引言
糖尿病是由于机体内胰岛素的绝对或者相对分泌不足，或是其生物学效应降低，而导致血糖过高，出现糖尿，进而引起脂肪和蛋白质代谢紊乱的一种内分泌代谢疾病。2型糖尿病（Type 2 diabetes, T2D）又称非胰岛素依赖型糖尿病，主要特征是胰岛素分泌不足和胰岛素抵抗，发病时期主要是成年。糖尿病是严重威胁人类健康的公共卫生问题，2021年全球成年糖尿病患者数达到5.37亿（10.5%），约十分之一的成年人受到影响，其中2型糖尿病占了90%。2型糖尿病会引起一系列的并发症，如动脉粥样硬化、高血压、中风、糖尿病肾病等，这些并发症导致了很高的发病率和死亡率。因此，对2型糖尿病及并发症的治疗策略研究，在临床实践中具有重要意义。虽然抗糖尿病药物（如胰岛素、胰岛素增敏剂、胰岛素促泌剂和葡萄糖吸收抑制剂等）已经被广泛应用于治疗高血糖和相关并发症，但大多具有一定毒副作用，而中医药是中华名族的瑰宝，有着千百年的实践，在治疗糖尿病方面具有疗效好和安全性高等优势。

 

有研究证明，肠道微生物在代谢疾病和心血管疾病中发挥着至关重要的作用。这些效应部分被证实是通过代谢物介导的。肠道菌群与2型糖尿病及其并发症有关，患者中血清代谢物异常可能是肠道菌群导致的。现有药物长期服用具有一定的副作用。因此，更优的治疗策略，尤其是中药，已经被用于靶向肠道微生物疾病治疗及改善健康。

 

药物的研发往往需要借助动物疾病模型来进行相关研究。因此，为了评价和开发治疗2型糖尿病的药物，通过2型糖尿病动物模型来开展相关研究就显得尤为重要。广东省科学院动物研究所的研究团队通过高脂喂养联合小剂量链脲霉素诱导的方法，建立了2型糖尿病大鼠模型，为评价候选药物缓解2型糖尿病及其并发症的作用效果、阐明治疗该疾病的作用机理奠定了基础。

 

研究一：脑心通胶囊治疗2型糖尿病大鼠的代谢组学和肠道微生物组学研究

 

1、研究背景

2型糖尿病严重威胁人类健康，目前治疗糖尿病的西药中有很大部分具有各种各样的副作用。而传统中医药在治疗代谢疾病方面有着千百年的实践经验，具有疗效好和安全性高的特点。脑心通胶囊（NXT）是由清朝经典的补阳还五汤改良而成的中药配方，由11味中药组成。近年来，脑心通胶囊已被用于治疗2型糖尿病，改善病人的血管功能和减轻高血糖症。有研究表明，脑心通胶囊可有效改善糖尿病模型db/db小鼠的葡萄糖代谢功能紊乱和挽救肾脏功能。尽管一些研究提到脑心通胶囊具有抗糖尿病的效果，但其治疗2型糖尿病的作用机制仍然不清楚。

 

为探究脑心通胶囊对代谢和肠道菌群的影响，研究团队整合了血清非靶向代谢组学和肠道菌群测序，研究了脑心通胶囊治疗2型糖尿病和并发症的潜在机制，为糖尿病的治疗提供了一些新的策略，并为中药治疗糖尿病提供实验依据。该项研究成果发表在生物领域期刊Scientific Reports上。

 

2、研究结果

通过对大鼠进行10周的高脂喂养后，第54天腹腔注射30mg/kg的链脲佐菌素（STZ）建立2型糖尿病的动物模型。注射后72 h，快速血糖（FBG）水平取空腹血糖不低于11.0 mM的大鼠进行进一步实验。实验设对照组、糖尿病模型组（高脂喂养+STZ）和脑心通治疗组（高脂喂养+STZ+脑心通），对糖尿病的大鼠进行连续8周的脑心通胶囊治疗，治疗结束后收集血液样品以评估糖尿病的表型。与对照组相比，高脂喂养10周的大鼠体重显著增加。然而在注射链脲佐菌素后高脂喂养的大鼠体重连续下降，部分原因是由于产生胰岛素的β细胞受到损害及代谢紊乱造成的。脑心通胶囊治疗的2型糖尿病大鼠体重的异常变化得到了恢复（图1a），表明模型组大鼠体重下降，但脑心通胶囊治疗可有效改善建模对大鼠体重的影响。

 

为进一步确认模型组大鼠的2型糖尿病模型是否建造成功，并考察药物对模型大鼠2型糖尿病的改善作用，研究团队接着进行了口服葡萄糖耐量试验（OGTT）和胰岛素耐量试验（ITT）实验。结果表明，8周脑心通胶囊治疗显著改善了葡萄糖代谢（图1a）；与2型糖尿病模型大鼠相比，脑心通胶囊减轻了高血脂的水平（图1b），并减轻了2型糖尿病发展过程中的慢性炎症水平（图1c）。此外，研究还发现，脑心通胶囊还具有潜在的治疗糖尿病并发症（如心血管系统疾病等）的效果（图1d）。

