DOI:10.12301/spxb202400758
中图分类号:TS201.4
何紫妍, 蒙瑶, 施琳, 骆莹, 李建科, 袁莉
| 【作者机构】 | 陕西师范大学食品工程与营养科学学院 |
| 【分 类 号】 | TS201.4 |
| 【基 金】 | 国家自然科学基金面上项目(31972183) 陕西省区域创新能力引导计划项目(2022QFY09-03) 陕西师范大学优秀青年创新团队培养计划项目(GK202401006)。 |
硒(Se)是人体必需微量元素,具有抗癌、抗氧化等多种生物活性,饮食是人体摄入硒的主要途径[1]。与亚硒酸钠、硒酸钠等无机硒相比,有机硒(硒蛋白、硒多肽等)在人体安全性、生理活性和吸收率上均具有优越性[2-3]。黑豆[Glycine max (L.) Merr.],又名乌豆,因其含有人体所需8种必需氨基酸,且总氨基酸含量高达36%(其中约13%是必需氨基酸),被认为是完全蛋白质,素有“植物蛋白之王”的美誉[4]。生长在“中国硒谷”——陕西安康的黑豆,天然富硒,是人体补充硒元素的优质来源。黑豆蛋白经蛋白酶水解后产生的多肽,具有易吸收、高抗氧化等特性[5]。
随着现代生活节奏的加快、饮食结构的改变,以及焦虑和抑郁等心理因素的影响,结肠损伤等肠道疾病频发。食物在熏制、烧烤、油炸等高温加工过程中极易产生苯并[a]芘(benzo[a]pyrene,B[a]P), B[a]P是世界卫生组织认定的Ⅰ类致癌物[6] 。除诱发癌症外,B[a]P还可通过上调结肠上皮细胞中细胞色素P450酶A1(CYP1A1)和细胞色素P450酶B1(CYP1B1)基因表达水平[7],升高结肠黏膜组织的活性氧水平和诱发细胞自噬[8],激发肠道炎症[9],以及破坏肠道屏障完整性和导致肠道菌群失调[10-11]等,从而导致结肠组织损伤。研究表明,皮杉醇[7]、植物乳杆菌CCFM8661[10]、石榴汁[12]、白藜芦醇[13]、n-3多不饱和脂肪酸[14]等可改善B[a]P诱发的结肠损伤。另有研究发现,硒通过直接影响结肠组织中过氧化物酶5(PRDX5)、丝切蛋白1(COF1)、膜联蛋白A2(ANXA2)和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(6PGD)等硒调节蛋白水平,进而在结肠组织生理功能中发挥重要作用[15]。据报道,硒蛋白[16]、硒多糖[17]、硒纳米颗粒[18]、富硒益生菌[19]均可改善结肠炎症和肠道菌群失调等结肠损伤病理进程。但是目前,有关硒多肽的研究主要集中于多肽的分离和提取,其对结肠损伤的影响尚未见报道。
本研究拟以陕西安康天然富硒黑豆为原料,分离和提取其中硒多肽,基于B[a]P诱发的小鼠结肠损伤模型,通过检测和分析硒多肽对小鼠结肠组织中氧化损伤指标、B[a]P代谢相关酶水平、结肠屏障、短链脂肪酸水平以及肠道菌群多样性等的影响,探究黑豆硒多肽对B[a]P诱导的小鼠结肠损伤的作用机制。本研究旨在为肠道损伤的营养干预提供新思路,也为硒多肽功能食品开发提供理论依据。
B[a]P,美国Sigma公司;富硒黑豆,陕西安康汉阴华业植物制药有限公司;富硒酵母片(SeYT,硒含量:50 μg/片),牡丹江灵泰制药有限公司。
谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、总超氧化物歧化酶(T-SOD)、H2O2和丙二醛(MDA)检测试剂盒,南京建成生物工程研究所;芳香烃受体(AhR)和BPDE-DNA加合物试剂盒,上海酶联生物科技有限公司;BCA蛋白质定量试剂盒,美国Thermo Scienti-fic公司。实验所用化学试剂均为国产分析级。
F6/10-10G型自动均质器,FLUKO设备上海有限公司;SU8220型倒置显微镜,日本日立公司;GCMS-QP2010 Ultra型气相色谱质谱联用仪,日本岛津公司;FC5515R型低温冷冻高速离心机,奥豪斯国际贸易上海有限公司。
