嚴 媛,吳偉杰,郜海燕,*,房祥軍,韓延超,劉瑞玲,牛 犇,陳杭君,*
(1.南京農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院,江蘇 南京 210008;2.浙江省農(nóng)業(yè)科學院食品科學研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部果品采后處理重點實驗室,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蔬菜采后保鮮與加工重點實驗室(部省共建),浙江省果蔬保鮮與加工技術研究重點實驗室,中國輕工業(yè)果蔬保鮮與加工重點實驗室,浙江 杭州 310021)
茭白(Zizania latifolia)是禾本科菰屬水生植物,是我國僅次于蓮藕的第二大水生蔬菜,茭白殼是茭白采收時下部殘留的葉鞘[1]。茭白采收時,割取茭白后剩余的葉片和葉鞘通常丟棄在田埂間,我國茭白產(chǎn)業(yè)每年產(chǎn)生的廢棄茭白鞘葉在500萬 t以上,造成嚴重的環(huán)境污染[2]。目前關于茭白鞘葉的回收利用主要集中在食用菌基質(zhì)、動物飼料等方面,從中提取的天然功能性物質(zhì)主要包括黃酮、膳食纖維和葉綠素[3-5],加強對廢棄茭白殼的研究開發(fā)利用具有重要的現(xiàn)實意義。小麥黃素又稱為苜蓿素,是一種類黃酮化合物,廣泛存在于禾本科植物中,研究表明小麥黃素能通過抑制環(huán)氧合酶(cyclooxygenase,COX)、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)、前列腺素(prostaglandin,PG)、白細胞介素(interleukin,IL)、一氧化氮(NO)等炎癥介質(zhì)發(fā)揮抗炎作用[6-7]。
潰瘍性結腸炎是一種發(fā)病機制尚未明確的慢性非特異性炎癥性腸病,病情易反復,治療難度大,近年來在我國的發(fā)病率呈顯著上升趨勢,常見于青壯年人群,嚴重影響患者的生存質(zhì)量[8-9]。且潰瘍性結腸炎發(fā)病機制復雜,主要包括遺傳因素和環(huán)境因素,其中飲食是最重要的環(huán)境因素之一[10],近年來通過飲食干預治療潰瘍性結腸炎的方法成為研究熱點。
基于前人研究基礎,本研究通過葡聚糖硫酸鈉鹽(dextran sulfate sodium,DSS)誘導小鼠潰瘍性結腸炎模型,評價茭白殼提取物(Zizania latifoliashell extract,Zlse)對小鼠潰瘍性結腸炎的預防作用,以期為推進茭白殼的綜合利用提供理論依據(jù),并為膳食預防和調(diào)節(jié)潰瘍性結腸炎提供參考。
C57BL/6小鼠,雄性,SPF級,7 周,體質(zhì)量16~22 g,購于華東師范大學科學實驗動物中心,飼養(yǎng)于浙江省農(nóng)業(yè)科學員實驗動物中心專屬動物房,使用許可證號:SYXK(浙)2020-0022。
‘浙茭七號’茭白殼 浙江省嘉興市桐鄉(xiāng)董家優(yōu)質(zhì)茭白基地;玉米芯墊料 邳州市小河科技發(fā)展有限公司;60Co滅菌飼料 北京科澳協(xié)力飼料有限公司。
美莎拉嗪腸溶片 佳木斯鹿靈制藥有限公司;超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、髓過氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)、IL-1β、TNF-α、IL-6、IL-8檢測試劑盒 南京建成科技有限公司;DSS、無水乙醇、乙酸乙酯、甲醛(均為分析純) 上海麥克林生化科技有限公司;柱層析硅膠(200~300 目) 青島海洋化工有限公司。
