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研究文章

Lycopus lucidus 提取物通过肠道微生物群和代谢组重塑改善实验性多囊卵巢综合征

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DOI:

10.3791/71084

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2026年8月28日

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本文内容

摘要

泽兰提取物改善了脱氢表雄酮(DHEA)诱导的多囊卵巢综合征大鼠的内分泌和代谢表型。整合16S rRNA测序和血清代谢组学分析显示,肠道微生物α多样性部分恢复,微生物组成发生改变,且涉及类固醇激素、胆汁酸和短链脂肪酸的代谢物发生变化。

摘要

本研究探讨了泽兰提取物对多囊卵巢综合征(PCOS)的治疗作用,并评估其与肠道菌群-代谢组重塑的关联。将24只雌性Sprague-Dawley大鼠随机分为对照组、脱氢表雄酮(DHEA)诱导的PCOS模型组和泽兰治疗组(每组n = 8)。经过28天干预后,采用ELISA法测定血清激素水平;通过16S rRNA基因测序分析肠道菌群组成,并利用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱(UHPLC-Q-TOF-MS)表征血清代谢谱。采用Spearman相关性分析结合多重检验校正,探索菌群与代谢物之间的关联。与模型组相比,泽兰显著改善了PCOS相关表型,降低体重、睾酮水平(0.92 vs. 1.85 ng/mL,P < 0.05)、LH/FSH比值及胰岛素水平。测序结果显示,泽兰部分恢复了微生物α多样性(Shannon指数:5.79 vs. 4.19),并降低了厚壁菌门与拟杆菌门的比例。泽兰处理与乳杆菌属(Lactobacillus)和瘤胃球菌属(Ruminococcus)的富集相关,而拟杆菌属(Bacteroides)、普雷沃菌属(Prevotella)和埃希氏菌属(Escherichia)的丰度则降低。代谢组学共鉴定出52种差异代谢物特征,关键变化涉及类固醇激素、胆汁酸(如石胆酸)以及短链脂肪酸(如丁酸)。这些结果表明,泽兰可改善PCOS相关的内分泌和代谢紊乱,并与肠道微生物群和血清代谢谱的重塑相关。

引言

多囊卵巢综合征(PCOS)是育龄女性中最常见的内分泌疾病之一,其全球患病率估计在6%至20%之间,具体数值取决于所采用的诊断标准1。这种复杂的代谢性和生殖系统疾病具有一系列临床表现,包括高雄激素血症、排卵功能障碍以及多囊卵巢形态,这些共同导致显著的生殖、代谢和心理影响2。除了对生育能力的直接影响外,PCOS 越来越多地被视为一种全身性疾病,与多种长期健康并发症相关,包括2型糖尿病、心血管疾病和子宫内膜癌,从而给患者个体及全球医疗系统带来沉重负担3。PCOS 的发病机制尚未完全阐明,但普遍认为其涉及遗传易感性、环境因素和生活方式决定因素之间的复杂相互作用,最终导致患者出现典型的激素和代谢紊乱4。

目前多囊卵巢综合征(PCOS)的治疗策略主要通过药物干预进行对症治疗,包括使用口服避孕药调节月经周期、二甲双胍改善胰岛素敏感性,以及抗雄激素药物控制多毛症5。然而,这些常规治疗方法往往无法完全缓解症状,且常伴随不良反应,限制了其长期应用,尤其是在有生育需求的女性中6。因此,人们日益关注补充与替代医学方法,特别是传统中医(TCM),其在通过整体调节机制治疗妇科疾病方面已积累了数百年的实践经验7。在众多用于PCOS管理的植物药中,Lycopus lucidus Turcz.(中医常称为泽兰)因其在促进血液循环、消解瘀滞和调节月经方面的传统应用而受到广泛关注8。已发表的植物化学研究表明,L. lucidus 含有多酚和富含黄酮类的组分,具有抗氧化和抗炎活性8,9。因此,本研究采用标准化的总黄酮含量作为提取物的化学质量控制指标,尽管未来仍需通过靶向植物化学分析来鉴定具体负责肠道菌群和代谢调节的活性单体成分。