1.3.1 多肽的提取及纯化
以富硒黑豆为原料,采用碱溶酸沉法提取富硒黑豆中的硒蛋白,首先将富硒黑豆粉碎后与蒸馏水以料液比(g∶mL)为1∶10 制备混合液。用2 mol/L的NaOH调节溶液pH值为10,接着在4 000 r/min的条件下离心10 min,收集上清液。调节上清液pH值为4.6,再次离心10 min,弃上清液留沉淀,加去离子水混匀后于3.5 kDa分子质量的透析袋中透析24 h,然后取出,冷冻干燥,即得到黑豆硒蛋白。将黑豆硒蛋白溶于去离子水中,制成质量分数为4%的黑豆硒蛋白溶液,并以2 kW的功率超声 3 min, 使其完全溶解。调节黑豆硒蛋白溶液pH值为9.0±0.2,加入碱性蛋白酶(6 kU·g-1),45 ℃控温酶解3 h。 酶解结束后调节黑豆硒蛋白溶液pH值为7.0±0.2,加入中性蛋白酶(8.5 kU·g-1),65 ℃控温酶解1 h, 95 ℃沸水浴10 min终止反应。溶液冷却后,将其以 3 000 r/min 离心10 min,收集上清液,超滤分离,冷冻干燥,制得分子质量小于7 kDa的黑豆硒多肽(SeBSPP)。经检测,SeBSPP中总硒含量为122 mg/kg。
1.3.2 动物实验及分组
本研究获得陕西师范大学科学伦理专业委员会的批准(伦理审批号:2024-025),遵循动物伦理委员会指导原则。SPF级5~6周龄C57BL/6雄性小鼠,共36只,购自陕西师范大学实验动物中心。实验动物生产许可证号:SCXK(陕)2021-002,动物质量合格证号:SCXK(陕)2021-002,实验动物使用许可证号:SYXK(陕)2021-003。小鼠在经微粒空气过滤的标准温度(25±2) ℃和光照-黑暗循环周期为12 h/12 h的环境内,自由摄入高压灭菌的标准饲料和水。小鼠适应1周后,随机分为6组,空白组(normal control,NC组)、模型组(B[a]P-injury model,BM组)、SeBSPP处理组(SeBSPP,SP组)、SeYT阳性对照组(SeYT,SY组)、SeBSPP干预组(B[a]P+SeBSPPP,BP组)和SeYT干预组(B[a]P+SeYT,BY组),每组6只。2023年中国营养协会推荐的人类硒摄入量为50~250 μg/d,选取中间值150 μg/d,根据成人70 kg标准体重,换算出小鼠的硒日摄入量为25 μg/kg,各组灌胃处理如表1所示。每6 d测量一次小鼠的体重、摄食和摄水量。连续灌胃30 d后,禁食不禁水8 h,通过吸入异氟醚麻醉实验动物,采集结肠组织样品,冻存待测。
表1 小鼠分组及灌胃方案
Tab.1 Mouse grouping and gavage plan
分组灌胃方案(连续30d)NC灌胃生理盐水,3h后灌胃橄榄油BM灌胃生理盐水,3h后灌胃B[a]PSP灌胃SeBSPP溶液,3h后灌胃橄榄油SY灌胃SeYT溶液,3h后灌胃橄榄油BP灌胃SeBSPP溶液,3h后灌胃B[a]PBY灌胃SeYT溶液,3h后灌胃B[a]P
1.3.3 结肠组织病理学观察
将结肠组织用质量分数为4%的多聚甲醛缓冲溶液固定,并包埋在石蜡中,切成厚度为5~6 μm的切片,分别进行苏木精和伊红(H&E)、过碘酸雪夫(PAS)和阿尔新蓝染色(AB)。采用低温恒温器处理染色样品,于光学倒置显微镜下观察记录。
1.3.4 结肠组织屏障蛋白免疫组化
采用免疫荧光组化的方法检测石蜡切片的结肠组织中紧密连接蛋白ZO-1和黏蛋白MUC2的相对表达水平。使用Aipathwell软件对阳性细胞进行分析,按照式(1)计算阳性细胞密度。
(1)
式(1)中,D为细胞密度,个/mm2,N阳为阳性细胞数量,个;S为待测组织面积,mm2。
1.3.5 结肠组织氧化损伤指标测定
