王 靜,李鳳娟,張化朋,劉敬蘭,吳力克
(1.山東鳳凰生物科技股份有限公司,山東泰安 271000;2.第三軍醫(yī)大學西南醫(yī)院感染病專科醫(yī)院,重慶 400038)
中醫(yī)學自古以來就有“藥食同源”理論,如許多中藥即是食物也是藥物,食物和藥物一樣均可防治疾病。中藥里面許多中藥都屬于藥食同源類中藥。衛(wèi)生部于2002年發(fā)布的《關于進一步規(guī)范保健食品原料管理的通知》(衛(wèi)法監(jiān)發(fā)[2002]51號),通知明確規(guī)定了藥食同源中藥的名稱,甘草和葛根均在此類中藥中。保健食品中,許多以甘草、葛根為原料,傳統(tǒng)食品中,也多用甘草、葛根煲湯、燉煮,用于保健。其中,甘草活性成分甘草酸苷、異甘草酸、甘草酸二銨在保肝護肝中已廣泛應用于臨床[1-2],在日常飲食中應用廣泛:甘草及其提取物常被添加于零食、飲料、啤酒等食品中。葛根為藥食同源兩種中藥,其化學成分主要有黃酮、三萜、香豆素、皂苷等類化合物[3],其中葛根素對化學性肝損傷、酒精/非酒精性肝損傷等多種肝損傷具有不同程度的治療作用[4-6]。葛根含有豐富的碳水化合物、蛋白質、維生素、礦物質等營養(yǎng)物質,屬于藥食同源中藥,也是常見的養(yǎng)生補品,始記于《神農本草經》中,在我國食用、藥用領域已有3000多年的應用歷史。常見的葛根產品有葛根粉粥、葛根羹、葛根湯等。
現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn),肝臟和腸道經膽管、門靜脈和體循環(huán)進行雙向交流。肝臟代謝產物影響著腸道菌群的組成與腸屏障的完整,腸道菌群的代謝產物經門靜脈系統(tǒng)影響著肝臟功能及糖脂代謝等,肝臟與腸道之間相互聯(lián)系與影響,組成了“腸-肝”軸(Gut-Liver Axis)[7-8]。肝臟產物影響腸道菌群組成和屏障完整性,腸道因子調控肝臟的膽汁酸合成和糖脂代謝;肝臟和腸道中的促炎性變化介導肝纖維化、肝硬化和肝細胞癌的發(fā)展,這些疾病有共同的發(fā)展途徑[9-10];益生菌及其發(fā)酵產物能夠調節(jié)腸道菌群,有效地減輕各因素對肝臟的損傷,改善肝臟功能[11-12]。
發(fā)酵炮制法是中藥炮制的傳統(tǒng)方法之一,在我國具有悠久的應用歷史。中藥發(fā)酵炮制過程是應用微生物代謝酶系等作用的生物轉化過程,具有反應條件溫和、轉化效率高、副產物少、毒副作用小等特點[13-14]。對于傳統(tǒng)發(fā)酵炮制法而言,發(fā)酵微生物菌種不明確,發(fā)酵過程以自然發(fā)酵為主,發(fā)酵終點以經驗為主。應用菌種明確的一種或多種微生物,采用現(xiàn)代微生物工程技術,提升發(fā)酵類中藥產品的品質與功效,是發(fā)酵炮制中藥技術發(fā)展創(chuàng)新的重要研究內容,也是中藥現(xiàn)代化的重要發(fā)展方向之一[15]。本研究基于腸-肝軸的最新研究進展,以益生菌發(fā)酵這一新型炮制方式,對甘草、葛根進行復合發(fā)酵處理,以促進中藥活性成分的釋放。發(fā)酵獲得的乳酸菌發(fā)酵產物不僅含有較高的活性成分,同時含有后生元成分,通過中藥、益生菌“協(xié)同增效”的模式,提升了中藥性能,并建立了基于發(fā)酵物指紋圖譜與標志性活性成分相結合的質量控制體系。本文以益生菌發(fā)酵中藥技術制備的甘草葛根發(fā)酵物GCQ作為供試物,分析其對四氯化碳致慢性肝損傷大鼠的肝保護、降低內毒素、降低炎癥、調節(jié)腸道菌群的作用,初步闡明益生菌甘草葛根發(fā)酵物GCQ對慢性肝損傷大鼠的肝保護及與腸道菌群的相關影響及其作用機理。