FreeZone?真空冷凍干燥機 美國Labconco公司;DGG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司;RE-52AA旋轉蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠;DK-S28電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司;ME103E電子天平 梅特勒-托利多(上海)有限公司;ZJ-4獨立送風隔離籠具 蘇州馮氏實驗動物設備有限公司;RM2016病理切片機 上海徠卡儀器有限公司;SpectraMax M2酶標儀 美國Molecular Devices公司;NIKON DS-U3光學顯微鏡 日本尼康公司。
1.3.1 茭白殼提取物的制備
將新鮮茭白殼洗凈切碎,放入恒溫干燥箱中60 ℃烘干至恒質(zhì)量,粉碎后過40 目篩,于干燥器中貯藏備用。將茭白殼粉末與體積分數(shù)70%乙醇溶液按料液比1∶30(m/V)混勻,在恒溫水浴鍋中于80 ℃攪拌浸提3 h,取出后超聲(30 ℃、210 W)輔助提取30 min,過濾,所得濾液于40 ℃旋蒸至無乙醇味,冷凍干燥后以料液比1∶30(m/V)用乙酸乙酯分兩次萃取,合并萃取液,旋蒸水洗后冷凍干燥備用。取乙酸乙酯相凍干樣品與硅膠攪拌,干法上樣,進行硅膠柱色譜層析,以體積比100∶0~0∶100的二氯甲烷-甲醇進行梯度洗脫,根據(jù)薄層層析檢測結果合并相似洗脫液,再次進行硅膠柱色譜分離,以體積比50∶1~5∶1的二氯甲烷-甲醇梯度洗脫,合并目標洗脫液,真空冷凍干燥保存?zhèn)溆谩K肸lse利用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(ultra performance liquid chromatography tandem mass spectrometry,UPLC-MS/MS)進行定性和相對定量分析。
1.3.2 小鼠潰瘍性結腸炎模型的構建及分組
小鼠飼養(yǎng)條件:SPF級,溫度22~25 ℃,相對濕度60%~70%,明暗12 h循環(huán),標準飼料飼養(yǎng),小鼠自由攝食飲水。參考Wu Hao等[11]的方法進行造模,60 只C57BL/6雄性小鼠適應性喂養(yǎng)一周后,隨機分為6 組,每組10 只,除正常組外其余組灌胃質(zhì)量分數(shù)3.5% DSS水溶液誘導小鼠潰瘍性結腸炎,陽性對照組以美沙拉嗪(5-aminosalicylic acid,5-ASA)作為陽性對照,分組及模型構建方法如表1所示。
表1 小鼠潰瘍性結腸炎模型的構建Table 1 Experimental scheme for construction of mouse model of ulcerative colitis
造模結束后斷食24 h,眼球取血收集血清并處死小鼠,取出盲腸至肛門處整段結腸,測量長度,剪下1 cm結腸用質(zhì)量分數(shù)4%甲醛溶液固定,蘇木精-伊紅(hematoxylin-eosin,HE)染色觀察結腸組織病變情況,其余結腸組織迅速于液氮中保存,然后轉移至-80 ℃冰箱用于酶活力測定。
1.3.3 小鼠疾病活動指數(shù)評分
實驗過程中每天記錄小鼠體質(zhì)量,并觀察小鼠大便性狀及便血情況,并進行評分,計算小鼠疾病活動指數(shù)(disease active index,DAI)評分,量化炎癥程度[12]。DAI評分標準如表2所示[13],體質(zhì)量變化率和DAI評分計算分別見式(1)、(2)。
