Effect of Guizhou red sour soup on lipid metabolism in rats fed a high-fat diet
中国居民日常生活中高热量食物的摄入比例日益增加,由此导致的超重、肥胖及Ⅱ型糖尿病等慢性代谢性疾病已成为社会重点关注的公共卫生问题[1]。肝脏作为机体中能量代谢的主要器官,在慢性代谢性疾病的进展过程中起重要作用[2]。高月等[3-6]研究表明,长期高脂饮食会使肝脏脂质代谢紊乱,导致肝脏中白细胞分化抗原(分化群)36(cluster of differentiation 36,CD36)与脂肪酸转运蛋白4(fatty acid translocase protein 4,FATP4)表达增加,对脂肪酸的摄取和转运能力异常增加,且高脂饮食还会抑制肝脏过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferator-activated receptor α,PPARα),导致降低其下游肉碱棕榈酰转移酶1(carnitine palmitoyl transferase 1,CPT1)的表达,从而降低肝细胞中脂肪酸的β氧化,肝脏中脂质蓄积,最终导致炎症、胰岛素抵抗和Ⅱ型糖尿病等。因此,需要寻找有效的方式预防高脂饮食所致疾病的发生发展。
近年来,发酵食品因其潜在的健康益处而备受关注[7]。熊昌云等[8]研究发现,普洱茶(发酵茶)能提高肥胖大鼠抗氧化能力,促进脂肪细胞的脂解,减少细胞内甘油三酯(triglyceride,TG)含量,起到降脂减肥的作用。CAVALLINI D C等[9]研究发现,长期摄入利用益生菌和异黄酮发酵的豆制品能有效调节肝脏脂类代谢并改善高胆固醇血症患者血清血脂水平,并提高机体抗氧化能力;葛艳艳等[10]研究发现,发酵酸奶能有效改善高血脂症大鼠血脂紊乱。贵州红酸汤是贵州少数民族地区的一种传统发酵食品,它是以红辣椒、西红柿、生姜和木姜子等为主要原料经过两次发酵制成的发酵蔬菜类调味品。贵州红酸汤不仅营养价值丰富,还具有去腥、调味、解油腻、健脾开胃等功能,此外,它含有辣椒素、番茄红素、多酚、黄酮等多种生理活性物质,具备抗氧化、调节血脂和免疫等功效[11]。目前贵州红酸汤的研究主要集中于发酵工艺、功能学成分的提取以及微生物分区等方面[12],关于贵州红酸汤改善高脂饮食脂质代谢的影响机制研究较少,限制了人们对贵州特色食品红酸汤的认识及开发利用。
因此,本研究为探究贵州红酸汤对高脂饮食大鼠脂质代谢的影响及其机制,采用无特定病原体(specific pathogen free,SPF)级SD雄性大鼠作为实验对象,随机分为普通饮食组、高脂饮食组、贵州红酸汤干预组,持续干预12周后,称取大鼠体质量及肝脏质量,计算体质指数(body mass index,BMI)和肝脏指数(liver index,LI),检测血清脂质水平,观察肝脏组织病理学变化情况,测定肝脏中白细胞分化抗原36(CD36)、脂肪酸转运蛋白4(FATP4)、过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)、肉碱棕榈酰转移酶1(CPT1)的表达量。旨在探究贵州红酸汤如何调节高脂饮食大鼠体内的脂质代谢,为挖掘和推广贵州省民族特色食品红酸汤的健康效益提供科学参考和理论依据。
1.1.1 材料
贵州红酸汤:贵州玉梦食品(集团)有限公司。
实验动物:本研究动物实验在贵州医科大学实验动物中心进行,并且该实验方案已经通过了贵州医科大学实验动物伦理审查委员会的审核,伦理审批编号为NO.2100228。由贵州医科大学实验动物中心提供24只无特定病原体(SPF)级SD雄性大鼠,年龄6周龄,体质量在(160±20)g之间,其许可证编号SCXK(辽)2020-0001。
