本研究表明,生度平木方通过增加粪便含水量和肠道推进率,缓解大鼠便秘症状。其作用机制与激活PI3K/AKT通路、上调AQP3和AQP8表达以及调节肠道菌群组成相关。
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本研究表明,生度平木方通过增加粪便含水量和肠道推进率,缓解大鼠便秘症状。其作用机制与激活PI3K/AKT通路、上调AQP3和AQP8表达以及调节肠道菌群组成相关。
便秘是一种常见的胃肠道功能紊乱疾病,目前的治疗方法常存在一定的局限性。生毒平木方(Shengdu Pingmu Formula,SDPF)是源于中药的经典方剂改良而成的复方制剂,临床上已用于治疗便秘,但其作用机制尚不明确。本研究采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱(UPLC-Q/TOF-MS)分析技术,在SDPF中鉴定出188种化合物,其中50种化合物被明确鉴定。动物实验结果显示,SDPF治疗显著增强了肠道推进功能,提高了粪便含水量,并缩短了首次排出黑便的时间。网络药理学和分子对接分析提示PI3K/AKT信号通路可能参与其中,后续实验进一步验证了该通路的上调,以及直肠组织中水通道蛋白AQP3和AQP8的表达水平升高。此外,16S rRNA基因测序结果表明,SDPF通过增加乳杆菌属(Lactobacillus)和拟杆菌属(Bacteroides)等有益菌群,同时减少与炎症相关的细菌,从而恢复肠道微生物群的稳态。综上所述,SDPF通过调控PI3K/AKT信号通路及调节肠道菌群,有效缓解便秘症状。
便秘是一种常见的胃肠道功能紊乱疾病,其特征为排便次数减少、排便费力以及粪便干硬,影响全球约20%的人口,具有显著的社会经济影响1。慢性便秘不仅可引起痔疮、肛裂和粪便嵌塞等身体并发症,还会导致焦虑、抑郁等心理困扰,严重损害患者的生活质量2。常规治疗方法包括渗透性泻药和膳食纤维补充,但由于疗效有限、潜在副作用以及依赖风险,常难以达到理想效果3。中医(TCM)采用整体调节方法,通过中药复方和针灸手段恢复气机运行和内脏稳态,从而调节肠道动力4。然而,由于缺乏标准化治疗方案和明确的作用机制,限制了其在临床中的广泛应用。新兴研究指出,肠道菌群调控及来源于中药的生物活性成分等新型干预策略,可能以协同方式增强肠道功能,且不良反应较少5。因此,开发一种基于循证医学的整合疗法,将中医理论与现代药物治疗相结合,有望彻底改变便秘的治疗模式。
慢传输型便秘(STC)是基础研究中一个重要的病理模型,能够有效模拟人类便秘的典型运动功能障碍——结肠传输显著延迟6。该模型作为解析便秘分子机制的"解码器",使研究人员能够直接观察直肠组织7、肠神经系统8、 Cajal间质细胞9以及关键信号通路10中的病理变化,从而将宏观症状与临床研究难以触及的细胞和分子异常联系起来11。国际上,建立STC大鼠模型的成熟方法主要包括化学诱导法12,其中典型的是使用洛哌丁胺——一种外周阿片受体激动剂,通过抑制神经元活性和乙酰胆碱释放,可在5–7天内稳定诱导传输延迟;此外还有病因模拟策略13,例如长期大剂量使用刺激性泻药,可导致结肠神经损伤、结肠黑变病以及继发的泻药依赖性结肠无力。因此,STC大鼠模型不仅为深入理解便秘复杂的病因提供了窗口,也成为连接基础机制研究与临床应用的重要桥梁。