組別 第1~7天 第8~14天正常(normal control,NC)組灌胃0.2 mL 0.5%(質(zhì)量分數(shù),下同)羧甲基纖維素鈉(sodium carboxymethylcellulose,CMCNa)溶液灌胃0.2 mL 0.5% CMC-Na溶液灌胃0.2 mL 0.5% CMC-Na溶液+3.5% DSS溶液(自由飲食)陽性對照(positive control,PC)組模型(model control,MC)組灌胃0.2 mL 0.5%CMC-Na溶液灌胃0.2 mL Zlse(灌胃劑量為100 mg/(kg·d))+3.5% DSS溶液(自由飲食)Zlse-M組 灌胃0.2 mL Zlse溶液(灌胃劑量為200 mg/(kg·d))灌胃0.2mL 5-ASA+3.5% DSS溶液(自由飲食)Zlse-L組 灌胃0.2 mL Zlse溶液(灌胃劑量為100 mg/(kg·d))灌胃0.2 mL 5-ASA溶液(灌胃劑量為200 mg/(kg·d))灌胃0.2 mL Zlse(灌胃劑量為200 mg/(kg·d))+3.5% DSS溶液(自由飲食)Zlse-H組 灌胃0.2 mL Zlse溶液(灌胃劑量為300 mg/(kg·d))灌胃0.2 mL Zlse(灌胃劑量為300 mg/(kg·d))+3.5% DSS溶液(自由飲食)
表2 DAI評分標準Table 2 Scoring criteria for DAI
1.3.4 小鼠結腸長度及HE染色檢查結腸組織病理學變化
將用質(zhì)量分數(shù)4%甲醛溶液固定的結腸組織樣本取出,經(jīng)過脫水、石蠟包埋、切片、脫蠟洗滌、HE染色等步驟后,在光學顯微鏡下觀察各組織樣本病變情況并進行組織病理學評分[14],評分標準如表3所示,結腸組織病理學評分按式(3)計算。
表3 小鼠結腸炎組織病理學評分標準Table 3 Criteria for histopathological grading of colitis in mice
1.3.5 小鼠血清炎癥因子水平的測定
各組小鼠血液樣本靜止4 h時,待血液凝固后,3 000 r/min離心15 min取上層血清,用磷酸鹽緩沖液(pH 7.2~7.4)稀釋至所需濃度,采用酶聯(lián)免疫吸附試驗法,按照試劑盒說明書進行操作,酶標儀測定OD450nm,根據(jù)標準曲線計算各血清樣本中IL-1β、TNF-α、IL-6、IL-8質(zhì)量濃度。
1.3.6 小鼠結腸組織氧化應激水平測定
精確稱取結腸組織,加入檢測試劑盒中的勻漿介質(zhì)混勻,按照試劑盒說明書進行操作,酶標儀測定OD460nm,測定和計算小鼠結腸組織中MPO活力和SOD活力。
1.3.7 茭白殼提取物活性成分作用靶點預測
利用PubChem數(shù)據(jù)庫獲取成分的分子式和SMILES號,通過Swiss Target平臺查詢Zlse各活性成分的相關靶點,再通過OMIM、GeneCards、Therapeutic Target Database(TTD)數(shù)據(jù)庫3個平臺查找潰瘍性結腸炎的相關靶點,并篩選出Zlse活性成分與疾病的交疊靶點,利用DAVID數(shù)據(jù)庫篩選得到交疊靶點相關京都基因與基因組百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)通路。最后通過網(wǎng)絡拓撲屬性分析軟件Cytoscape 3.7.0構建“活性成分-靶點-疾病”網(wǎng)絡圖和“活性成分-靶點-KEGG通路”網(wǎng)絡圖。
數(shù)據(jù)均采用平均值±標準差表示。采用Excel及GraphPad Prism 8.0.2軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖。采用SPSS 25.0中單因素方差分析進行統(tǒng)計學分析,置信區(qū)間為95%(P<0.05)。