动物饲养饲料:贵州医科大学动物实验中心提供,该饲料符合国标GB 14924.2—2001《实验动物配合饲料卫生标准》,其组成包括小麦麸、小麦粉、添加各种维生素、氨基酸、啤酒酵母、燕麦皮、微量元素等。根据《保健品功能学评价程序和检验方法》中规定的配方制作高脂饲料:胆盐0.2%、胆固醇1%、猪油10%、蛋黄粉10%、基础饲料78.8%。
1.1.2 试剂
苏木精染料、伊红染料:上海麦克林生物有限公司;CD36、FATP4、PPARα、CPT1、β-肌动蛋白(β-actin)抗体:武汉三鹰生物技术有限公司;二喹啉甲酸(bicinchoninic acid,BCA)蛋白浓度测定试剂盒、十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)凝胶制备试剂盒:北京索莱宝科技有限公司。
TDL-5000bR台式离心机:上海安亭科学仪器厂;HDF2600自动生化分析仪:济南汉方医疗器械有限公司;Multiskan GO酶标仪、HPX-9162MBE恒温孵育箱:美国Thermo Scientific公司;Universal Hood2凝胶成像分析系统:美国Bio-Rad公司;FA1204C电子天平:上海精科天美仪器有限公司。
1.3.1 动物分组及处理
24只大鼠适应性饲喂普通饲料1周后,根据体质量进行分层后,采用随机数字表将其分成3组(每组8只)。①普通饮食组(ND,普通饲料+每日灌胃等容积蒸馏水);②高脂饮食组(HFD,高脂饲料+每日灌胃等容积蒸馏水);③贵州红酸汤干预组(HFDS,高脂饲料+每日灌胃贵州红酸汤8 g/kg体质量)。以上各组大鼠均在同一环境下喂养,实验环境为:温度25 ℃,相对湿度50%~70%,12 h光/暗循环。采用灌胃法进行干预,于每日下午3点对大鼠进行连续12周的干预。在每次灌胃前,对大鼠的体质量进行测量,并记录其摄食量。根据前期对贵州红酸汤摄入量的调查,其每日摄入量为100 mL/次,质量浓度为0.1 g/mL,则每次摄入红酸汤的量为100 mL×0.1 g/mL=10 g。参照200 g大鼠和人的等效剂量0.16进行换算,则200 g大鼠用量为10 g×0.16=1.6 g,因此确定实验大鼠贵州红酸汤的干预剂量为8 g/kg体质量[11]。
1.3.2 实验动物解剖和取材
在干预周期结束,即第12周末,每组大鼠均进行12 h的禁食处理。随后对大鼠进行称质量,并通过腹腔注射给予1%的戊巴比妥钠(剂量为0.5 mL/100 g体质量)麻醉,测定其体长。置大鼠于解剖台上,保持仰卧并加以固定。解剖以暴露心脏,从心尖处采血,置于非抗凝剂生管中。在室温下静置20min后,在4℃条件下以3000r/min的速度离心15 min,分离出上清液,分装并存放在-80 ℃的环境中,以备后续血脂水平的测定。将大鼠肝脏组织分离并称质量,部分肝脏用10%多聚甲醛固定液进行固定,进行肝脏组织病理学检测。其余肝组织于-80 ℃下保存,进行脂质代谢相关蛋白表达量检测。
1.3.3 体质指数肝脏指数的计算公式
1.3.4 血脂测定
采用全自动生化分析仪器对大鼠血清中的甘油三酯(triglyceride,TG)、总胆固醇(total cholesterol,TC)、低密度脂蛋白胆固醇(low density lipoprotein-cholesterol,LDL-C)和高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoprotein cholesterol,HDL-C)水平进行检测。
1.3.5 肝脏组织病理学观察
将肝脏组织置于10%的多聚甲醛溶液中。一部分肝脏组织经过脱水、包埋、切片后,使用苏木精-伊红进行染色,并再次脱水,然后在显微镜下进行观察并记录结果。另一部分肝脏组织则经过脱水、透明、冷冻固定、切片、复水、苏木素染色、分化、反蓝处理,最后用0.5%的伊红染色并脱水,同样在显微镜下进行观察和记录。
1.3.6 蛋白免疫印记