甘草葛根發(fā)酵組合物(GCQ) 實驗室自制;SPF級SD雌性和雄性大鼠(180±20)g(合格證:NO.1107 261911004282) 濟南朋悅實驗動物繁育有限公司;甘利欣甘草酸二銨膠囊(GLX) 正大天晴;谷丙轉氨酶(ALT)、谷草轉氨酶(AST)、總膽紅素(TBIL)、總蛋白(TP)、內毒素(LPS)、腫瘤壞死因子-α(TNFα)、脯氨酸肽酶(PLD)、轉化生長因子β(TGF-β1)、透明質酸(HA)、白細胞介素-6(IL-6)檢測試劑盒上海酶聯(lián)生物科技有限公司;伊紅美藍培養(yǎng)基、EC腸球菌培養(yǎng)基、TPY瓊脂培養(yǎng)基、MRS固體培養(yǎng)基、EG瓊脂培養(yǎng)基、TSC瓊脂培養(yǎng)基 青島海博生物技術有限公司;L-半胱氨酸鹽酸鹽 Solarbio;綿羊血 青島海博生物;CCl4分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
F50酶標儀 Infinite公司;CX21FS1電子生物顯微鏡 Olympus公司;JEM-1230透射電子顯微鏡
日本電子株式會社;ML204電子分析天平 Mettler Toledo公司;DHP-9162型電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海一恒科學儀器有限公司,CL5高速離心機 長沙高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)湘儀離心機儀器有限公司;THZC型恒溫振蕩器 蘇州培英實驗室設備有限公司;BCD-256WDGH型冰箱 青島海爾股份有限公司。
1.2.1 甘草葛根發(fā)酵組合物的制備 甘草發(fā)酵物的制備:應用現(xiàn)代發(fā)酵工程技術,以甘草為發(fā)酵原料,經真菌(茯苓5.28)發(fā)酵酶解,獲得甘草酶解產物;以甘草酶解產物為發(fā)酵原料,經乳酸桿菌(植物乳桿菌)二次發(fā)酵處理,添加適當比例的麥芽糊精凍干處理,獲得甘草發(fā)酵物(甘草酸:4.18%,甘草次酸:1.39 g/kg)。
葛根發(fā)酵物的制備:以葛根為發(fā)酵原料,經乳酸桿菌(副干酪乳桿菌)發(fā)酵處理,添加適當比例的麥芽糊精凍干處理,獲得葛根發(fā)酵物(葛根素:1.15%。)
甘草葛根發(fā)酵組合物:6.2 g發(fā)酵組合物:甘草發(fā)酵物3.59 g,葛根發(fā)酵物2.61 g成分含量:甘草酸150 mg、葛根素30 mg、甘草次酸5 mg。
1.2.2 分組及給藥 48只SD大鼠,雌雄分籠飼養(yǎng),飼養(yǎng)室保持溫度23±2 ℃、濕度50%±15%、晝夜12 h交替條件,預飼養(yǎng)1周后,隨機分為生理鹽水處理對照組(NS組)、甘草酸二銨陽性對照組(GLX組)、甘草葛根發(fā)酵組合物處理組(GCQ組)。其中,GLX陽性對照組參照甘利欣(GLX)甘草酸二銨膠囊用量,甘草酸二銨灌胃劑量為15 mg/kg·d;GCQ樣品組甘草葛根發(fā)酵物灌胃劑量為650 mg/kg·d;以生理鹽水配制成適宜濃度給藥,每天2次,生理鹽水處理對照組灌胃同等劑量生理鹽水。NS組、GLX陽性對照組、GCQ樣品組采用2% CCl4溶液(以市售橄欖油為溶劑稀釋)灌胃造模,造模劑量為0.2 mL/kg/次,每周兩次(造模期間間隔4 h繼續(xù)給藥灌胃)。