如圖1所示,多反應監(jiān)測模式(multiple reaction monitoring,MRM)檢測多峰圖顯示了樣本中檢測到的所有物質(zhì),其中不同顏色的質(zhì)譜峰代表檢測到不同物質(zhì),具體物質(zhì)見表4。茭白殼粗提物經(jīng)過乙酸乙酯萃取和硅膠層析柱純化之后,得到的化合物進行UPLC-MS/MS檢測,所得Zlse共檢測到10種化合物,其中9種為黃酮類化合物、1種為生物堿。10種化合物根據(jù)相對含量排序分別為沙可林B>小麥黃素-4’-O-(愈創(chuàng)木酰甘油)醚>沙可林A>小麥黃素>小麥黃素-4’-O-丁香醇醚>3-氯苯胺>香葉木素>高車前素>小麥黃素-7-O-(2’-丙二酰)鼠李糖苷>柚皮素,其中小麥黃素-4’-O-丁香醇醚、小麥黃素、小麥黃素-4’-O-(愈創(chuàng)木酰甘油)醚、小麥黃素-7-O-(2’’-丙二酰)鼠李糖苷、沙可林B、沙可林A這6種化合物為小麥黃素及其衍生物,總相對含量約為91.53%。
圖1 茭白殼提取物MRM檢測多峰圖Fig. 1 MRM detection multi-peak diagram of Z. latifolia shell extract
表4 茭白殼提取物成分分析Table 4 Component analysis of Z. latifolia shell extract
體質(zhì)量下降是DSS誘導小潰瘍性結腸炎的典型癥狀之一[15]。如圖2A所示,MC組小鼠體質(zhì)量從第10天開始下降,第14天時,MC組小鼠體質(zhì)量為造模初始的84.50%,而NC組小鼠體質(zhì)量為初始的106.77%,MC組小鼠相較NC組體質(zhì)量顯著下降(P<0.05)。與MC組相比,Zlse處理組(Zlse-L、Zlse-M和Zlse-H)小鼠體質(zhì)量的下降趨勢減緩,分別為初始體質(zhì)量的89.10%、92.17%和96.06%,表明Zlse能有效改善結腸炎小鼠體質(zhì)量減輕的癥狀。
DAI評分是評估小鼠潰瘍性結腸炎的重要指標[16]。如圖2B所示,NC組小鼠精神活躍、毛色光澤發(fā)亮,且體質(zhì)量穩(wěn)定上升、大便成形、無便血情況,而MC組小鼠第9天開始DAI評分上升,出現(xiàn)精神萎靡、大便帶黏液等癥狀,第11天出現(xiàn)肉眼可見便血,并伴隨水狀糞便、肛門腫脹等現(xiàn)象。相較而言,Zlse組情況有所改善,第14天時,NC組DAI評分為0,MC組為3.70,Zlse-L組為3.17,Zlse-M組為2.87,Zlse-H組為2.23,說明Zlse能緩解小鼠結腸炎病狀。
圖2 茭白殼提取物對小鼠體質(zhì)量變化率(A)和DAI評分(B)的影響Fig. 2 Effect of Z. latifolia shell extract on percentage body mass change (A) and DAI score (B) in mice
結腸萎縮是小鼠潰瘍性結腸炎的主要癥狀之一[17]。如圖3所示,NC組小鼠結腸長度為7.95 cm,MC組為5.02 cm,與NC組相比顯著縮短(P<0.05),Zlse-L、Zlse-M和Zlse-H組結腸長度分別為5.37、5.67 cm和6.08 cm,相比MC組分別增長6.97%、12.95%和21.12%,說明Zlse一定程度能改善小鼠潰瘍性結腸炎的癥狀。
圖3 茭白殼提取物對小鼠結腸長度的影響Fig. 3 Effect of Z. latifolia shell extract on colon length in mice
為評價Zlse對小鼠結腸組織病理情況的影響,對結腸進行HE染色,結果如圖4A所示。NC組小鼠結腸肉眼觀察無潰瘍和充血癥狀,HE染色切片觀察結腸組織健康,上皮組織結構完整,腺體完整有序,隱窩結構正常。MC組結腸組織肉眼可見充血和部分糜爛,顯微鏡下觀察上皮損傷脫落,隱窩破損甚至完全消失,腺體損傷,炎癥細胞浸潤嚴重,這與MC組小鼠結腸組織病理學評分相較于NC組顯著提高(P<0.05)(圖4B)一致。而Zlse-L、Zlse-M組和Zlse-H組上皮組織之間趨于完整,杯狀細胞增多,炎癥細胞減少,隱窩結構逐漸趨于正常,組織病理學評分較MC組分別顯著降低16.47%、34.12%和57.65%(P<0.05)。
