益生菌-桑叶复合疗法在体外肠-胰-肝轴模型中对血糖稳态的协同调控机制初探

《International Journal of Molecular Sciences》：A Combined Probiotic-Morus alba Strategy Enhances Glucose Homeostasis in an In Vitro Gut-Pancreas-Liver Axis Model: A Preliminary Mechanistic Screening Study Francesca Parini, Rebecca Galla, Simone Mulè, Matteo Musu and Francesca Uberti

这项研究在体外模拟了2型糖尿病(T2DM)相关的代谢信号紊乱，创新性地构建了“肠道-胰腺-肝脏”多器官串联模型(Caco-2, EndoC-βH5, HepG2)，系统评估了植物乳杆菌TJA7与桑叶提取物的联合应用效果。结果表明，该联合方案在提升肠道屏障完整性(跨膜电阻TEER)、促进短链脂肪酸(如丁酸)的肠腔转运、减轻胰腺β细胞氧化应激(ROS)、增强胰岛素分泌以及调控肝脏关键糖代谢通路(PI3K/AKT, AMPK, PGC-1α)方面，均展现出显著优于单一组分的协同效应。本研究为益生菌与植物化学物的跨界协同治疗T2DM提供了初步的机制依据和前瞻性框架。

　　

引言：2型糖尿病与肠道菌群的新策略

2型糖尿病(T2DM)是一种以慢性高血糖、胰岛素抵抗和胰腺β细胞功能障碍为特征的复杂代谢性疾病，其全球患病率持续攀升，已成为重大公共卫生挑战。近年来，肠道菌群失调在T2DM发病机制中的作用日益凸显，菌群组成和功能失衡可导致全身性低度炎症、代谢性内毒素血症，并破坏器官间的代谢信号传导。因此，以肠道菌群为靶点的干预策略，特别是益生菌的应用，展现出潜在的治疗前景。与此同时，桑叶(Morus albaL.)作为一种传统药用植物，其提取物因富含1-脱氧野尻霉素(DNJ)和多酚等活性成分，具有明确的降血糖和抗氧化活性，在糖尿病管理中应用已久。本研究旨在探索特定益生菌株——植物乳杆菌(Lactiplantibacillus plantarum) TJA7与桑叶提取物的联合应用，是否能在模拟T2DM病理状态的体外“肠-胰-肝轴”模型中，产生协同增效作用，从而为基于微生物-植物化学物协同作用的糖尿病管理新策略提供机制层面的见解。

研究方法与模型构建

研究首先对桑叶提取物进行了化学表征，确定其DNJ含量为5.03 ± 0.12% (w/w)，总酚含量为52.4 ± 3.1 mg 没食子酸当量(GAE)/g。通过剂量反应筛选，确定后续实验使用植物乳杆菌TJA7浓度为7.5 mg/mL (对应3 × 10⁹CFU/mL)，桑叶提取物浓度为100 mg/mL。

研究的核心是构建并应用一套先进的体外多器官模型系统：

1. 1.
   肠道屏障模型：利用Caco-2细胞在Transwell?插片上培养21天，形成具有完整紧密连接和功能性的极化单层上皮，模拟肠道屏障。通过监测跨上皮电阻(TEER)评估屏障完整性。
2. 2.
   肠-胰-肝轴模型：这是一个串联系统。首先，用上述肠道模型处理益生菌和/或桑叶提取物，收集其基底侧代谢产物。然后，将这些代谢产物用于处理一个由胰腺β细胞(EndoC-βH5)和肝细胞(HepG2)共培养构成的“胰腺-肝脏”模型。该胰腺-肝脏模型被置于高糖(30 mM)和氧化应激条件下，以模拟T2DM的胰岛素抵抗状态。

研究结果：协同效应的多维证据

1. 增强肠道屏障功能与微生物代谢

联合处理显著提升了肠道模型的细胞活力。在肠道屏障完整性方面，所有处理均提高了TEER值，而联合处理的效果最为突出，峰值电阻达到约618.2 Ω·cm²，显著高于单用益生菌(~601 Ω·cm²)或桑叶提取物(~584.8 Ω·cm²)。更重要的是，联合处理促进了短链脂肪酸——丁酸的生成及其向基底侧的易位，其增加幅度显著高于单用益生菌。此外，联合处理还增强了菌株的表面疏水性和自聚集能力，这些特性有利于益生菌在肠道上皮的定植和粘附。

2. 保护胰腺β细胞功能

在高糖和氧化应激环境下，联合处理对胰腺β细胞显示出最强的保护作用。它能最有效地提升β细胞活力，并最大程度地降低活性氧(ROS)水平。最为关键的发现是，联合处理显著增强了胰岛素分泌，其促分泌效果是单用桑叶提取物的1.7倍，比单用益生菌提高了约72%。事后协同性分析(Bliss独立模型)表明，这种增强效应超过了简单的叠加作用，证实了协同关系的存在。

3. 改善肝脏葡萄糖代谢

在肝脏层面，联合处理通过多重机制协同改善葡萄糖稳态：

• •
  增强胰岛素信号：联合处理大幅提升了胰岛素受体底物1(IRS1)和葡萄糖转运蛋白2(GLUT2)的水平，表明胰岛素信号通路得到增强。
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  促进葡萄糖摄取与储存：相应地，肝细胞的葡萄糖摄取和糖原积累能力在联合处理后得到最大幅度提升。
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  激活关键代谢通路：分子机制研究表明，联合处理能协同激活多条核心糖代谢调控通路。它显著增强了蛋白激酶B(AKT)的活性(涉及PI3K/AKT通路)，同时强力激活了AMP活化蛋白激酶(AMPK)。此外，过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(PGC-1α)的水平也被协同上调。这些通路的激活共同指向了胰岛素敏感性改善、葡萄糖代谢增强以及线粒体功能优化的方向。

讨论与展望：机制阐释与转化前景

本研究首次在体外“肠-胰-肝轴”模型上，系统揭示了植物乳杆菌TJA7与桑叶提取物在调控T2DM相关代谢障碍中的协同作用。其机制可能涉及多层次的互补与增效：益生菌通过增强肠道屏障、产生有益代谢物(如丁酸)来改善系统环境；桑叶提取物则直接提供抗氧化成分和糖苷酶抑制剂，减轻氧化损伤和餐后血糖负荷。两者联合，可能通过丁酸等介质激活游离脂肪酸受体(FFAR2/3)，进而调控胰岛素分泌和肝脏AMPK/PI3K-AKT通路，形成正向调节环路。

研究结果为“益生菌-植物化学物”联合疗法用于T2DM的辅助管理提供了令人信服的临床前证据和详尽的机制图谱。然而，本研究属于体外机制筛选阶段，其结果仍需在动物模型和临床试验中得到进一步验证，以明确其体内有效性、安全性及最佳应用方案。未来研究可深入探讨特定活性成分的鉴定、肠道菌群组成的变化以及免疫系统的参与等，从而更完整地描绘这一协同疗法的全景图。