采用含有蛋白酶抑制剂的放射免疫沉淀法(radio immunoprecipitation assay,RIPA)裂解缓冲液对肝脏组织进行裂解,4 ℃、12 000 r/min条件下离心4 min,取上清液。用BCA蛋白检测试剂盒测定样品蛋白浓度,然后用蛋白免疫印记法对肝脏组织CD36、FATP4、PPARα、CPT1、β-肌动蛋白的表达进行检测,在显影完成后,利用Image J 1.8.0软件测定条带的灰度值。以β-肌动蛋白作为内参蛋白,计算目标蛋白的相对表达量。
1.3.7 统计学分析
本研究的数据统计分析使用SPSS 23.0软件,而图片制作则采用Origin 2022软件。数据若呈正态分布,则用“平均值±标准差”的形式表达。两组数据比较采用t检验,多组数据比较则通过单因素方差分析(analysis of variance,ANOVA)。若ANOVA结果显示其有统计学差异,则进一步采用最小显著性差异法(least significant difference,LSD)进行组间多重比较。检验水准α=0.05。
贵州红酸汤对大鼠体质量和摄食量的影响见图1。由图1可知,实验开始时各组大鼠的体质量无显著差异(P>0.05);经12周的喂养后,HFD组大鼠体质量[(573.44±34.37)g]高于ND组大鼠体质量[(486.14±33.13)g],经贵州红酸汤干预以后,HFDS组大鼠体质量[(510.29±33.10)g]显著低于HFD组大鼠体质量[(573.44±34.37)g](P<0.05),表明贵州红酸汤的干预能减少高脂饮食大鼠的体质量增加,并且在实验过程中,三组大鼠平均每日摄食量无显著差异(P>0.05),因此,可排除饲料摄入量对实验干预带来的影响。
图1 贵州红酸汤对大鼠体质量和摄食量的影响
Fig.1 Effect of Guizhou red sour soup on body mass and food intake of rats
“*”表示与ND组比较差异显著(P<0.05);“#”表示与HFD组比较差异显著(P<0.05)。下同。
贵州红酸汤对大鼠体质指数和肝脏指数的影响见图2。由图2可知,经12周的喂养后,HFD组大鼠的体质指数和肝脏指数均显著高于ND和HFDS组大鼠(P<0.05),进一步表明了通过贵州红酸汤的干预,能够有效改善高脂饮食大鼠的脂肪积累,从而降低其肥胖程度。
图2 贵州红酸汤对大鼠体质量指数和肝脏指数的影响
Fig.2 Effect of Guizhou red sour soup on body mass indexes and liver indexex of rats
贵州红酸汤对大鼠血脂代谢的影响见图3。由图3可知,HFD组大鼠血清TG、TC和LDL-C水平均显著高于ND组大鼠(P<0.05),HDL-C水平显著低于ND组大鼠(P<0.05),表明高脂饮食导致大鼠血脂代谢发生紊乱。贵州红酸汤干预后,HFDS组大鼠TG、TC和LDL-C水平均显著低于HFD组大鼠(P<0.05),HDL-C水平显著高于HFD组大鼠(P<0.05),表明贵州红酸汤对高脂饮食所致大鼠血脂代谢紊乱有调节作用。
图3 贵州红酸汤对大鼠血脂代谢的影响
Fig.3 Effect of Guizhou red sour soup on blood lipid metabolism of rats
贵州红酸汤对大鼠肝脏脂质沉积的影响见图4。由图4可知,肝脏组织的HE染色可见ND组大鼠肝细胞圆润、饱满,排列规则、整齐。在HFD组大鼠的肝脏中,观察到细胞质内充满了众多圆形的空泡,肝细胞发生脂肪变性。HFDS组大鼠的肝脏细胞质中微小圆形空泡的出现频率较低。通过油红O染色,可见HFD组大鼠肝脏含有大量红色脂滴,而在ND和HFDS组大鼠的肝脏中,红色脂滴的数量则相对较少。根据油红O染色与HE染色的结果,表明贵州红酸汤的干预可以有效改善高脂饮食大鼠肝脏的脂质沉积。
图4 贵州红酸汤对大鼠肝脏脂质沉积的影响
Fig.4 Effect of Guizhou red sour soup on hepatic lipid deposition of rats