圖4 茭白殼提取物對小鼠結腸HE染色切片(200×)(A)及組織病理學評分(B)的影響Fig. 4 Effect of Z. latifolia shell extract on colonic morphology (200 ×) (A)and histopathology score (B) of mice
炎癥因子是一類主要由免疫系統(tǒng)細胞分泌的具有多種生物學效應的內(nèi)源性多肽,可介導單核細胞等炎癥細胞浸潤腸組織,引起腸組織損傷,直觀反映結腸的炎癥程度[18]。IL-6、IL-8、IL-1β、TNF-α等促炎癥因子分泌水平異常升高會促使小鼠結腸炎性損傷加劇[19]。
TNF-α是炎癥反應中出現(xiàn)最早、最重要的炎性介質(zhì),能夠協(xié)同干擾素γ改變腸上皮細胞的屏障功能和形態(tài)結構,增加腸黏膜和血管壁的通透性,引起腸壁出現(xiàn)潰瘍和水腫[20],還能夠促進IL-6、IL-8等炎癥因子的表達,擴大炎癥級聯(lián)反應,加劇炎癥損傷[21]。IL-1β是單核細胞及免疫細胞產(chǎn)生的重要炎癥介質(zhì),可促進其他炎性因子表達,趨化中性粒細胞浸潤腸道病變部位[22]。IL-6可被IL-1β通過自分泌或者旁分泌的形式刺激產(chǎn)生,能誘導B細胞分化和產(chǎn)生抗體,并誘導T細胞活化增殖,參與機體的免疫應答,是炎性反應的促發(fā)劑[23]。IL-8能刺激中性粒細胞趨化,使其脫顆粒后釋放彈性酶、損傷內(nèi)皮細胞,引起微循環(huán)血流淤滯、組織壞死[24]。
如圖5所示,與NC組相比,MC組小鼠血清中促炎癥因子水平均顯著提高(P<0.05),與MC組相比,Zlse干預組各炎癥因子水平均顯著降低(P<0.05),其中Zlse-L、Zlse-M組和Zlse-H組IL-6質(zhì)量濃度相較于MC組分別降低15.99%、23.11%和43.48%,IL-8質(zhì)量濃度分別降低24.69%、32.82%和44.79%,IL-1β質(zhì)量濃度分別降低25.39%、44.68%和65.96%,TNF-α質(zhì)量濃度分別降低42.33%、49.21%和62.79%。殷玉婷等[25]研究發(fā)現(xiàn)小麥黃素可顯著降低小鼠支氣管肺泡灌洗液中TNF-α和IL-1β水平,改善小鼠肺部炎癥;郭敏俠等[26]用尿酸鈉誘導RAW264.7巨噬細胞炎癥,結果發(fā)現(xiàn)小麥黃素能夠降低細胞培養(yǎng)物上清液中TNF-α含量。本研究發(fā)現(xiàn)Zlse能通過抑制促炎癥因子水平升高,緩解DSS誘導的小鼠潰瘍性結腸炎病理過程中的炎癥反應和組織損傷,與前人研究結果一致。
圖5 茭白殼提取物對小鼠血清炎癥因子水平的影響Fig. 5 Effect of Z. latifolia shell extract on serum inflammatory factors in mice
潰瘍性結腸炎發(fā)病機制與腸道抗氧化系統(tǒng)的失衡有關,過量活性氧和活性氮堆積會導致結腸抗氧化防御系統(tǒng)失衡。MPO是一種血紅素蛋白,富含于中性粒細胞中,在中性粒細胞中可使過氧化氫催化電子供體的氧化作用生成多種氧化物,進而引起氧化應激反應和氧化損傷,最終導致結腸組織損傷[27-28]。如圖6A所示,和NC組相比,MC組小鼠結腸的MPO活力顯著升高(P<0.05),而Zlse-L、Zlse-M和Zlse-H組的MPO活力顯著低于MC組(P<0.05),且隨著Zlse劑量升高MPO活力逐漸降低,相較于MC組分別降低18.48%、22.56%和41.96%,表明Zlse能有效減少小鼠結腸組織中的中性粒細胞,降低炎癥程度,這與HE染色中觀察到的結腸組織炎癥細胞浸潤程度降低一致。SOD能通過清除機體產(chǎn)生的超氧陰離子自由基減輕氧化應激損傷,SOD活力降低致使結腸對自由基的清除能力下降,加速結腸組織損傷[29]。如圖6B所示,相較于NC組,MC組SOD活力顯著降低(P<0.05),Zlse-L、Zlse-M組和Zlse-H組SOD活力分別為MC組的1.28、1.48 倍和1.70 倍。小麥黃素具有良好的抗氧化能力,能有效清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基、羥自由基和超氧陰離子自由基[30-32]。Li Xiaoxiao等[33]研究發(fā)現(xiàn)小麥黃素可以通過抑制MPO活力減輕DSS誘導的小鼠結腸組織損傷。本研究結果表明Zlse能夠通過調(diào)節(jié)小鼠結腸組織MPO和SOD活力,提高結腸抗氧化應激能力,減輕結腸氧化損傷,緩解炎癥。