1.2.3 實驗動物狀態(tài)觀察 實驗期間觀察記錄實驗動物的生活狀態(tài)變化,包括運動、神志、進食、皮毛、小便、大便、體重等病態(tài)觀察,記錄慢性肝損傷造模開始后12周內動物的死亡和因病淘汰情況。
1.2.4 血清中ALT、AST、TBIL、TP、LPS、TNF-α、PLD、TGF-β1、HA、IL-6含量檢測 實驗動物造模給藥12周后,末次CCl4造模48 h后,禁食不禁水16 h,采用眼球靜脈取血,血漿置于37 ℃溫浴30 min,轉速3500 r/min離心10 min,移液槍取上層血清分裝于EP管中,-20 ℃保存?zhèn)溆谩栏癜凑赵噭┖姓f明書操作步驟進行肝功能指標(ALT、AST、TBIL、TP)、內毒素定量(LPS)、肝纖指標(PLD、TGF-β1、HA)、炎癥因子(IL-6、TNF-α)相應指標檢測。
1.2.5 肝組織病理學檢測 肉眼觀察肝臟形態(tài)及顏色改變(畸形、腫大、攣縮、缺血等)。取大鼠肝臟左葉用10%福爾馬林固定,從肝左葉中部做橫切面取材,常規(guī)病理制片(H.E.染色)[16];光鏡下觀察肝組織細胞病理改變。取出肝臟,切成1 mm3的組織塊,進行鋨酸染色[17],制片后采用透射電鏡觀察細胞組織變化。
1.2.6 腸道菌群定量分析 實驗動物剖殺后,無菌條件下取盲腸糞便,精確稱取1 g置于100 mL帶玻璃珠無菌生理鹽水三角瓶中,密封,置于恒溫搖床,轉速160 r/min,混勻30 min,進行不同梯度稀釋,采用平板計數法,選用適宜不同類型細菌的選擇培養(yǎng)基:伊紅美藍瓊脂、EC腸球菌、TPY瓊脂、MRS瓊脂、EG瓊脂、TSC瓊脂培養(yǎng)基,分別進行選擇性培養(yǎng)基配制及高壓滅菌,選擇合適的稀釋度分別接種在各培養(yǎng)基上,培養(yǎng)后以菌落形態(tài)、革蘭氏染色鏡檢、生化反應等鑒定計數菌落,分別計算出每克濕便中大腸桿菌、腸球菌、雙歧桿菌、乳桿菌、類桿菌和梭桿菌的活菌數。
采用SPSS Statistics 20軟件對數據進行統(tǒng)計分析。試驗數據均以平均值±標準誤差(Mean±SEM)表示,檢驗方法采用t檢驗,P<0.05為具有統(tǒng)計學意義,即差異顯著,P<0.01即極顯著差異。
處理及觀察12周,生理鹽水組和GCQ組未見受試動物死亡;GLX組在CCl4處理過程中發(fā)生重度感染,淘汰1只,期間未發(fā)生因病淘汰。與未給予GLX和GCQ進行保護性治療的慢性肝損傷模型動物相比,連續(xù)給藥6周后,給藥與未給藥模型動物的生活狀態(tài)開始發(fā)生差異,主要表現(xiàn)為給藥動物活力更強,精神、食欲和皮毛亮度、密度更好,體重增加明顯(見圖1),尿色淺,大便成形;12周時給藥與未給藥模型動物上述差異更為明顯。

圖 1 不同處理組經CCl4造模后的體重變化情況Fig.1 Changes in body weight of different treatment groups after CCl4 modeling
四氯化碳(CCl4)受到肝微粒體酶活化成為三氯甲烷自由基(CCl3·)與蛋白質共價結合導致蛋白合成障礙、脂質分解代謝紊亂,引起肝細胞內甘油三酯(TG)蓄積,CCl3·也能迅速與O2結合轉化為過氧化三甲烷自由基(CCl3O2·)導致脂質過氧化,從而引起細胞膜的變性損傷,產生酶滲漏及各種類型的細胞病變、炎癥反應,甚至壞死[9]。由圖2可知,GLX和GCQ保護組慢性肝損傷模型動物,肝損傷指標ALT、AST造模后較造模前增高極顯著(P<0.01),表明GLX和GCQ的肝臟保護作用不夠完全;但與生理鹽水處理組造模后相比,ALT和AST水平呈極顯著降低(P<0.01);生理鹽水處理組造模后TP水平呈極顯著降低(P<0.01),GLX和GCQ保護組造模前后無明顯差異;生理鹽水處理組造模后TBIL水平呈極顯著增高(P<0.01),GCQ保護組造模前后無明顯差異;表明GLX和GCQ有明顯保護作用。
