白扁豆多糖通过调控肠道菌群-苯丙氨酸-心脏轴减轻高脂饮食诱导的小鼠心肌损伤

《Journal of Functional Foods》：White hyacinth bean polysaccharide mitigates high-fat diet-induced myocardial injury by modulating the gut microbiota-phenylalanine-heart axis in mice

　　

白扁豆多糖（white hyacinth bean polysaccharide，WHBP）通过调控肠道菌群-苯丙氨酸-心脏轴减轻高脂饮食（high-fat diet，HFD）诱导的小鼠心肌损伤。
• WHBP减轻HFD诱导的肥胖小鼠心肌损伤及代谢紊乱。
• WHBP恢复肠道屏障完整性并重塑肠道菌群组成。
• WHBP通过肠-心轴降低血清和心脏组织中的苯丙氨酸蓄积。
• WHBP通过过氧化物酶体增殖物激活受体α（peroxisome proliferator-activated receptor alpha，PPARα）/过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1-α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha，PGC-1α）信号通路恢复线粒体脂肪酸β-氧化（fatty acid β-oxidation，FAO）和三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）。

高脂饮食（high-fat diet, HFD）诱发的肥胖已成为全球性健康问题，并显著增加心血管疾病（cardiovascular disease, CVD）的发病风险。HFD诱导的心肌损伤以脂质蓄积、氧化应激、线粒体功能障碍和慢性炎症为主要特征。心脏能量需求极高，其60%～70%的能量由线粒体脂肪酸β-氧化（fatty acid β-oxidation, FAO）提供，该过程受PPARα及其转录共激活因子PGC-1α的严密调控。HFD条件下心肌细胞脂质过度沉积，扰乱PPARα/PGC-1α信号通路，导致ATP耗竭、能量危机和氧化应激，最终加速心肌重塑。此外，HFD可破坏肠道菌群稳态，引起菌群衍生代谢物失调，其中芳香族氨基酸苯丙氨酸的过量蓄积被证实与CVD密切相关。天然植物来源的多糖作为益生元可重塑肠道菌群并改善代谢紊乱，白扁豆多糖（white hyacinth bean polysaccharide, WHBP）具有抗氧化、抗炎和降脂活性，但其对HFD诱导心肌损伤的保护作用及机制尚不清楚。因此，研究人员开展了本研究，旨在探讨WHBP是否通过调控肠道菌群-苯丙氨酸-心脏轴减轻HFD诱导的心肌损伤，并揭示其与PPARα/PGC-1α信号通路相关的线粒体能量代谢恢复机制。

研究人员利用C57BL/6小鼠建立HFD诱导的肥胖模型，随后给予不同剂量WHBP（25、50、100 mg/kg）或阳性对照药血脂康（Xuezhikang, XZK，160 mg/kg）连续灌胃4周，通过组织病理学、生物化学、酶联免疫吸附测定（ELISA）、免疫组织化学、16S rRNA高通量测序、血清非靶向代谢组学及Western blot等多学科手段，系统评价了WHBP的心脏保护作用。结果表明，WHBP通过重塑肠道菌群、恢复肠道屏障、降低循环和心脏组织中苯丙氨酸蓄积，进而激活PPARα/PGC-1α信号通路，恢复线粒体FAO、三羧酸循环和ATP产生，最终减轻HFD诱导的心肌损伤。该研究将苯丙氨酸确定为肠-心串扰的关键介质，为利用多糖类益生元干预代谢性心血管疾病提供了新的理论依据。

本研究主要采用了以下关键技术与方法：①从白扁豆种子中提取纯化WHBP，并通过高效阴离子交换色谱、红外光谱和扫描电镜表征其结构；②以6周龄野生型C57BL/6小鼠（来源：河南斯百特生物科技有限公司，动物合格证号SCXK(豫)2020-0005；实验经南昌大学第一附属医院动物伦理委员会批准，批准号CDYFY-IACUC-202507GR019）建立HFD诱导肥胖模型，并给予WHBP或XZK灌胃；③采用苏木精-伊红（H&E）染色评估心脏和结肠组织病理变化；④利用生化试剂盒检测心肌损伤标志物（CK、LDH）、氧化应激指标（SOD、MDA）、能量代谢酶（HK、MDH）和ATP含量；⑤ELISA检测TNF-α、IL-10和苯丙氨酸水平；⑥免疫组化法检测相关蛋白表达；⑦对粪便样本进行16S rRNA V3-V4区高通量测序以分析肠道菌群组成和多样性；⑧采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UPLC-Q-TOF/MS）进行血清非靶向代谢组学分析；⑨Western blot验证PPARα和PGC-1α蛋白表达；⑩通过Spearman相关分析整合肠道菌群和血清代谢组数据。

3.1 WHBP改善HFD喂养小鼠的肥胖和血脂异常。
通过测量体重、心脏重量、口服葡萄糖耐量试验及血清血脂水平，研究发现WHBP给药显著降低了HFD诱导的体重和心脏重量增加，改善了葡萄糖耐量，并降低血清甘油三酯、总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平，同时升高高密度脂蛋白胆固醇水平。

