魏泓、陈廷涛:二代工程益生菌通过调控肠-胰岛-肝轴改善2型糖尿病

文摘   2024-10-26 17:56   中国  

魏泓、陈廷涛:二代工程益生菌通过调控肠-胰岛-肝轴改善2型糖尿病

近日,南昌大学陈廷涛教授团队在国际食品科技期刊Food & FunctionQ1/中科院1区,Top 期刊,IF2021=6.317)发表题为“Improvement effect of a next-generation probiotic L. plantarum-pMG36e-GLP-1 on type 2 diabetes mellitus via gut-pancreas-liver axis”的研究论文,胡鸿和罗洁为共同第一作者,陈廷涛教授和魏泓教授为共同通讯作者。

据世界卫生组织统计,糖尿病并发症高达100多种,是目前已知并发症最多的一种疾病。2型糖尿病(T2DM)是一种慢性代谢疾病,多在3540岁之后发病,占糖尿病患者90%以上,患者特征为高血糖、相对缺乏胰岛素、胰岛素抵抗等,需要终身药物治疗。虽然注射技术已经达到无针、无痛注射,但人们与生俱来就有对注射的恐惧感,导致对口服将抗药物需求剧增。

与胰岛素相比,GLP-1具有独特的生物学功能,其降糖功效可根据患者血糖水平变化而变化;此外,益生菌本身可对糖尿病有改善效果。基于此,研究者以植物乳杆菌(L. plantarum)为底盘菌,构建一株能够表达潜在糖尿病治疗药物GLP-1的工程益生菌L. plantarum-pMG36e-GLP-1,探索益生菌和GLP-1的共同降糖作用可行性。

研究者分别以高脂饮食联合链脲佐菌素(HFD-STZ)诱导的T2DM(糖尿病)小鼠和自发性T2DM小鼠(db/db)为动物模型,运用组织病理学技术、蛋白质免疫印记(Westernblotting)和微生物组学(16S高通量测序)等方法,探索了L. plantarum-pMG36e-GLP-1T2DM小鼠中发挥的抗糖作用及其潜在分子机制。

研究结果表明,L. plantarum-pMG36e-GLP-1可以显著降低T2DM小鼠的血糖,抑制体重增长,改善糖耐。同时,L. plantarum-pMG36e-GLP-1可下调胰腺组织炎症相关蛋白(TLR-4MyD88NFκB)的表达,并抑制促炎细胞因子(IL-1βIL-6TNFα)的表达,从而缓解胰腺炎症。而且,L. plantarum-pMG36e-GLP-1还可下调凋亡相关蛋白Bax/Bcl-2的比值且增加抗凋亡相关蛋白p-AKT/AKT的比值,促进胰岛组织形态修复和胰岛β细胞增殖,从而提高胰岛素的分泌。再者,L. plantarum-pMG36e-GLP-1通过上调脂肪氧化相关基因(PparαCpt-1Acox-1)的表达同时抑制脂肪合成相关基因(Screbp-1FasnAcaca)的表达进而调控肝脏脂肪脂质代谢。研究者还发现,L. plantarum-pMG36e-GLP-1显著提高了T2DM小鼠肠道菌群丰富度和多样性,并增加了益生菌AkkermansiaLactobacillus的丰度,减少了致病菌Bacteroides的丰度。

研究开展,为开发新型T2DM口服药物及其临床应用提供了参考依据。

图一 L. plantarum-pMG36e-GLP-1改善T2DM小鼠的糖尿病症状和胰腺炎症

The engineered strain L. plantarum-pMG36e-GLP-1 improves diabetic symptoms and pancreatic inflammation in HFD/STZ-induced T2DM mice. a. Scheme of animal experiment. b. The fasting blood glucose levels during treatment. c. Body weight. d. Blood glucose levels and AUC in GTT test. e. Western blotting results indicated that the expression levels of proinflammatory proteins including TLR-4 and the ratio of p-NFκB/NFκB in pancreas of the engineered strain treated mice were significantly reduced. f. Gene expression levels of IL-1β, IL-6 and TNF-α in pancreas of the engineered strain treated mice were obviously decreased. C: normal mice (n=12); M: T2DM mice (n=12); Lac group: L. plantarum treated T2DM mice (n=12); Lac-G group: L. plantarum-pMG36e-GLP-1 treated T2DM mice (n=12); P group: exenatide treated T2DM mice (n=12). Data are presented as mean ± SD. p < 0.05, ∗∗p < 0.01.

图二 L. plantarum-pMG36e-GLP-1促进T2DM小鼠胰岛修复

The engineered strain L. plantarum-pMG36e-GLP-1 repairs the pancreas of HFD/STZ-induced T2DM mice. a. Western blot-ting results indicated that the engineered strain markedly lowered the expression ratio of Bax/Bcl-2 and rised the ratio of p-AKT/AKT. b. The H&E staining of the pancreas. Pictures in the second line are the magnification of the red square above (Magnification ×100 and ×400, Scale bar = 200 μm and 50 μm). c. The immunofluorescence analysis of insulin in the pancre-as. Pictures in the fourth line are the magnification of the red square above (Magnification ×100 and ×400, Scale bar = 200 μm and 50 μm). C: normal mice (n=12); M: T2DM mice (n=12); Lac group: L. plantarumtreated T2DM mice (n=12); Lac-G group: L. plantarum-pMG36e-GLP-1 treated T2DM mice (n=12); P group: exenatide treated T2DM mice (n=12). Data are presented as mean ± SD. p < 0.05, ∗∗p < 0.01.