肠道微生物群已被确认为宿主代谢和内分泌功能的关键调节因子,越来越多的证据支持其参与包括多囊卵巢综合征(PCOS)在内的多种代谢性疾病的发病机制10。已有研究提出“肠-卵巢轴”的概念,用以描述肠道微生物与卵巢功能之间通过微生物代谢产物、免疫信号及神经内分泌通路介导的双向交流11。研究表明,PCOS女性 consistently 存在肠道菌群失调,其特征表现为微生物多样性降低、厚壁菌门与拟杆菌门比例异常,以及乳杆菌属(Lactobacillus)和双歧杆菌属(Bifidobacterium)等有益菌丰度减少12。这些微生物的紊乱被认为通过多种机制参与PCOS的病理生理过程,包括肠屏障通透性增加、全身性低度炎症,以及胆汁酸和短链脂肪酸(SCFA)代谢的改变,进而影响胰岛素敏感性和雄激素的生物合成13。重要的是,针对肠道微生物群的干预措施,如益生菌、益生元和饮食调整,在改善PCOS症状方面已显示出良好效果,进一步支持将肠-卵巢轴作为PCOS治疗的重要靶点14。

代谢组学是对生物系统中小分子代谢物进行全面分析的方法,为表征与疾病状态相关的代谢紊乱以及评估治疗干预的生化效应提供了强有力的手段15。将用于微生物组分析的16S rRNA基因测序与非靶向代谢组学相结合,可系统性地研究肠道微生物群落与宿主代谢之间的关系,有助于揭示在疾病发生发展及治疗反应过程中可能伴随的菌群-代谢组相互作用。尽管从理论上讲,靶向肠-卵巢轴是多囊卵巢综合征(PCOS)管理的合理策略,且泽兰(ZeLan)在传统医学中具有治疗妇科疾病的适应证,但迄今为止尚无研究系统探讨泽兰提取物是否能够调节PCOS中的肠道菌群-代谢组界面。这一知识空白限制了我们对泽兰相关生物学响应的理解,也阻碍了该植物制剂在PCOS治疗中的合理优化。

本研究旨在探讨泽兰提取物在脱氢表雄酮(DHEA)诱导的多囊卵巢综合征(PCOS)大鼠模型中的治疗效果,并通过整合16S rRNA测序和非靶向代谢组学分析,评估其相关的肠道微生物群-代谢组变化。具体而言,我们评估了泽兰提取物对PCOS相关表型的影响,包括体重、血清睾酮水平、黄体生成素与卵泡刺激素(LH/FSH)比值及胰岛素水平;分析了泽兰干预后肠道微生物群组成及α多样性的改变;鉴定了与泽兰干预相关的差异性血清代谢物特征及富集的代谢通路;并探索了特定肠道微生物分类群与关键代谢物之间的相关性。通过实现上述目标,我们力图为泽兰在PCOS中对肠-卵巢轴的调节作用提供多组学关联证据。

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方案

本研究中的所有实验操作均遵循美国国立卫生研究院《实验动物护理与使用指南》的规定,并经机构动物护理与使用委员会批准(批准号:IACUC-2023-0156)。

动物

雌性Sprague-Dawley大鼠(n = 24,6周龄,体重180–200 g)购自所属机构的实验动物中心,在受控环境条件下饲养(温度22 ± 2°C,湿度50 ± 10%,12小时光照/黑暗循环),可自由摄取标准啮齿类动物饲料和纯化水。经过一周的适应期后,将动物随机分为三个实验组(每组n = 8):对照组、PCOS模型组和ZeLan治疗组。样本量基于既往研究中对PCOS模型肠道微生物群变化的分析确定,功效分析表明,在α = 0.05水平下,每组8只动物可提供80%的统计功效以检测α多样性指数1.5倍的差异。

多囊卵巢综合征模型建立与治疗方案

采用经充分验证的方案建立多囊卵巢综合征(PCOS)模型,即每日在背部颈部皮下注射溶解于芝麻油中的脱氢表雄酮(DHEA;Sigma-Aldrich,USA),剂量为6 mg/100 g体重,连续给药21天。对照组动物给予等体积的芝麻油溶剂。完整实验周期包括7天适应期、21天造模期和28天干预期,终点样本采集时间为第56天(含适应期)(图1)。ZeLan提取物由经鉴定的泽兰(Lycopus lucidus Turcz.)药材经水提法制备,并通过高效液相色谱法标定其总黄酮含量不低于2.5%,作为该植物提取物的化学质量控制标准。在DHEA诱导的模型建立完成后,ZeLan组大鼠每日接受200 mg/kg体重剂量的ZeLan提取物灌胃,连续28天;对照组和模型组则给予等体积蒸馏水。选择200 mg/kg剂量是基于既往植物提取物在动物实验中的使用经验及初步耐受性考虑而设定的探索性药理剂量;本研究设计未包含正式的剂量-效应评估。在整个实验期间每周记录体重。在本实验设计中,PCOS模型是否成功建立是依据DHEA诱导方案结合终点时的内分泌与代谢表型进行评估,包括体重、血清睾酮水平、黄体生成素/卵泡刺激素(LH/FSH)比值以及空腹胰岛素水平。卵巢组织病理学检查、卵泡计数、黄体定量及连续动情周期监测未被纳入模型确认的终点指标,因此对卵巢功能障碍的判断基于内分泌和代谢指标,而非直接的组织水平评估。