生杜平木方(Shengdu Pingmu Formula, SDPF)由白芍(Radix Paeoniae Alba)、姜黄(Curcuma longa)、藤骨鸡(Rhizoma cibotii)、豨莶草(Siegsbeckia orientalis L.)和威灵仙(Clematis chinensis Osbeck)组成,是基于中医理论改良而成的医院制剂,在我科长期用于相关疾病的治疗。我院初步临床观察提示,SDPF可能缓解便秘症状(未发表数据)。研究表明,PI3K/AKT信号通路参与结肠运动的调控14,其中肠道微生物群及其代谢产物可能通过调节肠神经系统和肠道平滑肌活动发挥关键作用15。然而,其精确调控机制尚未完全阐明。我们提出,PI3K/AKT通路与肠道微生物群共同构成调控结肠运动的重要轴心。我们假设,中药复方对结肠运动障碍的治疗作用可能与调节PI3K/AKT通路及重建微生物-肠轴平衡有关。本研究通过提出并验证一个新颖的整合假说——PI3K/AKT通路与肠道微生物群共同构成调控结肠运动的关键且相互依赖的轴心,填补了该领域的空白。本研究的主要目的是明确SDPF对慢传输型便秘的治疗作用是否通过双重调控该轴心实现。具体而言,我们利用大鼠模型,研究了SDPF对关键PI3K/AKT信号蛋白、肠道菌群组成变化以及结肠运动功能的影响。通过阐明这一联合机制,据我们所知,本研究首次提供了微生物-PI3K/AKT轴作为中药干预统一靶点的实验依据,从而为结肠运动障碍的治疗提供了更全面的分子基础。
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所有实验操作均遵循《实验动物护理和使用指南》(美国国立卫生研究院,2011年修订版)的规定,并经山东中医药大学伦理审查委员会批准(福利伦理许可证编号:SDUTCM20250421238)。
SDPF 的制备
该复方药材由白芍(Radix Paeoniae Alba)20 g、姜黄(Curcuma longa)10 g、狗脊(Rhizoma Cibotii)10 g、豨莶草(Siegsbeckia orientalis L.)30 g 和威灵仙(Clematis chinensis Osbeck)30 g 组成。该配比基于临床经验确定。制备方法为:首先将药材以固液比 1:9(g/mL)加入去离子水浸泡 30 分钟,随后煮沸 60 分钟。提取液立即经纱布过滤,并于 4,500 × g 离心 5 分钟,收集上清液。药渣再以相同条件(1:9 比例,去离子水)重复提取两次,每次煮沸时间缩短至 30 分钟。三次提取所得上清液合并后浓缩,并经真空冷冻干燥 5–7 天,获得 SDPF 粉末,冷藏保存以备后续使用。
SDPF 的组分分析
制备固体样品时,取适量均质化材料转移至 2 mL 离心管中,加入 1 mL 水-70% 甲醇溶液和 3 mm 不锈钢珠,随后在自动研磨仪中处理 3 分钟,再涡旋振荡 10 分钟。液体样品用纯甲醇稀释后涡旋振荡 10 分钟。随后,所有样品在 4 °C 条件下以 12,000 × g 离心 10 分钟,所得上清液经 0.22 µm 滤膜过滤。仪器分析前,向滤液中加入 2-氯苯丙氨酸(内标,100 µg/mL),使其终浓度达到 1 mg/L。色谱分离在配备 C18 色谱柱(1.8 µm × 2.1 mm × 100 mm)的 LC-MS 系统上进行,柱温维持在 30 °C,流速为 0.3 mL/min。流动相由含 0.1% 甲酸的水溶液(A)和纯乙腈(B)组成。进样体积设定为 2 µL,自动进样器温度保持在 4 °C。质谱检测在正离子和负离子化模式下进行,条件如下:加热器温度 325 °C,鞘气 45 任意单位,辅助气 15 arb,吹扫气 1 arb,电喷雾电压 3.5 kV,毛细管温度 330 °C,S-透镜射频水平 55%。数据采集采用全扫描 MS 模式,m/z 范围为 100–1500,分辨率 120,000;MS/MS 碎裂采用数据依赖性采集模式(dd-MS2,TopN=5),分辨率 60,000,使用高能碰撞解离(HCD)进行。