采用自动均质器研磨获得结肠组织匀浆,在4 ℃条件下以5 000 r/min离心10 min,收集上清液并使用BCA分析试剂盒测量蛋白质浓度。根据试剂盒说明书,分别于412、550、532、405 nm吸光度下检测各孔OD值,并分别按照式(2)至式(5)计算结肠组织上清液中GSH-Px和T-SOD酶活性[μmol/(L·mg)],以及MDA含量[nmol/(L·mg)]和H2O2含量[(mmol/(L·mg)];其中,每分钟反应体系中GSH-Px浓度降低 1 μmol/L为一个酶活力单位(U);每毫升反应液中SOD抑制率达到50%时所对应的T-SOD量 1 μmol/L 为一个酶活力单位(U)。
GSH-Px酶活性![]()
(2)
T-SOD酶活性![]()
(3)
MDA含量![]()
(4)
H2O2含量![]()
(5)
式(2)至式(5)中,c标准为标准管浓度,nmol/mL;A为稀释倍数;t为反应时间,min;m为取样质量,mg;c蛋白为待测样本蛋白质量浓度,mg·mL-1;V为反应液总体积,mL。
1.3.6 结肠组织中AhR酶活性和BPDE-DNA加合物的测定
使用自动均质机用体积分数为70%的甲醇均质结肠组织样品,并用Whatman 1号滤纸过滤。参照试剂盒说明书,于450 nm波长处检测各孔OD值。根据标准曲线计算AhR酶活性和BPDE-DNA加合物水平。
1.3.7 短链脂肪酸相对含量测定
取约100 mg小鼠粪便于离心管中,加入1 mL体积分数为0.5%的磷酸溶液,加入2颗钢珠,涡旋2 min,12 000 r/min离心15 min。取上清液,加入等体积的乙酸乙酯,再次涡旋2 min,12 000 r/min离心15 min,取上清液,用0.22 μm滤膜过滤。使用气相色谱-质谱联用仪测定滤出液中的乙酸、丙酸、丁酸、异戊酸、戊酸等短链脂肪酸相对含量。
1.3.8 16S rRNA分析
将小鼠灌胃30 d后,收集其新鲜粪便,由上海美吉生物进行16S rRNA基因测序。通过QIAamp DNA Stool Mini Kit(德国Qiagen公司)从粪便样品中提取菌群DNA。使用质量分数为1%的琼脂糖凝胶测量DNA浓度和纯度,对16S rRNA基因的V3-V4高变区进行PCR扩增,并使用QuantiFluorTM-ST蓝色荧光定量系统检测和定量PCR产物。使用TruSeqTM DNA Sample Prep Kit(美国Illumina公司)生成测序文库,然后使用具有250 bp配对末端读数的Illumina MiSeq平台进行16S rDNA高通量测序。测序得到的PE reads首先根据overlap关系进行拼接,同时对序列质量进行质控和过滤,区分样本后进行OTU聚类分析和物种分类学分析。
采用SPSS v19.0软件对实验结果进行分析。数据以平均值±标准差(SD)表示,并使用单因素方差分析(ANOVA)和Duncan’s检验进行差异性分析,P<0.05表示差异显著。
B[a]P广泛存在于食用植物油及高温加工食品中,长期B[a]P暴露可诱导结肠氧化损伤[20],破坏肠道菌群平衡[21],致使结肠癌发生[22]。SeBSPP对B[a]P暴露小鼠的体重、摄食和摄水量的影响,实验结果见图1。由图1(a)和(b)可知,从实验第6天起,各组小鼠体重开始上升,且摄食量也整体呈增加趋势。由图1(c)可知,由于每日灌胃,各组小鼠摄水量自第12天起开始下降。由图1(d)至图1(f)可知,与NC组相比,BM组小鼠体重增长量显著下降(P<0.05),SeBSPP和SeYT灌胃后的小鼠体重与摄食增长量较B[a]P组显著增加,摄水量下降趋势无明显变化。结果表明,SeBSPP和SeYT均可减缓B[a]P引起的体重和摄食量的下降。
不同小写字母表示组间数据差异显著(P<0.05)。
图1 SeBSPP对小鼠体重、摄食量和摄水量的影响
Fig.1 Effects of SeBSPP on body weight, food and water intake of mice