圖6 茭白殼提取物對小鼠結腸組織中MPO活力(A)和SOD活力(B)的影響Fig. 6 Effect of Z. latifolia shell extract on MPO (A) and SOD (B)activity in colon tissue of mice
Zlse經(jīng)過UPLC/MS-MS系統(tǒng)檢驗共包含10種化合物,進一步在Swiss Target Prediction數(shù)據(jù)庫中篩選得到符合要求的靶點280個,8種化合物為有效活性成分,在OMIM、GeneCards、TTD數(shù)據(jù)庫以潰瘍性結腸炎為關鍵詞,篩選得到1 571個疾病相關靶點,將篩選得到的活性成分靶點與疾病相關靶點進行比對,共得到77個共有靶點(圖7A)。
通過Cytoscape構建活性成分-靶點-疾病網(wǎng)絡圖,結果如圖7B所示,根據(jù)平均節(jié)點Degree值(30)篩選得5個關鍵活性成分,根據(jù)節(jié)點Degree值排序分別為高車前素(49)>香葉木素(45)>小麥黃素(44)>小麥黃素-4’-O-丁香醇醚(42)>柚皮素(39),由于高車前素、香葉木素和柚皮素相對含量很少,推測小麥黃素及小麥黃素-4’-O-丁香醇醚為關鍵活性成分。
通過DAVID數(shù)據(jù)庫對潛在基因進行通路富集分析得到119 條KEGG通路,篩選排名前20的KEGG通路,結果如圖7C、D所示,除人類癌癥相關通路之外,磷脂酰肌醇3-激酶/蘇氨酸激酶(phosphatidylinositol 3-kinase/threonine kinase,PI3K/Akt)信號通路位居首位,可能是Zlse治療潰瘍性結腸炎的關鍵通路,另外受體激活和活性氧積累等也是相關重要通路。研究表明,PI3K/Akt信號通路在腸道炎癥反應過程中發(fā)揮重要作用,與細胞因子的調(diào)控緊密相關。PI3K家族是一類蛋白激酶,PI3K活化之后會激活下游直接靶蛋白Akt,進而激活核因子κB,誘導其釋放大量炎性因子如TNF-α、IL-6和IL-8等[34]。推測Zlse可通過調(diào)節(jié)炎癥因子和抗氧化系統(tǒng)來改善潰瘍性結腸炎的炎癥程度和癥狀,其中小麥黃素和小麥黃素-4’-O-丁香醇醚為關鍵活性成分,這與動物實驗的結果相印證。
圖7 網(wǎng)絡藥理學分析Fig. 7 Network pharmacology analysis
本研究發(fā)現(xiàn),相較于MC組,Zlse干預組小鼠體質(zhì)量下降變緩,DAI評分顯著降低(P<0.05),小鼠結腸縮短現(xiàn)象減輕,且結腸組織病變情況明顯改善,組織病理學評分顯著降低(P<0.05),Zlse顯著抑制了小鼠血清中促炎癥因子水平的升高(P<0.05),顯著降低結腸氧化應激酶MPO活力(P<0.05),提高結腸SOD活力(P<0.05)。UPLC-MS/MS分析Zlse中共檢出10種化合物,經(jīng)過PubChem、Swiss Target、OMIM、GeneCards、TTD、DAVID數(shù)據(jù)庫篩選,推測小麥黃素及小麥黃素-4’-O-丁香醇醚為其關鍵活性成分,PI3K/Akt信號通路、受體激活、活性氧積累為重要作用通路。Zlse通過調(diào)節(jié)結腸氧化防御系統(tǒng),緩解小鼠的炎癥程度,修復結腸炎帶來的損傷。