动物实验
72只雄性Sprague-Dawley大鼠(6周龄,初始体重180–200 g;RRID: IMSR_JAX:000664)在SPF条件下饲养(24 ± 1 °C,12小时光照/黑暗循环),自由摄食和饮水。经过一周适应期后,根据体重将大鼠随机分为六组(n=12/组):(1)空白对照组(生理盐水),(2)便秘模型组(10 mg/kg盐酸洛哌丁胺),(3)低剂量(SDPF-L)、(4)中剂量(SDPF-M)和(5)高剂量(SDPF-H)SDPF组(分别为6、9和12 g/kg),以及(6)阳性对照组(2 mg/kg枸橼酸莫沙必利)。SDPF用蒸馏水新鲜配制成浓度为3、4.5和6 g/mL的混悬液,按2 mL/kg的固定体积经口灌胃给药,对应剂量分别为6、9和12 g/kg。盐酸洛哌丁胺用蒸馏水新鲜配制成5 mg/mL的混悬液,按2 mL/kg的固定体积经口灌胃给药(相当于10 mg/kg)。经过一周适应期后,除空白对照组外,其余组(2)–(6)每天经口灌胃给予盐酸洛哌丁胺一次,连续一周以建立便秘模型。空白对照组给予等体积的生理盐水。随后,在接下来的一周中,第(3)–(5)组大鼠每天经口灌胃给予SDPF治疗,阳性对照组(6)同时给予枸橼酸莫沙必利(2 mg/kg),而第(2)–(6)组继续每天给予盐酸洛哌丁胺(10 mg/kg)以维持便秘模型。空白对照组继续给予生理盐水。治疗期结束后,所有大鼠禁食过夜,可自由饮水。随后,通过腹腔注射戊巴比妥钠(40 mg/kg体重)对动物进行麻醉。在确认足底反射消失表明深度麻醉后,采用颈椎脱臼法处死大鼠。立即快速取下直肠组织。用于组织学和免疫组化分析的组织样本固定于4%多聚甲醛中;用于蛋白表达分析的组织样本则迅速在液氮中速冻,并于-80 °C保存直至使用。
首次排出黑色粪便
每组三只大鼠,记录其首次排出黑色粪便的时间。实验前,所有大鼠禁食12小时,但可自由饮水。随后,每只动物经口灌胃给予配制好的墨水悬浮液(5%活性炭和5%阿拉伯胶),剂量为10 mL/kg体重,并准确记录给药时间。灌胃后,将大鼠分别单独饲养于不同笼具中,可自由摄食和饮水。仔细观察并记录每只大鼠首次排出黑色粪便的时间,用于计算肠道传输时间。
粪便含水量
在成功建立模型并完成治疗后,收集各组大鼠(n = 6)在2小时内排出的新鲜粪便样本,置于预先称重的干燥EP管中,立即记录粪便的湿重。随后将样本转移至干燥烘箱中,在60 °C下脱水36小时。初始干燥阶段结束后,对样本进行称重并重新放回烘箱,每2小时重复称重一次,直至达到恒定重量(表明完全脱水)。然后根据以下公式计算粪便含水量百分比:
粪便含水量(%)= [(湿重 - 干重)/ 湿重] × 100%
肠道推进速率
在禁食12小时(自由饮水)后,每组大鼠(n = 6)经口胃给予含5%活性炭和5%阿拉伯胶的墨水混悬液(10 mL/kg)。给药25分钟后,通过腹腔注射5%水合氯醛麻醉动物。在取材前,用75%乙醇擦拭消毒腹部区域,随后将四肢固定于解剖板上。使用手术剪小心打开腹腔,分离自幽门至回盲部的肠段并取出。将离体肠管置于无菌滤纸上展平,并记录两个测量值:(1)小肠总长度;(2)墨水前沿推进的距离。然后根据以下公式计算肠道推进率:
肠道推进率(%)=(墨汁迁移距离 / 小肠总长度)× 100%
HE 染色