肠道屏障的完整性与肠道健康息息相关,肠道屏障能够防止有害菌和有毒物质进入肠道,减少肠道炎症和肠道菌群变化[23]。本研究分别通过H&E、PAS、AB染色以及免疫组化分析SeBSPP对B[a]P暴露小鼠的肠道屏障的影响,实验结果见图2。
图2 小鼠结肠组织病理学观察
Fig.2 Histopathological observation of colon of mice
由图2(a)H&E染色结果可知:NC、SP和SY组的结肠组织排列整齐,炎性因子浸润较少;BM组结肠组织隐窝破坏严重,杯状细胞排列紊乱,炎性因子浸润较多;与BM组相比,BP和BY组结肠组织损伤有所减轻。此外,由结肠组织的PAS染色[图2(b)]与AB染色[图2(c)]结果可知,各组间黏液层分布均匀,结构完整,未见明显的黏液层缺失。
黏液层覆盖在肠上皮细胞表面,在维持肠道屏障结构完整性和通透性方面发挥重要作用[24-25],其中黏蛋白MUC2是黏液层的重要组成部分,可阻碍病原菌的入侵[26-27]。杯状细胞是肠道机械屏障的组成部分,同时还是MUC2的主要产生细胞,杯状细胞的减少会诱导结肠炎发生[28]。结肠组织的病理学观察结果表明,SP、SY组结肠组织与NC组相比无明显变化,因此,本研究选取BM、BP、BY和NC组进行结肠组织屏障蛋白免疫组化分析,结果见图3。由图3(a)和(b)可知:B[a]P暴露后的小鼠杯状细胞数量减少,MUC2阳性细胞率降低;与BM组相比,BP组的MUC2阳性细胞数量显著上升了22.50%(P<0.05),而BY组与BM组并无显著差异。由图3(c)和(d)可知,各组间紧密连接蛋白ZO-1的免疫组化结果未见显著差异。本研究结果表明,SeBSPP和SeYT预处理可增厚结肠黏液层,维持杯状细胞完整,且SeBSPP可上调MUC2水平,预防B[a]P诱发结肠黏液层破坏。
免疫组化图片中蓝色为阳性细胞,不同小写字母表示组间数据差异显著(P<0.05)。
图3 小鼠结肠屏障蛋白免疫组化分析结果
Fig.3 Analysis results of immunohistochemistry of mice colonic barrier protein
研究发现,B[a]P暴露会降低小鼠结肠组织中抗氧化酶活性以及抗氧化物质谷胱甘肽水平,进而诱导小鼠结肠氧化损伤[29]。硒多肽具有良好的抗氧化活性,富硒玉米肽[30]、富硒绿豆肽[31]以及堇叶碎米荠富硒多肽[32]等都被证明具有较强的体外抗氧化活性;Zhang等[33]也发现,富硒大豆多肽通过提高T-SOD和GSH-Px酶活性,抑制小鼠的肝脏及脑部氧化应激。为了明确补充SeBSPP是否可以减轻B[a]P诱导的结肠氧化损伤,对小鼠结肠组织中抗氧化酶的活性进行了检测,实验结果见图4。由图4可知:与NC组相比,BM组的GSH-Px和T-SOD酶活性分别显著降低了38.29%和38.61% (P<0.05),且BM组的MDA和H2O2含量分别显著增加了80.55%和162.52%(P<0.05);SeBSPP和SeYT能够有效延缓B[a]P诱导的GSH-Px和T-SOD活性降低,以及MDA和H2O2含量增加;与BM组相比,BP组和BY组的GSH-Px酶活性分别显著升高了57.35%和54.55%(P<0.05),BP组和BY组的MDA含量分别显著降低了40.02%和40.65%(P<0.05)。结果表明,SeBSPP能有效预防B[a]P诱导的结肠氧化损伤。
不同小写字母表示组间数据差异显著(P<0.05)。
图4 SeBSPP和SeYT对小鼠结肠组织氧化损伤的影响
Fig.4 Effects of SeBSPP and SeYT on antioxidant of mice colon tissue