研究顯示,NS組造模后ALT、AST水平顯著增高,說明肝細胞損傷嚴重,肝細胞通透性增加,產生酶滲漏;TBIL水平顯著升高,說明肝細胞代謝功能水平降低。GCQ可以顯著降低四氯化碳(CCl4)致慢性肝損傷大鼠的ALT、AST和TBIL水平,說明GCQ可以對肝細胞膜產生保護作用,增強肝細胞的代謝功能,降低四氯化碳(CCl4)對肝臟的損傷程度,抑制肝損傷產生的代謝紊亂問題。
任何肝臟損傷在肝臟修復愈合的過程中都有肝纖維化的過程,是肝臟的一個病理生理過程,如果損傷因素長期不能去除,纖維化的過程長期持續(xù)就會發(fā)展成肝硬化。肝纖維化指標PLD、TGF-β1、HA檢測結果見圖3。結果顯示,GLX和GCQ保護組造模后PLD、TGF-β1、HA水平高于造模前,但GCQ保護組指標HA顯著低于生理鹽水處理對照組造模后水平(P<0.05),GLX保護組則與對照組無顯著差異;與生理鹽水處理對照組造模后水平比較,GCQ保護組PLD和TGF-β1水平極顯著降低(P<0.01);提示GCQ具有抗慢性肝損傷過程中發(fā)生的肝纖維化作用。

圖 2 CCl4造模前后不同處理組肝功能指標Fig.2 Liver function indexes of different treatment groups before and after CCl4 modeling

圖 3 CCl4造模前后不同處理組肝纖維化指標Fig.3 Liver fibrosis indexes of different treatment groups before and after CCl4 modeling

圖 4 CCl4造模前后不同處理組內毒素、細胞因子指標Fig.4 Liver endotoxin and cytokine indexes of different treatment groups before and after CCl4 modeling
血清中TGF-β1、PLD、HA是反映肝損害嚴重程度、診斷肝纖維化的重要指標。研究顯示,慢性肝病患者PLD升高,可能與肝細胞內PLD活性增強、細胞內膠原降解加速、脯氨酸含量升高,使細胞間膠原合成增加有關。透明質酸是由肝內皮細胞攝取分解,肝功能受損時,血清中HA升高,血清HA水平是判斷有無活動性肝纖維化的定量指標[18]。TGFβ1與肝膠原、纖維連結蛋白等細胞外基質蛋白的合成明顯相關,是近年來發(fā)現(xiàn)的反映肝纖維化的重要指標之一,是重要的促纖維化介質,已成為纖維化疾病的中藥醫(yī)治靶標,通過抑制TGF-β1的產生,阻斷其與受體結合和調控其信號傳導進程,可以達到抗纖維化的目的[19]。GCQ可通過保護肝細胞、促進細胞代謝功能等作用方式,進一步達到抑制TGF-β1的產生、促進透明質酸的分解、抑制細胞間膠原合成,抑制慢性肝損傷的纖維化作用。