样品采集与处理

从所有三组(每组 n = 8)采集样本(血清和粪便),用于后续的生化、菌群和代谢组学分析。终点样本在隔夜禁食后的早晨采集,以减少昼夜节律和进食相关变异。在麻醉条件下从腹主动脉采集血液样本,并在 4°C 下以 3,000 × g 离心 15 分钟获得血清,分装后储存于 -80°C,直至进行激素和代谢组学分析。新鲜粪便样本在无菌条件下直接从盲肠采集至无菌冻存管中,转移期间置于干冰上,采集后 10 分钟内用液氮速冻,并储存于 -80°C,直至进行 16S rRNA 基因测序。

血清激素检测

采用市售的酶联免疫吸附测定(ELISA)试剂盒(Cusabio Biotech,中国武汉)按照制造商说明书检测血清中睾酮、黄体生成素(LH)、卵泡刺激素(FSH)和胰岛素的浓度。将LH/FSH比值计算为反映PCOS特征性促性腺激素失衡的综合指标。所有样本均进行双份检测,双份测定变异系数大于15%的结果予以重复检测。要求批内和批间变异系数分别低于10%和15%。根据原始记录和检测性能信息对潜在离群值进行筛查,任何数值均不得仅基于统计学原因而被剔除,除非有明确的技术问题记录。

16S rRNA基因测序与生物信息学分析

使用QIAamp DNA Stool Mini Kit(Qiagen,德国)按照制造商提供的方案从盲肠内容物中提取总细菌基因组DNA。采用NanoDrop分光光度法和琼脂糖凝胶电泳检测DNA的质量和浓度,DNA提取物在构建文库前于-80°C保存。使用带有Illumina接头序列的通用引物338F(5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3')和806R(5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3')扩增16S rRNA基因的V3-V4高变区。构建扩增子文库后进行纯化、定量,等摩尔混合,并在Illumina NovaSeq 6000平台(诺禾致源,中国北京)上使用双端250 bp读长进行测序。

使用 QIIME2(版本 2022.2)流程对原始测序读长进行处理。双端测序读长经过解复用、合并,并以 Phred 质量分数阈值不低于 20 的标准进行质量过滤,随后使用 DADA2 去除嵌合序列并生成扩增子序列变体(ASV)。采用朴素贝叶斯分类器,基于 SILVA 138 参考数据库进行分类学注释。计算包括香农指数、辛普森指数和 Chao1 估计值在内的 α 多样性指标,以评估样本内的多样性与丰富度。测序深度相关输出结果,包括读长统计摘要、ASV 丰度表、Good's 覆盖率及稀疏化曲线文件,均作为数据可用性部分所述微生物组数据集的组成部分。采用线性判别分析效应大小(LEfSe)方法,在对照组与模型组比较中识别与疾病相关的分类群,设定 LDA 得分阈值大于 2.0 且 P < 0.05;泽兰相关逆转效应通过比较泽兰组相对于模型组的分类群丰度变化方向进行评估。

非靶向代谢组学分析

采用超高效液相色谱串联四极杆飞行时间质谱法(UHPLC-Q-TOF-MS;Agilent 1290 Infinity II/6550,USA)进行血清代谢组学分析。取血清样品(100 μL)加入400 μL含内标的预冷甲醇:乙腈(1:1,v/v)溶液,涡旋混匀后于-20°C孵育1小时以沉淀蛋白质。随后在14,000 × g条件下离心15分钟,取上清液在氮气流下吹干,并用100 μL乙腈:水(1:1,v/v)复溶后用于分析。色谱分离在ACQUITY UPLC HSS T3色谱柱(2.1 × 100 mm,1.8 μm)上完成,柱温维持在40°C,流动相A为含0.1%甲酸的水,流动相B为含0.1%甲酸的乙腈,流速为0.30 mL/min。采用梯度洗脱程序,有机相从5%升至95%,随后进行色谱柱清洗和重新平衡,以实现代谢物的分离。质谱数据在正离子和负离子电喷雾电离模式下采集,扫描范围为m/z 50–1200;源参数包括毛细管电压3.5 kV、干燥气流速10 L/min、干燥气温度325°C、雾化器压力35 psi以及碎裂电压120 V。