图三L. plantarum-pMG36e-GLP-1调控肝脏脂肪代谢

The regulation of L. plantarum-pMG36e-GLP-1 on the liver lipid metabolism in db/db mice. a. The Oil red staining of the liver. Pictures in the second line are the magnification of the red square above (Magnification×100 and ×400, Scale bar = 200 μm and 50 μm). b. The expression of fat oxidation-related gene Pparα, Cpt-1 and Acox-1. c. The expression of fat synthesis-related gene Srebp-1,Fasn andAcaca. C: wild-type mice (n=8); M: db/db mice (n=8); Lac group: L. plantarum treated db/db mice (n=8); Lac-G group: L. plantarum-pMG36e-GLP-1 treated db/db mice (n=8); P group: exenatide treated db/db mice (n=8). Data are presented as mean ± SD. p< 0.05, ∗∗p< 0.01.

图四 L. plantarum-pMG36e-GLP-1改善T2DM小鼠的肠道菌群

The engineered strainL. plantarum-pMG36e-GLP-1 restores the intestinal microbiota in HFD/STZ-induced T2DM mice. The engineered strain increased the Shannon (a) and Chao 1 (b) indices of gut microbiota. c. The total number of core operational taxonomic units (OTUs) shared and unique in a Venn diagram. d. PcoA analysis of different group’s samples. e. LEfSe cladogram. f. LEfSe analysis with linear discriminant analysis. g. Barplots of the relative abundance of gut bacteria at the genus level. C: normal mice (n=12); M: T2DM mice (n=12); Lac group: L. plantarum treated T2DM mice (n=12); Lac-G group: L. plantarum-pMG36e-GLP-1 treated T2DM mice (n=12); P group: exenatide treated T2DM mice (n=12). Data are presented as mean ± SD. p< 0.05, ∗∗p< 0.01.

原文链接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/fo/d3fo00044c/unauth



作者简介
魏泓,教授、博士生导师。中国实验动物学会无菌动物专业委员会主任委员。以无菌动物与遗传工程动物技术,解析微生物组与宿主基因组功能及其互作,建立国内最具影响力无菌动物平台,形成了模型动物与功能微生物组研究创新技术体系。开展基于无菌动物因果、筛选、评价的功能微生物组研究,为抑郁、精神分裂症、结肠癌、乳腺炎、重症肌无力、骨关节炎、肠道潘氏细胞溶菌酶释放、β细胞胰岛素释放、肺癌免疫生物治疗、睡眠等重要疾病或生理病理表型微生物组研究提供动物模型技术支持,有效支撑了国内医学、食品、畜牧等领域微生物组动物实验研究。建立了小型猪遗传工程技术体系,开展巴马香猪在疾病模型、生物材料、药物评价的应用研究。创制了基因敲除、定向敲入、单碱基突变等系列基因编辑小型猪新模型。创制血清白蛋白人源化转基因猪。利用ENU化学诱变技术创制了sox10kit基因突变耳聋猪等疾病家系。承担无菌动物及遗传工程猪模型973863、国家自然科学基金等课题。在Science等期刊发表SCI论文124篇,影响因子820.923。其中,以(共同)通讯作者在GutNature ImmunologyMolecular PsychiatryGastroenterologyBloodScience AdvancesCell ResearchAdvanced ScienceAnn Rheum DisMicrobiomeElife等期刊发表动物模型及其应用SCI论文87篇,累计影响因子427.61310分影响因子以上论著12篇、单篇最高影响因子20分。以第一完成人获全军优秀教学成果一等奖“医学实验动物学课程的创建与实践”、重庆市科技进步二等奖“医用小型猪标准化、应用关键技术及重要特性研究”等奖项。合作研发的“CTLA4-Ig基因转染猪皮”产品获SFDA医疗器械注册证书并上市销售,研制产品“羊胎素灵芝胶囊”获SFDA保健品批文。主编“医学实验动物学”为国家教育部首批推荐全国研究生教学用书、主编《医学动物实验技术》获国家科学技术学术著作出版基金资助。

陈廷涛,研究员/教授,博士生导师,江西省转化医学工程技术研究中心副主任。累计发表高水平学术论文155篇,授权专利30余件;以第一/通讯作者发表SCI论文108篇,其中IF21>5论文67篇、中科院TOP期刊35篇,工作被NatureNew England Journal of MedicineLancet等多家权威期刊正面评述或引用,被《中国肿瘤营养治疗指南2020》引用收录;担任Canadian Journal of Infectious Diseases & Medical Microbiology主编,Frontiers in Immunology/Frontiers in Microbiology副主编,及其他十余家国内外期刊编委、专刊主编。指导本科生获包括互联网+/铜奖在内的国家级奖项12项,省级奖项1项。

先后获得江西省双千计划(科技创新高端人才项目)、江西省杰出青年、江西省省级优势科技创新团队、江西省新世纪百千万人才、江西省主要学科学术和技术带头人、产学研合作创新奖(省部级,1/1)、发明创业奖-创新奖一等奖(省部级,1/6)等荣誉,担任国家基金委函评专家及8个省/市科技项目评审专家;生物工程药物及其技术国家地方联合工程研究中心、江西省国家科技创新平台培育平台生物工程药物技术创新中心微生物方向负责人。主持国家自然科学基金3项,省部级自然基金12项,横向课题24项,总经费逾2100万。

与青岛东海药业、美华生物、杭州远大、中科嘉亿、江西善行、上海医药、博雅生物等公司研发部门合作,共同致力于益生菌的基础研究与产业转化;近5年共给合作企业带来新增销售额10.25亿元,新增利润逾1.48亿元。




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David Julian McClements  
   
    
   

  


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