IL-6和TNF-α是參與多種生理與免疫過程的重要細胞因子,與細菌感染性疾病的發(fā)病有關,是參與全身炎癥反應綜合征的重要炎癥介質,它們水平的高低反映了感染的嚴重程度。內毒素是革蘭氏陰性細菌細胞壁中的一種脂多糖,脂多糖進入血液引起內毒素血癥,腸道菌群會隨著肝損傷的發(fā)展而發(fā)生變化,進而引起內毒素產生菌的增加[20]。由圖4結果顯示,GLX和GCQ保護組造模前后血清IL-6水平變化不大,但生理鹽水處理對照組造模前后血清IL-6水平差異顯著(P<0.05);GLX和GCQ保護組造模前后血清TNF-α水平差異極顯著(P<0.01),在阻止TNF-α升高方面,GCQ效果較GLX明顯,與生理鹽水處理對照組比較具有極顯著性差異(P<0.01);GCQ保護組造模前后LPS水平無顯著性差異,與生理鹽水處理對照組造模后比較具有極顯著性差異(P<0.01);說明GCQ在降低CCl4慢性肝損傷大鼠內毒素、炎癥方面具有一定的保護作用。
IL-6能誘導B細胞分化和產生抗體,誘導T細胞活化增殖、分化,參與機體的免疫應答,是炎性反應的促發(fā)劑,IL-6已成為某些細胞因子風暴綜合征(CSS)的關鍵節(jié)點。TNF-α是炎癥反應過程中出現(xiàn)最早、最重要的炎性介質,能激活中性粒細胞和淋巴細胞,使血管內皮細胞通透性增加,調節(jié)其他組織代謝活性并促使其他細胞因子的合成和釋放。GCQ可有效降低機體內的炎性因子,降低因炎性因子風暴導致的肝損傷程度。
腸屏障功能障礙會導致危險的腸道菌群及其產物進入腸系膜靜脈進而經門靜脈進入肝臟,從而導致或加劇肝損傷。發(fā)酵組合物GCQ在生物發(fā)酵過程中會產生多種次級代謝產物,在腸道中發(fā)揮抑制致病菌、清除腸道毒素、促進有益菌增殖等多種益生功效,進一步達到平衡腸道菌群、降低炎癥及增強腸道免疫功能的作用,促進腸道構建穩(wěn)定的腸道屏障,降低內毒素水平及慢性炎癥的發(fā)生[21]。
肉眼觀察與生理鹽水處理未保護的慢性肝損傷大鼠比較,GLX和GCQ保護肝臟的大小、色澤、質地均有差異,但兩者間比較差異不大(見圖5)。

圖 5 不同組大鼠慢性肝損傷肝臟病理圖Fig.5 Liver pathology of chronic liver injury in different groups of rats
光鏡觀察與生理鹽水處理未保護的慢性肝損傷大鼠比較,GLX和GCQ保護肝組織肝細胞氣球樣變數量相對較少,發(fā)生腫脹性炎癥和局部壞死改變的程度偏輕,但GLX和GCQ對慢性肝損傷的保護作用無顯著差異(見圖6)。

圖 6 不同組慢性肝損傷大鼠光鏡觀察肝臟病理圖(100×)Fig.6 Light microscope observation of liver pathology in different groups of rats with chronic liver injury (100×)
電鏡觀察與生理鹽水處理未保護的慢性肝損傷大鼠比較,GLX和GCQ保護肝細胞及其細胞發(fā)生炎癥、線粒體變性或破壞的程度偏輕,細胞外基質中膠原原纖維較少,但GLX和GCQ對慢性肝損傷的保護作用無顯著差異(見圖7)。

圖 7 不同組慢性肝損傷大鼠電鏡觀察肝臟病理圖(10000×)Fig.7 Electron microscopic observation of liver pathology in different groups of rats with chronic liver injury (10000×)
腸道菌群的變化在與慢性肝病、脂肪肝及肝硬化的發(fā)病及病情進展中有重要作用,研究發(fā)現(xiàn)糞便、結腸黏膜的菌群相對豐度及功能的改變對慢性肝炎及肝硬化的發(fā)病及預后有不同程度的影響[22]。圖8結果表明,經CCL4造模處理后,與未處理前相比雙歧桿菌合乳桿菌數量減少;經GLX和GCQ保護慢性肝損傷模型動物,EMB、EC、KV、CD數量降低,而TPY、MRS增高,尤以GCQ組明顯,說明CCl4肝損傷可以引起腸道菌群的變化,GLX和GCQ在起到保肝護肝作用的同時,起到一定的調節(jié)腸道菌群作用。