原始数据文件被转换为 mzXML 格式,并使用 R 中的 XCMS 软件包进行峰检测、保留时间对齐和峰面积积分。通过将所有血清提取物等量混合制备质量控制样本,并将其插入整个分析序列中,以监测仪器稳定性。在统计建模前,去除缺失值过多或质量控制重复性不稳定的特征。代谢物鉴定通过将精确质量、保留时间及串联质谱(MS/MS)碎裂模式与人类代谢组数据库(HMDB)、METLIN 以及内部谱图库进行比对完成。多变量统计分析使用 MetaboAnalyst 5.0 进行。用于下游报告的代谢物特征根据多变量判别贡献度、变化倍数方向及统计证据的综合标准进行优先排序;P 值采用 Benjamini-Hochberg 方法进行多重检验校正。包含 52 个代谢物特征的完整注释报告表格作为 补充表 1 提供。通路富集分析使用京都基因与基因组百科全书(KEGG)数据库进行。

统计学分析

所有统计分析均使用 SPSS 26.0 版(IBM Corporation, Armonk, NY, USA)和 R 软件(4.2.1 版)进行。连续性数据以均值 ± 标准差(SD)表示,并在推论性检验前采用 Shapiro-Wilk 检验评估正态性。对于符合正态分布的数据,采用单因素方差分析(ANOVA)并结合 Tukey 事后检验进行多组间比较;对于非正态分布的数据,则采用 Kruskal-Wallis 检验结合 Dunn 事后检验。肠道微生物分类群与血清代谢物之间的相关性通过 Spearman 秩相关系数进行评估,并以层次聚类热图形式可视化。相关性 P 值采用 Benjamini-Hochberg 错误发现率法对多重检验进行校正,仅解释方向一致且具有统计学显著性的相关性。双侧 P 值 < 0.05 被认为具有统计学显著性,除非另有指定校正后的 P 值阈值。

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结果

泽兰提取物对多囊卵巢综合征临床表型的影响

给予DHEA可诱导大鼠出现类似多囊卵巢综合征(PCOS)的内分泌与代谢表型,表现为与对照组相比,体重、血清睾酮浓度、黄体生成素/卵泡刺激素(LH/FSH)比值及空腹胰岛素水平均显著升高(均P < 0.05)。采用Shapiro-Wilk检验进行分布评估,支持对表1中总结的主要体重和激素终点指标进行参数化分析。给予ZeLan提取物治疗28天后,这些代谢和激素紊乱得到显著改善。体重记录于实验第56天(包含7天适应期)治疗结束时。如表1所示,模型组大鼠体重(291.12 ± 15.35 g)显著高于对照组(227.45 ± 10.12 g,P < 0.05),而ZeLan治疗显著将体重降低至245.25 ± 10.21 g(与模型组相比,P < 0.05)。PCOS模型大鼠血清睾酮水平(1.85 ± 0.21 ng/mL)较对照组(0.51 ± 0.05 ng/mL)明显升高,而ZeLan干预使睾酮水平降至0.92 ± 0.12...

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讨论

本研究提供了证据,表明泽兰提取物可改善脱氢表雄酮(DHEA)诱导的大鼠多囊卵巢综合征(PCOS)相关内分泌及代谢表型,且这些效应与肠道菌群组成和血清代谢谱的有益改变相关。整合的多组学方法显示,泽兰治疗可改善高雄激素血症、升高的黄体生成素/卵泡刺激素(LH/FSH)比值以及胰岛素抵抗,同时部分恢复肠道菌群的α多样性,重新平衡菌群组成,并使多个参与PCOS发病机制的代谢通路恢复正常。这些发现拓展了目前对中药植物药物生物学反应的认识,并支持进一步探索肠-卵巢轴作为PCOS干预潜在靶点的可能性。

泽兰治疗后血清睾酮水平及LH/FSH比值的降低,与既往研究结果一致,这些研究证实了含有黄酮类和酚类化合物的植物提取物具有抗雄激素特性16。一项关于中药治疗多囊卵巢综合征(PCOS)的临床研究的系统综述,已总结了多种植物干预措施在内分泌和代谢改善方面的效果17。泽兰调节雄激素生物合成的机制可能涉及对卵巢类固醇生成通路的直接作用、全身性的抗炎和胰岛素增敏效应,或与肠道微生物代谢产物相关的间接作用,而当前实验...