H&E染色切片:A.ND、B.HFD、C.HFDS;油红O染色切片:D.ND、E.HFD、F.HFDS。(H&E×40;油红O×40)
贵州红酸汤对大鼠肝脏FATP4和CD36表达的影响见图5。由图5可知,HFD组大鼠肝脏FATP4和CD36的表达均显著高于ND组(P<0.05),经贵州红酸汤干预后HFDS组大鼠肝脏组织FATP4和CD36的表达均显著低于HFD组(P<0.05),表明贵州红酸汤的干预可以抑制高脂饮食大鼠肝脏FATP4和CD36的表达。
图5 贵州红酸汤对大鼠肝脏FATP4及CD36表达的影响
Fig.5 Effect of Guizhou red sour soup on liver FATP4 and CD36 expression of rats
贵州红酸汤对大鼠肝脏PPARα和CPT1表达的影响见图6。由图6可知,HFD组大鼠肝脏组织PPARα和CPT1的表达显著低于ND组(P<0.05),经贵州红酸汤干预后,HFDS组大鼠肝脏组织PPARα和CPT1的表达显著高于HFD组(P<0.05),表明贵州红酸汤的干预可以促进高脂饮食大鼠肝脏PPARα和CPT1的表达。
图6 贵州红酸汤对大鼠肝脏PPARα及CPT1表达的影响
Fig.6 Effect of Guizhou red sour soup on expression of PPARα and CPT1 in liver of rats
长期的高脂饮食会引发机体脂质代谢紊乱并导致肥胖、Ⅱ型糖尿病和非酒精性脂肪肝等疾病的出现[13]。贵州红酸汤作为一种含有丰富生物活性成分的发酵食品,具有潜在的健康效应[14]。鲁杨等[15]研究发现,贵州红酸汤中含有丰富的番茄红素和辣椒素,并在发酵过程中产生短链脂肪酸等。其中,番茄红素是一种多不饱和脂溶性类胡萝卜素,能改善血脂,调节肝脏脂质代谢酶的活性,降低大鼠的肝脏脂质蓄积[16]。辣椒碱是一种香草酰胺类生物碱,在降低血糖和保护肝脏等方面发挥重要的生物学功能[17]。短链脂肪酸由肠道菌群的代谢产生,能促进脂质代谢与肝脏糖原代谢[18]。目前食物组学的观点强调在研究过程中应该聚焦于食物整体对于机体健康的影响,而不是食物中单一成分对健康的影响[19]。已从过往仅关注食物中营养素成分的分析、营养素在人体内的生化代谢与生理功能,以及营养素缺乏或过剩对人类健康的危害,扩展至探讨如何通过饮食调整实现机体营养系统的平衡,从而保持身体健康并预防营养相关疾病的发生[20]。因此,不能忽略贵州红酸汤作为一种富含多种复杂组分的发酵食品在预防和治疗脂质代谢紊乱、肥胖等疾病时存在的价值,它发挥作用可能并不是基于其中某个单一成分,而是基于其富含的生物活性物质以及在发酵过程中产生的有益成分共同形成的特殊的食物生态,其健康效应是这样一个食物生态共同作用的结果。所以,本研究以高脂饮食大鼠为研究对象,采用贵州红酸汤干预,测定大鼠体质量和血脂水平,计算BMI和LI,观察肝脏组织病理学变化情况,同时检测肝脏脂质代谢相关蛋白的表达,探究贵州红酸汤对高脂饮食大鼠脂质代谢紊乱的改善作用及其可能的机制。
高脂饮食会导致机体能量摄取与消耗的失衡导致脂肪积聚,引起体质量和各类指数的增加。姚凤云等[21]研究表明,高脂饮食大鼠肥胖到一定程度时会出现体质量及体长缓慢增长或增长停滞的现象,所以结合体质指数BMI和各类指数来评价大鼠的情况更为妥当。本研究结果显示,高脂饮食大鼠的体质量、体质指数(BMI)和肝脏指数(LI)均高于普通饮食大鼠,而贵州红酸汤干预大鼠体质量增长缓慢,体质指数(BMI)和肝脏指数(LI)均降低,表明贵州红酸汤可以改善高脂饮食大鼠的脂肪积聚,起到预防肥胖发生的作用。血脂的变化与体内脂肪含量密切相关,很大程度上能反映机体脂质代谢情况,LDL-C负责将TC运输至全身各组织细胞,HDL-C能将血液中的TG和TC运输到肝脏,肝脏将其转化为胆汁酸,进而促进胆固醇的代谢,从而维持血脂水平的稳定[22],长期过量摄入饱和脂肪酸和胆固醇会加重机体血脂代谢的负担,进而诱发血脂紊乱。