B[a]P本身不具有毒性,但其进入机体后,与受体AhR结合并激活AhR活性,从而增强B[a]P自身的代谢,继而被细胞色素P450酶氧化生成最终致癌物B[a]P-7,8-二氢二醇-9,10-环氧化物(BPDE)。BPDE与DNA结合形成BPDE-DNA加合物,最终诱发结肠癌症[33-36]。SeBSPP对B[a]P暴露的小鼠结肠组织中B[a]P受体AhR酶活性和致癌物BPDE-DNA加合物水平的影响,实验结果见图5。 由图5(a)可知,与NC组相比,BM组小鼠结肠组织中AhR酶活性显著提高了60.14%(P<0.05),与BM组相比,SP和SY组AhR酶活性分别显著降低了48.26%和24.60%(P<0.05)。由图5(b)可知,与BM组相比,SP和SY组BPDE-DNA加合物水平分别显著降低了31.51%和27.89%(P<0.05)。结果表明,SeBSPP通过钝化AhR酶活性和抑制BPDE-DNA生成,进而阻碍了B[a]P代谢,最终可有效预防B[a]P诱发结肠癌。
不同小写字母表示组间数据差异显著(P<0.05)。
图5 SeBSPP和SeYT对小鼠结肠组织中AhR酶活性和BPDE-DNA加合物水平的影响
Fig.5 Effects of SeBSPP and SeYT on AhR and BPDE-DNA adduct in mice colon tissue
短链脂肪酸(SCFAs)是肠道菌群的重要代谢物之一,具有维护肠道屏障和免疫功能等作用[37-38]。其中,丁酸能够抑制促炎因子的产生,阻断NF-κB通路,增强MUC2表达[39-40]。Sun等[41]发现,炎症性肠病会阻碍丙酸、丁酸以及乙酸生成。B[a]P暴露会诱导小鼠体内SCFAs水平降低。为分析SeBSPP是否能通过影响SCFAs水平预防B[a]P诱导的小鼠结肠损伤,本研究对小鼠粪便中乙酸、丙酸、丁酸等SCFAs进行了检测,结果见图6。由图6可知,与NC组相比,BM组的短链脂肪酸含量均显著下降,SeBSPP预处理有效缓解了B[a]P诱导的短链脂肪酸含量的下降(P<0.05)。由图6(a)可知,与NC组相比,BM组乙酸含量下降了66.84%,BP组的乙酸含量较BM组上升了185.82%。此外,由图6(c)至(e)可知,SeYT预处理显著阻碍了B[a]P对丁酸、异戊酸以及戊酸含量的抑制作用。本研究结果表明,SeBSPP可以通过提高SCFAs水平,进而缓解B[a]P诱导的结肠组织损伤。
不同小写字母表示组间数据差异显著(P<0.05)。
图6 SeBSPP和SeYT对小鼠粪便中SCFAs水平的影响
Fig.6 Effects of SeBSPP and SeYT on levels of SCFAs in mice feces
肠道菌群是肠道内的微生物群,深度参与人体免疫、代谢以及消化吸收等多种生理过程[4]。前期研究发现,B[a]P暴露可下调有益菌群丰度,如g_Lactococcus、g_Bacillus、g_Lactobacillus、g_Enterococcus、g_Leuconostoc和g_Weissella;同时,上调有害菌丰度,如g_Butyricicoccus、g_Desulfovibrio、g_Acinetobacter、g_Harryflintia和g_Veillonella[42-43]。为探究SeBSPP对肠道菌群的影响,本研究通过粪便16S微生物多样性评估了SeBSPP以及SeYT对B[a]P暴露小鼠肠道微生物的影响,实验结果见图7。由图7(a)可知,使用非度量多维尺度分析(NMDS)对各组间菌落差异进行研究发现,BM组与其他各组菌落构成存在显著差异,SeBSPP与SeYT改变了B[a]P暴露后的小鼠肠道菌群分布。由图7(b)菌落门水平分布可知,B[a]P显著下调了拟杆菌门(Bacteroidota)和放线菌门(Actinobacteriota),上调了厚壁菌门(Firmicutes)。SeBSPP和SeYT改善了B[a]P诱导的菌群水平变化。