对照组、模型组、SDPF-M 组和 Mos 组(每组 n = 3)收集直肠组织标本,进行苏木精-伊红(HE)染色。标本经 4% 多聚甲醛固定,梯度乙醇脱水,包埋于石蜡中。制备厚度为 4–5 µm 的切片,贴附于载玻片后进行常规苏木精-伊红染色。染色程序首先使用二甲苯脱蜡,随后通过梯度递减的乙醇溶液进行复水。切片用苏木精染色 5–8 分钟以染细胞核,接着用 1% 酸性乙醇分化,0.2% 氨水返蓝,再用伊红对细胞质和细胞外基质复染 1–2 分钟。最后,染色切片经脱水、透明处理,并用盖玻片封片,用于显微镜下观察。该方法可对肠黏膜形态进行详细评估,包括绒毛和隐窝结构、上皮细胞状态以及固有层内炎性细胞浸润情况。
KEGG通路与GO富集分析
利用先前建立的SDPF化学成分谱,通过SwissTargetPrediction平台对各组分的潜在蛋白质靶点进行计算机预测。筛选出与便秘相关的潜在靶点,并使用DAVID 6.8数据库进行功能注释,显著性阈值设为P < 0.05。随后对获得的基因集合进行GO分类,以阐明其在生物过程、分子功能和细胞组分中的作用。为进一步揭示这些靶点在疾病发病机制中的参与情况,将其映射至KEGG通路,发现多个显著富集的信号通路,可能与便秘的发生和发展相关。
构建 "组分-靶点-通路" 网络
A "成分-靶点-通路" 使用 Cytoscape(版本 3.6.1)系统整合 SDPF 的化学成分、其对应便秘治疗靶点以及相关富集通路,构建了网络模型。在该图示模型中,采用不同的节点几何形状表示三类数据:圆形代表化合物,三角形代表靶点,矩形代表通路。节点间连接关系的强度通过边权重进行量化,从而整体呈现复杂的多层次药理相互作用。
分子对接
在分子对接分析中,选择四种生物活性化合物——环姜黄素(Cyclocurcumin)、芍药苷(Albiflorin)、绿原酸(Chlorogenic acid)和槲皮素(Quercetin)作为配体分子,其结构通过相应的CAS登记号从PubChem数据库下载获得。为准备蛋白受体,通过UniProt知识库确认靶标蛋白PI3K和AKT,并从RCSB蛋白数据库获取其三维结构。随后在Discovery Studio 2019中对蛋白和化合物结构进行处理,包括添加氢原子、分配电荷和定义原子类型;此外,还识别了受体上潜在的结合口袋。处理后的配体和受体被保存为PDBQT格式,用于对接模拟。对接过程采用以下参数设置:构象聚类半径为0.5,生成10个随机配体构象,进行10次优化取向。对接运行完成后,根据预测的结合自由能对候选复合物进行评估和排序。最终选择能量最有利的结合构象,并使用PyMOL进行可视化,以展示关键的分子间相互作用。
免疫组织化学
将来自对照组、模型组和SDPF-M治疗组的石蜡包埋直肠组织标本切成4 µm厚切片,首先去除石蜡并逐步水化。通过将切片置于pH 6.0的柠檬酸缓冲液中加热以暴露抗原位点。为淬灭内源性过氧化物酶,组织用3%过氧化氢溶液处理,随后用正常山羊血清孵育以减少非特异性抗体结合。切片随后在4 °C下与靶向磷酸化PI3K和AKT的一抗孵育过夜;平行切片以PBS孵育作为阴性对照。充分洗涤后,加入辣根过氧化物酶标记的二抗,并在显微镜观察下使用DAB显色剂显色以控制反应时间。最后,组织用苏木精轻度复染,经梯度酒精脱水、透明处理后封片。由两名对实验分组设盲的独立研究人员对p‑PI3K和p‑AKT的表达水平进行定性评估,并选取代表性图像展示各组间的差异。
蛋白质印迹(Western blotting)