圖 8 不同處理組慢性肝損傷大鼠腸道菌群示意圖Fig.8 Schematic diagram of intestinal flora of rats with chronic liver injury in different treatment groups
中草藥成分影響菌群的豐度和多樣性,菌群組成改變與宿主免疫和代謝活動密切相關。中草藥含有許多具有益生元活性的成分,這些成分可增加雙歧桿菌、乳桿菌屬、擬桿菌門、普氏菌屬的豐富度,抑制厚壁菌門,降低腸道中厚壁菌門/擬桿菌門的比例;中草藥活性成分作為一種特殊益生元,通過促進腸道內有益菌增殖和抑制致病菌的雙向作用方式,達到平衡腸道菌群的目的[23]。中草藥成分可以被腸道菌群轉化代謝而賦予新的功能活性、生物利用度,研究發(fā)現(xiàn),中藥多糖被腸道菌群降解/發(fā)酵產生低聚糖等,能促進有益菌生長并調節(jié)宿主生理;中藥可影響參與氨基酸和脂質代謝的腸道細菌及其代謝物,發(fā)揮治療作用;同時,一些中藥小化學分子經菌群轉化后會進一步增加其生物活性[24]。
肝臟是人體重要的代謝器官,肝損傷疾病嚴重影響人們的身體健康和生活質量。研究指出,引起肝損傷的原因有多種,如化學性肝損傷、病毒性肝損傷、酒精性肝損傷等,其中化學性肝損傷是一類影響因子多且多發(fā)的肝損傷類疾病,主要病理改變包括肝纖維化、脂肪變性及肝硬化等。近年來采用中藥治療肝損傷逐漸成為相關治療領域的研究熱點。本研究通過腹腔注射CCl4溶液的方式建立大鼠慢性肝損傷模型,對經微生物發(fā)酵這一特殊炮制手段處理的中藥-甘草葛根發(fā)酵組合物對慢性肝損傷的作用進行評價研究。
綜上研究,通過對甘草葛根發(fā)酵組合物保護慢性肝損傷大鼠造模給藥后的動物表現(xiàn)、死亡及淘汰率、肝功指標、肝臟組織學變化和腸菌群定量分析顯示:甘草葛根發(fā)酵組合物對CCl4致大鼠慢性肝損傷具有明顯的保護作用,該作用與保護肝細胞、抑制肝組織纖維化水平、抑制炎癥反應、降低內毒素水平及調節(jié)腸道菌群有關。
Liu等[25]研究顯示,甘草酸的生物轉化主要發(fā)生在大鼠結腸內容物中;廣譜抗生素抑制了中藥主要成分的吸收,并且通過抑制結腸菌群顯著抑制了甘草酸向甘草次酸的生物轉化。Li等[26]研究甘草酸二銨通過干預改變了非酒精性脂肪肝病小鼠的腸道菌群組成,提高了乳酸桿菌屬等益生菌的豐度;降低厚壁菌門/擬桿菌門的比值,減少了內毒素產生菌,增加了短鏈脂肪酸產生菌,顯著減輕腸道低度炎癥,進一步改善緊密連接蛋白的表達、杯狀細胞數量和黏液分泌,從而增強腸道屏障功能,達到降低小鼠體重、肝臟脂肪變性及肝臟炎癥的作用。本研究對象甘草葛根發(fā)酵組合物作為微生物發(fā)酵后的產物組合物,除含有中藥活性成分及衍生成分外,還可能含有大量益生菌次級代謝產物短鏈脂肪酸、肽類、氨基酸等活性物質,可通過促進雙歧桿菌和乳酸桿菌等有益菌增殖,平衡腸道菌群,降低腸道內毒素的水平,起到保肝護肝作用[27]。
通過本研究顯示,傳統(tǒng)中藥可通過體外生物發(fā)酵處理:一方面,促進原有中藥活性成分的高效溶出與生物轉化;另一方面,通過發(fā)酵過程富集微生物次級代謝產物,豐富活性成分的種類以及提高活性物質含量,達到增強傳統(tǒng)中藥功效作用、增強生物利用度的目的。但是,中藥活性成分通過微生物發(fā)酵轉化的機理及不同活性代謝產物與活性成分間的協(xié)同作用關系,以及活性物質的具體作用靶點和代謝過程相關機理研究,還需要進一步深入地研究與探討。