图1 脑心通胶囊对体重和血糖(a)、脂代谢(b)、炎症反应(c)及心血管系统(d)的影响

图片来源：Scientific Reports

 

为探究糖尿病的表型与肠道微生物的关系，研究人员又对大鼠肠道菌群丰度和多样性进行了考察。与对照组大鼠肠道菌群相比，2型糖尿病大鼠粪球菌的丰度（图2a）和多样性（图2b,c）显著下降，而脑心通胶囊治疗后能部分恢复肠道菌群的丰度和多样性。结果表明，脑心通胶囊是通过改善肠道菌群的紊乱情况，来发挥抗糖尿病和并发症的效果。

图2 脑心通胶囊改善肠道菌群的紊乱情况

图片来源：Scientific Reports

 

为进一步考察脑心通胶囊对2型糖尿病大鼠不同靶点的作用，利用UPLC-Q-TOF-MS/MS的方法，研究人员对2型糖尿病大鼠进行了血清代谢谱研究，鉴定到45个潜在的生物标志物，其中有32个与脑心通胶囊治疗相关。为进一步探究脑心通对2型糖尿病潜在的作用机制，研究人员利用KEGG数据库、SMPDB数据库等对重要的差异代谢物相关网络进行了概括（图3），结果发现脑心通对2型糖尿病的治疗主要与脂质代谢相关。

 

如图3所示，在模型组中一些多不饱和脂肪酸及其氧化产物增加，这些可导致糖尿病状态下的炎症和血液高凝状态，而脑心通可显著改善这种状况。脑心通的治疗明显影响L-肉毒碱、硬脂酸等的水平，这表明脑心通可能促进脂肪酸β氧化，帮助控制血脂和血糖，且这一效应可能与肠道菌群的调节有关。以上结果表明，脑心通直接参与了这些代谢途径的调控，这也可能有助于其发挥药理作用。

图3 脑心通胶囊对2型糖尿病的代谢调控网络

图片来源：Scientific Reports

 

3、小结

上述研究中，研究人员通过高脂饲料喂养10周，并在第54天注射低剂量的链脲佐菌素，成功建立了2型糖尿病的动物模型。通过口服试验发现，脑心通胶囊对2型糖尿病的处理可以改善高血糖和高血脂，减轻炎症反应，降低血压和预防心血管损伤。

 

通过整合血清代谢组学和肠道菌群研究，发现脑心通胶囊治疗可改善多种代谢途径和肠道菌群，以维持其对2型糖尿病及其并发症的多管齐下的治疗效果。然而，目前的研究还很有限，肠道菌群与宿主代谢之间的直接关系还有待进一步研究。

 

从整个研究方法来看，该研究通过构建2型糖尿病大鼠模型探究了脑心通对2型糖尿病的治疗作用。基于同样的技术路线，研究团队也对其他药物治疗2型糖尿病的作用机制进行了研究。

 

研究二：铁冬青酸改善2型糖尿病大鼠的代谢紊乱和肠道菌群

 

1、研究背景

铁冬青酸是铁冬青茎皮中的三萜类成分，具有多种生物活性，如抗炎和降脂效应等。铁冬青酸对糖尿病具有一定的改善作用。然而，我们对铁冬青酸在2型糖尿病中改善代谢紊乱的效应及机制还知之甚少。

 

为探究铁冬青酸改善2型糖尿病代谢紊乱的机制，研究团队建立了2型糖尿病大鼠模型，并对相关代谢指标和粪便微生物16S rRNA进行了分析。这些结果有助于评估铁冬青酸对2型糖尿病及并发症的治疗效果，并为通过改善肠道菌群治疗糖尿病提供新的思路。相关研究成果发表在Nutrients上。

 

 

2、研究结果

高脂喂养大鼠10周期间，第54天空腹12 h后于腹腔注射低剂量链脲佐菌素，注射后72 h测量快速血糖水平。空腹血糖水平不低于11.0的大鼠被认为患有2型糖尿病，并被招募进行进一步的实验。为评估效果，将2型糖尿病大鼠随机分为模型组和药物处理组（每组n=8）。每天给药，持续8周。即实验设①对照组：生理盐水标准化饮食；②T2D模型组：高脂喂养加生理盐水；③药物处理组：高脂喂养与冬铁冬青酸钠盐（40mg /kg/天，溶解于生理盐水）。

 

如图4所示，与对照组相比，模型组大鼠的体重显著增加，第10周模型组大鼠注射链脲佐菌素导致体重如预期减轻；而在实验结束的第18周，与模型组相比铁冬青酸处理组大鼠体重明显增加；此外，在实验结束的最后一周，铁冬青酸处理减少了糖尿病大鼠对水的摄取，增加了饮食。

 