将大鼠直肠组织样本用预冷的磷酸盐缓冲液冲洗两次,随后在冰上用适量 RIPA 裂解缓冲液匀浆 10 分钟。匀浆后,将混合物在 15,000 × g 离心,收集上清液用于分析。采用双辛可宁酸法进行蛋白质定量。随后,将样品与 SDS 上样缓冲液混合,并在 95 °C 孵育 5 分钟以实现变性。等量的蛋白质样品通过 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分离,然后电转移至孔径为 0.45 µm 的聚偏二氟乙烯膜上。转移完成后,将膜自然风干,再用含 5% 脱脂奶粉的 TBST 溶液在室温下封闭 1 小时。封闭后,用 TBST 洗涤膜,然后在 4 °C 与靶向 AQP3(RRID: AB_2837708)和 AQP8(RRID: AB_605941)的一抗抗体孵育过夜。次日,在用 TBST 进一步洗涤后,膜在室温下与相应的辣根过氧化物酶标记的二抗抗体孵育 1 小时。最后,使用成像系统检测并采集免疫反应性条带。
免疫荧光
免疫荧光染色实验在对照组、模型组及SDPF-M处理组大鼠的直肠组织切片上进行,具体步骤如下:组织经冷冻切片后,使用4%多聚甲醛固定,0.1% Triton X-100透化处理,并用适当的封闭缓冲液封闭以防止非特异性结合。随后,切片在4 °C条件下与AQP3和AQP8的一抗混合物共同孵育过夜;未结合的一抗经洗涤去除后,组织切片在避光条件下室温孵育1小时,加入二抗混合物——具体为与Alexa Fluor 594(红色)偶联的山羊抗兔IgG用于标记AQP3,以及与Alexa Fluor 488(绿色)偶联的山羊抗小鼠IgG用于标记AQP8。在完成二抗孵育并进行后续洗涤后,使用DAPI对细胞核进行复染,切片经水性封片剂封片后,采用荧光显微镜或共聚焦显微镜进行观察和图像采集。
粪便微生物群的16S rRNA测序
针对每个实验组(n = 8),使用商用土壤DNA提取试剂盒从大鼠粪便样本中提取细菌基因组DNA,所有操作均严格遵循供应商提供的操作说明。采用338F/806R引物对,在热循环仪上对16S rRNA基因的V3–V4高变区进行PCR扩增。根据制造商指南,使用Illumina MiSeq平台对扩增子进行测序,获得足够的测序深度以实现稀疏曲线饱和,确保微生物多样性分析的可靠性。测序完成后,使用Trimmomatic和FLASH对原始读段进行质量过滤、接头序列去除及序列拼接。随后,利用UPARSE软件在97%相似性阈值下将高质量序列聚类为操作分类单元(OTUs),并使用UCHIME识别和去除潜在的嵌合序列。使用RDP分类器基于SILVA参考数据库对代表性序列进行分类学注释,置信度阈值设为70%。为评估微生物群落内的α多样性,采用Mothur软件包(v.1.30.2)计算Chao1丰富度估计值和Shannon多样性指数。对于β多样性分析,进行主坐标分析以可视化各组之间的群落组成差异。构建维恩图以展示不同实验条件下特有和共有的OTUs分布情况。使用线性判别分析效应大小(LEfSe)方法鉴定不同组间丰度差异显著的分类单元。最后,利用PICRUSt2对微生物群落功能进行预测分析,该方法基于KEGG直系同源注释推断其功能潜力。
统计学
所有统计分析均使用 SPSS 23.0 和 GraphPad Prism 8.0 进行。数据以均值 ± 标准差(SD)表示。数据分布的正态性通过 Shapiro–Wilk 检验进行评估。对于两组之间的比较,正态分布数据采用独立样本 Student t 检验,非正态分布数据采用 Mann–Whitney U 检验。对于三组或更多组之间的比较,正态分布数据采用单因素方差分析(ANOVA)结合 Tukey 事后检验,非正态分布数据则采用 Kruskal–Wallis 检验结合 Dunn 事后检验。在微生物组分析中,使用线性判别分析效应大小(LEfSe)方法(默认阈值:LDA 分数 > 2.0)识别差异富集的分类群,并采用 Benjamini–Hochberg 错误发现率(FDR)方法进行多重检验校正。微生物组统计分析使用 Mothur(v.1.30.2)、LEfSe(在线工具,Huttenhower 实验室)和 PICRUSt2(v.2.5.0)完成。以 p 值小于 0.05 为具有统计学显著性。