此外,对各组菌群在属水平进行趋势聚类分析发现[图7(c)],B[a]P显著上调了C2与C8中的菌群,如g_Butyricicoccus、g_Harryflintia等,与BM组相比,SeBSPP显著下调了C2、C4和C8中的菌群,上调了C3和C5中g_Lactobacillus、g_Lachnoclostridium和g_Lachnospiraceae_NK4A136_group等菌群。g_Ligilactobacillus属于Lactobacillaceae科,Lactobacillaceae能够下调Th17细胞水平,诱导Treg细胞分化,恢复结肠炎小鼠的肠道菌群[44]。g_Lachnoclostridium和g_Lachnospiraceae_NK4A136_group都与小鼠肠道中丁酸的生成有关,并影响调节性T细胞(Treg)生成[45]。由此可见,SeBSPP通过上调g_Ligilactobacillus、g_Lachnoclostridium和g_Lachnospiraceae_NK4A136_group有效地缓解了B[a]P诱导的结肠炎症损伤。
C1至C8表示菌群表达趋势相同的不同聚类。
图7 SeBSPP和SeYT对小鼠肠道菌群的影响
Fig.7 Effects of SeBSPP and SeYT on intestinal flora of mice
为明晰小鼠结肠组织各项生化指标与肠道菌群之间的关系,对二者进行了相关性分析,结果见图8。 由图8可知,SCFAs主要与T-SOD、GSH-Px以及MUC2呈显著正相关;各项结肠生化指标与肠道菌群g_Butyricicoccus和g_Harryflintia之间有较强的相关性,尤其是g_Harryflintia,其与T-SOD、GSH-Px、MUC2以及短链脂肪酸呈显著负相关,这些指标是肠道屏障完整性的标志物。此外,g_Harryflintia与MDA、H2O2、AhR以及BPDE-DNA呈显著正相关,这些指标与B[a]P的代谢密切相关。g_Ligilactobacillus、g_Lachnoclostridium和g_Lachnospiraceae_NK4A136_group与结肠的生化指标相关性较小,其中g_Lachnoclostridium与短链脂肪酸呈一定的正相关性,尤其是异戊酸,其主要参与肠道屏障维护以及免疫调节。本研究结果表明,SeBSPP能够有效通过减少g_Harryflintia等有害菌群,进一步影响肠道氧化损伤以及短链脂肪酸水平,从而改善B[a]P诱导的结肠损伤。
图8 小鼠结肠组织生化指标与肠道菌群的相关性分析
Fig.8 Correlation analysis of colonic biochemical parameters and intestinal flora of mice
本研究探讨了黑豆硒多肽SeBSPP对B[a]P诱导的小鼠结肠损伤的作用。研究发现,SeBSPP显著提高了B[a]P暴露小鼠结肠组织中T-SOD和GSH-Px酶活性,降低了MDA和H2O2水平,从而改善了B[a]P诱发的小鼠结肠氧化损伤。同时,SeBSPP干预后B[a]P暴露小鼠结肠组织中AhR酶活水平显著降低了48.26%,BPDE-DNA水平降低了31.51%,有效抑制了B[a]P代谢;且SeBSPP作用优于SeYT。此外,SeBSPP能够特异性地维护结肠黏液层,保护小鼠肠道机械屏障与化学屏障;通过提升肠道SCFAs水平,上调有益菌g_Lactobacillus、g_Lachnoclostridium和g_Lachnospiraceae_NK4A136_group,以及下调有害菌g_Butyricicoccus和g_Harryflintia等,减少肠道菌群失衡,保护肠道微生物屏障,从而预防B[a]P诱导的小鼠结肠损伤。作为富硒食品补充剂,未来SeBSPP在预防和控制食品有害物危害方面的营养健康机制还需深入探究,本研究旨在为富硒食品开发和功能研究提供新的思路。
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