丁酸盐通过阻断PI3K-AKT-mTOR通路促进肠上皮细胞自噬并调节肠道微生物群,改善DSS诱导的小鼠溃疡性结肠炎

Butyrate ameliorates DSS-induced ulcerative colitis in mice by facilitating autophagy in intestinal epithelial cells and modulating the gut microbiota through blocking the PI3K-AKT-mTOR pathway.

作者信息Ruifang Li, Yan Sun, Drolma Kelsang, Mingzhi Feng, Hanhui Cai, Jun Zhang
PMID41379810
期刊PLoS One
发布时间2025-12-11
DOI10.1371/journal.pone.0337214

实验完整度

中

包含DSS诱导的小鼠模型、组织病理、ELISA、Western blot、免疫荧光、透射电镜和16S rRNA测序等多层级实验,但未使用通路激动剂或抑制剂进行机制验证,也未进行人体样本验证。

主要模型

DSS诱导的C57BL/6小鼠溃疡性结肠炎模型 小鼠结肠组织 小鼠粪便微生物

重点核对

DSS浓度:3% 丁酸盐剂量:300、600、1200 mg/kg灌胃 5-ASA剂量:100 mg/kg 动物品系:SPF级C57BL/6小鼠,雄性,5周龄 样本量:每组6只

摘要

背景:溃疡性结肠炎(UC)是一种特发性的慢性结肠炎症性疾病,因其复发性和难治性给全球公共卫生带来沉重负担。丁酸盐对UC的治疗作用已有报道,但其具体机制尚不清楚。目的:本研究旨在探讨丁酸盐在葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的UC中的作用及潜在机制。方法:利用3% DSS诱导UC小鼠模型,随后分别给予300 mg/kg、600 mg/kg或1200 mg/kg的丁酸盐干预。观察小鼠粪便状况和结肠病理,同时测量体重和结肠长度。检测血清炎症因子、自噬相关蛋白及PI3K/AKT/mTOR通路相关蛋白的表达。此外,利用16S rRNA测序技术评估丁酸盐对小鼠肠道微生物群落的影响。结果:研究表明,丁酸盐能有效缓解UC症状,包括血便、体重减轻和结肠缩短。此外,丁酸盐减轻了结肠组织损伤,降低了TNF-α、IL-1β和IL-6的表达,并显著上调Beclin-1、Atg5和LC3II/I比值,同时降低P62表达。丁酸盐还降低了p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt和p-mTOR/mTOR的相对表达。16S rRNA测序结果显示,丁酸盐通过抑制有害细菌和促进有益细菌的生长来改善肠道微生物群落结构。结论:本研究提示丁酸盐可能通过阻断PI3K/AKT/mTOR通路促进肠上皮细胞自噬以及调节肠道微生物群来减轻DSS诱导的小鼠UC。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
丁酸盐对DSS诱导的小鼠溃疡性结肠炎是否具有保护作用,其潜在机制是否涉及肠上皮细胞自噬和肠道微生物群的调节。
核心机制
丁酸盐通过阻断PI3K/AKT/mTOR通路促进肠上皮细胞自噬,并调节肠道微生物群组成,从而减轻结肠炎症。
主要证据
丁酸盐干预后,小鼠结肠长度恢复、DAI评分降低、组织损伤减轻,血清炎症因子TNF-α、IL-1β、IL-6降低,自噬相关蛋白Beclin-1、Atg5和LC3II/I比值升高,P62降低,p-PI3K/PI3K、p-Akt/Akt、p-mTOR/mTOR比值降低,16S rRNA测序显示肠道菌群结构改善。
研究意义
该研究为UC的新治疗策略提供了理论和实验基础,提示丁酸盐可能作为治疗UC的潜在药物。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

DSS诱导UC模型建立及丁酸盐干预

评估丁酸盐对DSS诱导的UC小鼠的保护作用。

36只C57BL/6小鼠随机分为6组:对照组、DSS模型组、丁酸盐低、中、高剂量组(300、600、1200 mg/kg)和5-ASA阳性对照组。除对照组外,所有组给予3% DSS饮水7天建立UC模型。从第3天起,丁酸盐和5-ASA组连续灌胃7天。每日记录体重和粪便性状,第11天处死小鼠,收集结肠和粪便样本。