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SDPF 的提取与冻干
SDPF 是一种复方草药制剂,由五种药用植物组成:Radix Paeoniae Alba(白芍)、Curcuma longa(姜黄)、Rhizoma cibotii(藤狗脊)、Siegesbeckia orientalis L.(豨莶草)和 Clematis chinensis Osbeck(威灵仙)(图 1A)。该混合物用水提取后冻干成粉末,用于后续分析(图 1B)。

图1
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慢性便秘是一种多因素障碍性疾病,涉及肠道菌群失调、神经肌肉功能受损以及肠道分泌异常之间的复杂相互作用。这些症状持续超过六个月,显著影响患者的生活质量19。便秘可分为多种亚型,包括慢传输型、正常传输型、排便障碍型和混合型20。尽管慢性便秘的确切发病机制尚未完全阐明,但通常认为是多种因素共同作用的结果,包括肠道菌群失调、胃肠道神经传导障碍、盆底肌功能障碍以及脑-肠轴异常21。目前西医治疗主要采用促动力药、泻药和灌肠剂22。然而,长期药物治疗可能带来不良反应,如结肠黑变病、电解质紊乱、胃部损伤以及药物耐受性增加,且常难以获得满意的疗效。本研究采用整合策略,结合化学成分分析、网络药理学、分子对接、实验验证及菌群分析,在洛哌丁胺诱导的便秘大鼠模型中探讨了生毒平木方的化学组成、治疗效果及其潜在作用机制。
随着社会的快速发展和生活水平的显著提高,人们对高效、安全且微创的治疗方案需求日益迫切。传统中医药因其安...
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作者声明无任何利益冲突。
经费支持:本研究由深圳市科技计划项目(资助编号:JCYJ20220531092203007)提供支持。
我们衷心感谢山东中医药大学的李群博士在建立大鼠便秘模型过程中提供的技术指导。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 自动研磨仪 | 用于样品研磨的高通量组织匀浆仪 | JXFSTPRP-48 | |
| 液相色谱-质谱系统 | Thermo Fisher Scientific | Q Exactive HF LC-MS系统 | 超高效液相色谱–质谱联用系统 |
| 质谱仪 | Thermo Fisher Scientific | Q Exactive HF | 高分辨率Orbitrap质谱仪 |
| C18色谱柱 | Agilent Technologies | Zorbax Eclipse Plus C18 (2.1 × 100 mm, 1.8 μm) | 用于化合物分离的反相色谱柱 |
| 成像扫描系统 | GE Healthcare | ImageQuant LAS 4000 | 凝胶与印迹成像系统 |
| PCR仪 | Applied Biosystems (Thermo Fisher Scientific) | GeneAmp PCR System 9700 | PCR扩增仪 |
| 土壤DNA提取试剂盒 | Omega Bio-Tek | D5625 | 用于粪便/土壤样品中微生物DNA提取的试剂盒 |
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