王子豪等[23]研究表明,高脂饮食会引起TC、TG、LDL-C升高,HDL-C降低,沙棘果油中富集的油酸能够降低由于高脂饮食而引起的血脂增高和肝细胞损伤。本研究结果发现,贵州红酸汤干预大鼠高脂饮食大鼠血清TG、TC、LDL-C水平降低,HDL-C水平升高,表明贵州红酸汤可以改善高脂饮食大鼠的血脂水平。敬娜娜等[24]研究表明,高脂饮食会损伤肝脏形态结构,导致肝脏脂肪变性。茯砖茶降脂减肥机制可能是通过抑制肝脏体内脂肪合成关键基因的相对表达、减少脂肪合成代谢通路中的关键酶和转运蛋白的合成从而减少体内脂肪的蓄积达到减肥的效果[24]。本研究的肝脏病理切片可见贵州红酸汤干预后肝脏脂肪变性程度得到明显改善,表明贵州红酸汤的干预可以改善高脂饮食大鼠肝脏脂质沉积。
机体中的脂质代谢是由多种细胞因子共同控制的过程[25]。高脂饮食可诱导脂肪酸合成酶(fattyacidsynthase,FAS)的高表达,造成甘油三酯沉积,脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase,LPL)和激素敏感脂肪酶(hormone sensitive lipase,HSL)在能够将甘油三酯分解为甘油和游离脂肪酸,其活性增加有助于促进脂肪消耗、加速脂肪动员等[26]。研究表明,肝脏脂肪变性主要是由于肝脏中脂肪酸摄取增加、脂肪酸β氧化减弱等途径异常导致[27]。脂肪酸转运蛋白(fatty acid translocase protein,FATPs)是一种双功能蛋白,可通过与辅酶A发生酯化作用来影响脂肪酸的摄取和激活[28]。脂肪酸转运蛋白CD36是清道夫受体家族成员之一,通过其识别长链脂肪酸的能力,促进细胞内游离脂肪酸的积累,在脂质代谢过程中发挥重要作用[29]。高脂饮食会增强肝细胞膜上FATP4和CD36蛋白对脂肪酸的摄取和转运,导致脂肪在肝细胞异常累积[30-31]。刘婉文等[32]研究表明,中药复方汉唐平可通过下调FATP4、CD36 的表达改善2型糖尿病小鼠的肝脂肪变性。本研究结果表明,贵州红酸汤能抑制FATP4和CD36表达,从而抑制了高脂饮食所导致的肝细胞脂肪酸摄取和转运异常增加。同时,肝细胞中脂肪酸氧化代谢途径改变,是导致肝脏脂肪变性的重要原因,其中,PPARα是调控肝脏中脂肪酸氧化的关键蛋白,通过上调其靶基因CPT1表达增加了肝细胞脂肪酸β氧化,从而防止肝脏中过多的脂质积累[33]。研究发现,PPARα基因的表达可调控脂肪酸摄取、结合、氧化和脂质代谢等多个蛋白的表达,如果PPARα基因的表达被抑制,可引起各种与脂质代谢相关蛋白的表达的降低,导致肝脏脂肪酸β氧化功能减弱,引发脂肪累积。段钰卉等[34]研究表明,桑叶总黄酮通过激活调控PPAR-α和CPT-1蛋白、促进脂肪酸β氧化,改善大鼠肝脏脂质代谢紊乱。本研究结果表明,贵州红酸汤干预后的高脂饮食大鼠肝脏PPARα、CPT1表达增加,从而促进了高脂饮食大鼠肝细胞中的脂肪酸β氧化,进而改善大鼠机体中的脂质代谢紊乱,预防了高脂饮食大鼠机体中慢性代谢性疾病的发生发展。
采用贵州红酸汤灌胃干预高脂饮食大鼠,持续干预12周后发现,贵州红酸汤能降低高脂饮食大鼠的体质量、体质指数(BMI)和肝脏指数(LI),降低其血清中TG、TC、LDL-C的水平,提高HDL-C水平,改善其肝脏脂肪变性,同时贵州红酸汤可抑制高脂饮食大鼠肝脏中脂肪酸转运蛋白4(FATP4)和白细胞分化抗原36(CD36)的表达,促进过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)及其下游肉碱棕榈酰转移酶1(CPT1)的表达。研究结果表明,贵州红酸汤可以预防高脂饮食大鼠肥胖的发生,改善血脂水平及肝脏脂肪变性,其作用机制可能是通过抑制高脂饮食大鼠肝细胞脂肪酸摄取和转运,促进高脂饮食大鼠肝细胞中的脂肪酸β氧化,从而改善大鼠机体中脂质代谢紊乱,研究结果可为贵州红酸汤健康效应挖掘提供理论基础。
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