与对照组相比，模型组血糖、糖化血红蛋白和胰岛素水平显著升高，而铁冬青酸处理又降低了血糖、糖化血红蛋白和胰岛素水平。口服葡萄糖耐量试验（OGTT） 、胰岛素耐量试验（ITT）和胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）是评估胰岛素抵抗的重要指标。OGTT和ITT测定结果表明，与对照组相比，模型组在葡萄糖和胰岛素负荷前后血糖水平明显升高。OGTT和OGTT曲线下的葡萄糖升高面积（AUCs）和HOMA-IR指数显示，2型糖尿病大鼠存在严重的葡萄糖不耐受和胰岛素抵抗，而经铁冬青酸处理后，这些情况得到了明显改善。

图4 铁冬青酸对大鼠体重、饮水、饮食和葡萄糖代谢的影响

图片来源：Nutrients

 

为探究铁冬青酸对脂质代谢和血压的影响，研究人员检测了大鼠的脂质代谢和血压变化。与对照组相比，模型大鼠血清中的总甘油酯（TG）、总胆固醇（TC）、低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）和游离脂肪酸（FFA） 明显升高。而经过铁冬青酸干预后，血清中的这些指标被明显抑制。此外，铁冬青酸能明显增加糖尿病大鼠中高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）的水平。研究发现糖尿病大鼠血压（ANG-2、SYS、DIA、MAP）升高，而铁冬青酸具有降低糖尿病高血压的效果。这些结果表明，铁冬青酸可改善2型糖尿病大鼠的血脂代谢和血压情况。

图5 铁冬青酸对大鼠脂质代谢和血压的影响

图片来源：Nutrients

 

为探究2型糖尿病与肠道菌群的关系，研究人员对对照组、模型组和铁冬青酸处理组大鼠的粪大肠菌群16s RNA测序，并对测序数据进行了处理分析。细菌群落结构分析有α多样性和β多样性分析，α多样性是指一个特定区域或者生态系统内的多样性，常用的度量指标有Chao1丰富度估计量（Chao1）和香农指数（Shannon）。微生物β多样性指的是样本间多样性，一般以PCoA分析为主。

 

如图6所示，与对照组相比，T2D模型组Chao1和Shannon值明显下降，表明肠道菌群的丰富度降低，而铁冬青酸有提高这些参数的趋势。分析结果显示，铁冬青酸的处理可增加糖尿病大鼠肠道菌群的丰度和多样性，调节菌群群落组成。也进一步说明了，肠道菌群与宿主健康之间有着密切而复杂的联系。

图6 (a)对照组、模型组和铁冬青酸处理组Chao1和香农值；(b)肠道菌群群落结构PCoA分析

图片来源：Nutrients

 

 

3、小结

本研究通过构建经高脂饲料喂养、单次低剂量链脲佐菌素注射诱导的2型糖尿病大鼠模型，系统地阐述了铁冬青酸对改善T2D代谢紊乱的多重作用，包括改善糖脂代谢、降血压、预防心血管和肝肾损伤等。此外，研究人员通过对肠道菌群测序，为铁冬青酸缓解肠道菌群失调提供了直接证据，指出肠道菌群组成与多种生化指标密切相关。本研究支持铁冬青酸作为营养剂或富含这种化合物的植物食品，通过改善肠道菌群可能有助于减缓2型糖尿病及其并发症。

 

全文总结

本文介绍了通过高脂饲料喂养联合腹腔注射链脲佐菌素成功建立2型糖尿病动物模型的方法。并利用此模型，阐述了脑心通胶囊和铁冬青酸通过改善肠道菌群，来缓解2型糖尿病及其并发症的作用机制。

 

 

平台介绍

广东省科学院动物研究所面向国家和广东省经济社会发展需求，围绕野生动物保护与资源综合利用、有害生物动态监测与绿色防控、生物医药创新研究三大领域开展基础性和应用性研究，自主设计与合成全新结构的小分子化合物并不断挖掘实体化合物库；从体外、体内水平，搭建有代谢系统疾病、神经系统疾病、呼吸系统疾病、免疫系统疾病、恶性肿瘤等药效药理评价平台，实现从小型啮齿类到非人灵长类动物的多种不同种属的全面专业评价，服务创新药物开发及中药现代化评价。广东省科学院动物研究所与体必康生物科技（广东）股份有限公司已签约达成友好战略合作关系。

 

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参考文献

1. Zenghao Yan, Hao Wu, Haokui Zhou, Shuo C hen, Yan He, Weijian Zhang, Taobin Chen, Hongliang Yao & Weiwei Su. Integrated metabolomics and gut microbiome to the effects and mechanisms of naoxintong capsule on type 2 diabetes in rats. Sci Rep. 2020;10(1):10829. 

2. Zenghao Yan, Hao Wu, Hongliang Yao, Wenjun Pan, Minmin Su, Taobin Chen, Weiwei Su and Yonggang Wang. Rotundic acid protects against metabolic disturbance and improves gut microbiota in type 2 diabetes rats. Nutrients 2019;12(1):67.

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参考文献

 

 

本文作者：

关文，王永刚，姚宏亮

 

 

 

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