3.2 WHBP减轻HFD诱导的心肌损伤。
H&E染色显示HFD组心肌细胞排列紊乱、间隙增宽、形态肥大，而WHBP高剂量处理显著改善上述结构异常。生化检测表明，WHBP显著降低心肌损伤标志物肌酸激酶和乳酸脱氢酶活性，降低促炎细胞因子TNF-α水平、升高抗炎细胞因子IL-10水平，并增强超氧化物歧化酶活性、降低丙二醛含量。

3.3 WHBP保护HFD喂养小鼠的肠道屏障完整性。
结肠H&E染色显示，WHBP治疗恢复了HFD引起的结肠黏膜损伤，免疫组化检测证实WHBP显著上调紧密连接蛋白ZO-1和Claudin-1的表达。

3.4 WHBP重塑HFD喂养小鼠的肠道菌群组成。
基于16S rRNA测序，α多样性分析显示HFD显著改变了菌群丰富度和均匀度，WHBP治疗逆转了该改变；主坐标分析显示WHBP组与HFD组菌群结构明显分离。在门水平，WHBP降低了Firmicutes/Bacteroidetes（F/B）比值；在属水平，WHBP富集了Akkermansia、Lactobacillus等有益菌属，并降低Enterococcus等有害菌属丰度。LEfSe分析鉴定出两组间差异显著的标志菌属，PICRUSt2功能预测显示WHBP富集了碳水化合物代谢、氨基酸代谢等通路。

3.5 WHBP调节血清代谢谱并减少心脏苯丙氨酸蓄积。
利用UPLC-Q-TOF/MS对血清进行非靶向代谢组学分析，主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）显示WHBP明显改变HFD小鼠的血清代谢谱。通过筛选差异代谢物并进行KEGG通路富集分析，发现苯丙氨酸代谢是WHBP作用的关键通路。进一步ELISA验证显示，HFD组小鼠血清和心脏组织中苯丙氨酸水平显著升高，而WHBP处理显著降低了苯丙氨酸的异常蓄积。

3.6 相关性分析将肠道菌群改变与苯丙氨酸代谢联系起来。
Spearman相关分析显示，血清苯丙氨酸及其代谢物酪氨酸与AF12、Odoribacter和Aerococcus呈显著正相关，而与Akkermansia、Allobaculum和Lactobacillus呈负相关。同时，棕榈酸和硬脂酸也与上述有益菌属负相关，提示WHBP可能通过调节肠道菌群影响苯丙氨酸和脂质代谢，参与肠-心轴串扰。

3.7 WHBP恢复线粒体FAO、TCA循环和ATP产生。
免疫组化和Western blot结果显示，HFD组小鼠心脏中PPARα、PGC-1α及长链酰基辅酶A脱氢酶（LCAD）表达显著降低，WHBP治疗恢复了这些蛋白的表达。同时，WHBP提高了参与TCA循环的苹果酸脱氢酶活性，降低了己糖激酶活性，并增加心脏ATP含量，表明WHBP增强了线粒体脂肪酸氧化和能量代谢。

3.8 WHBP改善心脏线粒体质量控制并抑制TLR4/NF-κB炎症信号。
免疫组化结果显示，HFD组心脏中促线粒体分裂蛋白DRP1表达升高，而PGC-1α表达降低，同时Toll样受体4（TLR4）和核因子κB（NF-κB）表达显著增加。WHBP处理阻断了这些异常变化，提示WHBP通过改善线粒体动力学和生物合成来增强线粒体质量控制，并抑制TLR4/NF-κB介导的炎症级联反应。

在讨论部分，研究人员整合已有文献和本研究结果指出：HFD通过破坏肠道菌群和肠道屏障，导致苯丙氨酸经肠-心轴进入循环并蓄积于心脏，继而激活TLR4/NF-κB炎症通路并抑制PPARα/PGC-1α/LCAD线粒体FAO通路，引发能量代谢障碍和心肌损伤。WHBP通过重塑肠道菌群（富集Akkermansia、Lactobacillus等有益菌）、恢复紧密连接蛋白表达，降低苯丙氨酸负荷，从而抑制炎症和氧化应激，恢复线粒体FAO、TCA循环和ATP合成，发挥心脏保护作用。

研究结论（原文翻译）：本研究发现，WHBP通过调节肠-心轴减轻了HFD诱导的心肌损伤。具体而言，WHBP重塑肠道菌群，富集有益菌属（Akkermansia和Lactobacillus），减少全身及心脏中的苯丙氨酸蓄积，并通过激活PPARα/PGC-1α信号通路恢复线粒体脂肪酸氧化，最终增强TCA循环活性和ATP产生。综上，本研究将苯丙氨酸确定为肠-心串扰中的关键介质，并将WHBP定位为一种有前景的益生元功能食品补充剂，可用于对抗肥胖相关心功能障碍。此外，未来仍需开展包括粪菌移植在内的进一步研究，以阐明WHBP介导的心脏保护中肠道菌群、苯丙氨酸代谢与线粒体能量调节之间的关系。