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披露

作者声明无任何利益冲突。

致谢

本研究由河北省中医药管理局科研计划项目 (项目编号:2021316)资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
乙腈Fisher Chemical / Thermo Fisher ScientificA955-4Optima LC-MS 级,4 L;用于流动相和样品复溶
ACQUITY UPLC HSS T3 色谱柱Waters Corporation186003539100 Å,1.8 μm,2.1 × 100 mm;用于超高效液相色谱分离
琼脂糖凝胶电泳系统Bio-Rad Laboratories1704486Mini-Sub Cell GT 水平电泳系统;用于DNA质量评估
Agilent 1290 Infinity II/6550 UHPLC-Q-TOF-MSAgilent TechnologiesG7120A/G7167B/G7116B/G6550B1290 Infinity II 超高效液相色谱模块与 6550 iFunnel Q-TOF 质谱联用;用于血清非靶向代谢组学分析平台
DADA2 算法BioconductorVersion 1.24.0用于扩增子序列变体(ASV)生成和嵌合体去除;版本推断为匹配 R 4.2.1/Bioconductor 3.15 工作流程
脱氢表雄酮(DHEA)Sigma-Aldrich / MilliporeSigmaD4000用于多囊卵巢综合征(PCOS)模型诱导;6 mg/100 g 体重;CAS 53-43-0
蒸馏水Invitrogen / Thermo Fisher Scientific10977015UltraPure 无 DNase/RNase 蒸馏水;用于对照组和模型组的灌胃给药溶剂
甲酸Fisher Chemical / Thermo Fisher ScientificA117-50Optima LC-MS 级,50 mL;液相-质谱流动相中添加 0.1%
人类代谢组数据库阿尔伯塔大学 / HMDBHMDB 5.0代谢物注释数据库
Illumina NovaSeq 6000 平台Illumina20012850测序服务提供商用于双端 250 bp 16S rRNA 测序的测序系统
泽兰(Lycopus lucidus Turcz.)药材北京同仁堂中药有限公司批次 ZL-20230315经鉴定的植物原料,用于制备泽兰水提物
甲醇Fisher Chemical / Thermo Fisher ScientificA456-4Optima LC-MS 级,4 L;用于血清代谢组学中的蛋白质沉淀
METLIN 数据库Scripps 研究所METLIN Classic 2023代谢物质谱注释数据库
NanoDrop 分光光度计Thermo Fisher ScientificND-ONE-WNanoDrop One 微量紫外-可见分光光度计;用于DNA浓度和纯度评估
QIAamp Fast DNA Stool Mini KitQiagen51604用于盲肠内容物DNA提取;50次装粪便DNA提取试剂盒
QIIME2QIIME2 开发团队Version 2022.216S rRNA 序列处理
R 软件R 基金会Version 4.2.1统计分析和 XCMS 数据处理
血清睾酮、LH、FSH 和胰岛素 ELISA 试剂盒Cusabio BiotechCSB-E05100r; CSB-E12654r; CSB-E06869r; CSB-E05070r大鼠血清睾酮、LH、FSH 和胰岛素 ELISA 试剂盒,用于激素和胰岛素定量检测
芝麻油Sigma-Aldrich / MilliporeSigmaS3547用于DHEA注射的溶剂
戊巴比妥钠Sigma-Aldrich / MilliporeSigmaP3761麻醉剂;腹腔注射 50 mg/kg
SPSS 软件IBM CorporationVersion 26.0统计分析
通用 16S rRNA 引物 338F/806R上海生工生物工程有限公司定制合成:338F/806R扩增 V3-V4 区域;338F ACTCCTACGGGAGGCAGCAG,806R GGACTACHVGGGTWTCTAAT
XCMS 软件包Bioconductor / RVersion 3.18.0峰检测、保留时间对齐和积分
泽兰提取物实验室自制水提物批次 ZLE-20230402用于灌胃治疗;标准化总黄酮含量 ≥2.5%

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