在目水平上,显著降低Desulfovibrionales和Campylobacterales相对丰度;在属水平上,菊粉和短链脂肪酸显著降低糖尿病致病菌Lachnospiraceae_NK4A136相对丰度,增加短链脂肪酸产生菌Weissellla相对丰度(p < 0.05)。因此菊粉和丙酸对Ⅱ型糖尿病的改善效果很有可能是通过降低引起Ⅱ型糖尿病以及相关炎症的变形菌和致病菌相对丰度,增加短链脂肪酸产生菌相对丰度发挥作用。 (2)菊粉丙酸酯对肥胖小鼠代谢和肠道微生态的影响 菊粉由于其独特的结构,不会在胃和小肠内发生降解,在生物医学和制药领域,已被用作口服药物载体或药物包裹剂,将药物送达结肠部位,然后在结肠微生物作用下,释放出药物。为了避免直接补充SCFA和使用过量膳食纤维,引起胃肠副反应的缺点,同时保证将SCFA补充至结肠,我们设计开发新型的分子载体,通过菊粉与酸酐反应,制备菊粉乙酸酯(IAE)、菊粉丙酸酯(IPE)和菊粉丁酸酯(IBE)。为制得高取代度(DS)的菊粉短链脂肪酸酯,通过单因素实验和响应面分析,对酸酐和菊粉摩尔比、菊粉含量和反应温度三因素进行优化,最终确定最佳制备条件。 对制备的菊粉短链脂肪酸酯体外发酵活性进行研究,以菊粉和菊粉短链脂肪酸酯培养双歧杆菌,评价菊粉和菊粉短链脂肪酸酯体外发酵增加SCFA以及对双歧杆菌的增殖效果。促进双歧杆菌增殖效果为:菊粉 > 菊粉丁酸酯 > 菊粉丙酸酯 > 菊粉乙酸酯;产生总SCFA含量的情况为:菊粉丙酸酯 > 菊粉乙酸酯 > 菊粉丙酸酯 > 菊粉。菊粉乙酸酯和菊粉丙酸酯显著增加乙酸和丙酸比例。通过对体外发酵活性进行分析,进一步证明菊粉短链脂肪酸酯可以作为SCFA载体,用于增加结肠短链脂肪酸含量,为菊粉短链脂肪酸酯的开发和应用提供理论依据。 通过构建高脂饮食诱导的肥胖症小鼠模型,研究菊粉、丙酸钠和菊粉丙酸酯对肥胖小鼠代谢和肠道微生态的影响。结果表明:高剂量菊粉、高剂量丙酸钠、菊粉丙酸酯可以降低累计进食量,可能与促进胃肠激素GLP-1和PYY的分泌有关;葡萄糖耐量试验(OGTT)表明,低剂量菊粉丙酸酯能够改善肥胖小鼠葡萄糖耐量,可能与增加肠道丙酸含量参与肠道糖异生代谢有关;菊粉、丙酸钠以及低剂量菊粉丙酸酯显著改善高脂饮食导致的胰岛素抵抗,增强胰岛β细胞功能;高剂量丙酸钠和低剂量菊粉丙酸酯对LDL-C有显著降低作用(p < 0.05);肝脏指数和组织切片油红O染色结果显示,低剂量菊粉丙酸酯显著降低了肥胖小鼠肝脏指数(肝体比)和肝脏脂肪堆积,表明高脂饮食导致的脂肪肝症状减轻;低剂量菊粉丙酸酯显著提高了粪便中的丙酸和丁酸的含量(p < 0.05),而丙酸钠没有明显促进作用,说明在高脂饮食诱导的肥胖小鼠中,低剂量菊粉丙酸酯补充丙酸的效果优于直接补充丙酸钠;肠道微生物结果显示,在门水平上,Firmicutes/Bacteroidetes在肥胖模型组显著升高,在低剂量菊粉丙酸酯组显著降低(p < 0.05);菊粉组Actinomycetes相对丰度显著增加(P < 0.05),可能是由于Bifidobacteriaceae和Coriobacteriaceae相对丰度显著增加(P < 0.01)导致的;通过补充低剂量菊粉丙酸酯显著增加产丁酸菌Ruminococcaceae和Bacteroidales_S24_7相对丰度,降低Desulfovibrionaceae和Erysipelotrichaceae的相对丰度,肥胖及其相关代谢综合征的改善可能与菊粉丙酸酯增加结肠中的丙酸,降低致病菌丰度有关。 本论文基于SCFA对Ⅱ型糖尿病和肥胖症的改善作用,通过直接补充SCFA和以菊粉为载体,合成菊粉短链脂肪酸酯补充SCFA两种方式分别研究了SCFA对Ⅱ型糖尿病和肥胖症小鼠肠道代谢和微生态的影响。为SCFA的应用研究提供理论依据,为以菊粉为载体的靶向释放药物设计提供新思路。
Subject Area海洋化学
Pages157
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.yic.ac.cn/handle/133337/24213
Collection中国科学院烟台海岸带研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
朱晓振. 菊粉及其短链脂肪酸酯对糖尿病和肥胖小鼠代谢和肠道微生态的影响[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院大学,2020.
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