2

结肠组织病理学评估

评估丁酸盐对UC小鼠结肠组织损伤的改善作用。

结肠组织经4%多聚甲醛固定、石蜡包埋、切片(5微米)、H&E染色,显微镜下观察组织结构和细胞浸润,并按组织损伤评分标准(HI)评分。

3

血清炎症因子检测

评估丁酸盐对UC小鼠全身炎症反应的影响。

采集小鼠眼眶血,离心获取血清,使用ELISA试剂盒定量检测肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)和白细胞介素-6(IL-6)的水平。

4

肠道菌群16S rRNA测序

评估丁酸盐对UC小鼠肠道微生物群落结构和组成的影响。

提取粪便DNA,PCR扩增16S rRNA V3-V4区域,构建文库并采用Illumina MiSeq PE300平台测序。通过UPARSE聚类OTUs,利用Silva 138数据库进行物种注释,分析α多样性、β多样性(PCA、PCoA)、门水平和属水平的物种组成,并进行LEfSe差异分析。

5

自噬相关蛋白表达检测

评估丁酸盐对UC小鼠结肠组织中自噬水平的影响。

通过Western blot检测自噬相关蛋白(Beclin-1、Atg5、p62、LC3II/I)和PI3K/AKT/mTOR通路蛋白(PI3K、p-PI3K、AKT、p-AKT、mTOR、p-mTOR)的表达水平;通过免疫荧光染色检测Beclin-1、LC3II/I和p62的表达;利用透射电子显微镜观察结肠组织自噬囊泡和自噬溶酶体的形成。

6

自噬与菌群相关性分析

探讨丁酸盐调节的肠道菌群与自噬之间的潜在关联。

使用Spearman相关分析评估肠道菌群丰度与自噬相关蛋白表达之间的相关性。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
葡聚糖硫酸钠MP Biomedicals0216011080
丁酸盐Sigma-AldrichB5887
5-氨基水杨酸AladdinA129982
AKT抗体Cell Signaling Technology4691
磷酸化AKT抗体Cell Signaling Technology4060
LC3II/I抗体Cell Signaling Technology12741
Atg5抗体Cell Signaling Technology12994
mTOR抗体Proteintech81670-1-RR
磷酸化mTOR抗体Hu'anHA600094
PI3K抗体ABclonalA19742
P62抗体ABclonalA19700
Beclin-1抗体ABclonalA21191
磷酸化PI3K抗体Biossbs-5570R
小鼠TNF-α ELISA试剂盒Wuhan Elabscience Biotechnology Co., Ltd.E-EL-M3063
小鼠IL-1β ELISA试剂盒Wuhan Elabscience Biotechnology Co., Ltd.E-EL-M0037c
小鼠IL-6 ELISA试剂盒Wuhan Elabscience Biotechnology Co., Ltd.E-EL-M0044c

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物模型
小鼠品系、性别、周龄、体重、饲养环境(温度、湿度、光照周期)、DSS浓度、DSS给予时间、建模持续时间
阅读提示:见Materials and methods的Experimental animals和Animal grouping and model establishment部分
药物干预
丁酸盐剂量、给药途径、给药起始时间、给药持续时间、5-ASA剂量、灌胃操作细节
阅读提示:见Materials and methods的Animal grouping and model establishment部分
组织病理学
固定液浓度、切片厚度、染色方法、评分标准
阅读提示:见Materials and methods的Histological examination部分及Table 2
炎症因子检测
血清制备方法(离心速度、时间)、ELISA试剂盒型号、检测指标
阅读提示:见Materials and methods的ELISA for serum inflammatory markers部分
菌群测序
DNA提取方法、PCR引物、测序平台、OTU聚类阈值、物种注释数据库
阅读提示:见Materials and methods的16S rRNA gene sequencing部分
蛋白检测
组织裂解方法、BCA定量、SDS-PAGE、转膜条件、抗体稀释度、曝光时间
阅读提示:见Materials and methods的Western blot部分
免疫荧光
抗原修复方法、封闭液、抗体浓度、孵育时间、DAPI染色
阅读提示:见Materials and methods的Immunofluorescence staining部分
透射电镜
固定液、脱水、包埋、切片厚度、染色方法
阅读提示:见Materials and methods的Transmission electron microscopy部分