木聚糖对Ⅱ型糖尿病大鼠血糖的其肠道产短链脂肪酸的影响

张小东，黄秀静，王小燕，周小梅，何德华

（桂林医学院，广西 桂林）

0 引言

据国际糖尿病联合会（International Diabetes Federation，IDF）报道，2017年全球糖尿病受累人群达4.25亿，预计到2035年这一数字将增至5.92亿[1]。有研究表明，通过合理膳食能够有效调节血糖水平，预防由于糖尿病导致的高脂血症疾病的发生[2-4]。Muhammad U等人（2016）在对糖尿病大鼠补充益生菌、益生素和合生素食物的肠道微生物的分子分析的研究表明在食物中添加益生菌、益生素和合生素能有效的降低糖尿病大鼠的血糖[5]。

Julia Bollrath等人（2013）基于膳食纤维在肠道分解成的短链脂肪酸能与肠道Treg细胞表达的受体蛋白配基结合，发挥免疫负调控作用，从而控制多种自身免疫性疾病与炎症性肠病的发生，在Science杂志上发出“给你的Treg细胞饲喂更多纤维”的呼吁[6]。而木聚糖是禾本植物半纤维素的主要成分，是除纤维素外含量最为丰富的天然细胞壁多糖，是人类可从作物秸秆中获取的丰富可再生资源[7]，具有能充分满足人类社会大规模持续需求的资源优势的膳食纤维。那么它对于患糖尿病大鼠的血糖是否调节影响呢？其对糖尿病大鼠肠道产这种可以发挥免疫负调控的短链脂肪酸的产量是否存在影响呢？我们将对其进行研究。

本研究选择具有资源优势的木聚糖，研究其对糖尿病大鼠的血糖及其产短链脂肪酸的影响。试图了解木聚糖对Ⅱ型糖尿病血糖的影响及对患病状态下的大鼠肠道代谢产短链脂肪酸的影响。为木聚糖作为优质的膳食纤维提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料试剂与仪器设备

SPF级雄性SD大鼠60只，体重（150±20）g，桂林医学院实验动物中心提供，许可证号：SCXK桂2013-0001。

普通饲料（34%玉米、32%面粉、13%麸皮、17%豆粕、4%鱼粉、1%盐）（南京盛民科研动物养殖场）、高脂饲料（20%猪油、1%胆固醇、0.2%胆盐、20%砂糖、58.8%普通大鼠饲料） （南京盛民科研动物养殖场）、链脲佐菌素（streptozotocin STZ）（Sigma）、木聚糖（中科院雁山植物研究所提供）。

台式冷冻离心机（德国eppendorf 5415R）、气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）（美国Agilent7890A-5975C型）、气相色谱柱（DBFFAP122-3232型）、血糖仪（强生稳豪培优）及配套血糖试纸。

1.2 实验过程

1.2.1 糖尿病模型构建

60只大鼠饲养于桂林医学院实验动物房，标准笼喂养，自由摄食、饮水。本研究一共分为四组，即木聚糖糖尿病组大鼠（xyLandiabetes）（10只）、糖尿病组（diabetes）大鼠（10只）、木聚糖对照组（xylan-control）大鼠（10只）和对照组（control）大鼠（10只）。我们采用高脂高糖饲料饲喂8周联合小剂量腹腔注射25mg/kg链脲佐菌素（STZ）的方法制得Ⅱ型糖尿病模型。以连续两周空腹血糖大于7.8mmol/L和餐后2h血糖11.1-32.0mmol/L为建模成功的Ⅱ型糖尿病大鼠[8]。并对以上4组大鼠进行为期12周的饮食干预，期间糖尿病组大鼠和对照组大鼠用普通饲料喂养，而木聚糖糖尿病组大鼠和木聚糖对照组大鼠在普通饲粮中添加游离木聚糖（2.38g/kg·d）喂养。

1.2.2 血糖的测定

每周对木聚糖糖尿病组（xyLan- diabetes）、糖尿病组（diabetes）、木聚糖对照组（xylan-control）和对照组（control）这四组大鼠禁食10-12h，尾静脉采血，采用血糖仪和试纸片分别测定其空腹血糖和口服葡糖（2g/kg）后2h的血糖值。

1.2.3 鼠便中短链脂肪酸的测定

为消除试验动物个体间粪便的差异，用大鼠笼分开饲养收集饮食干预12周后的木聚糖糖尿病组（xyLan-diabetes）、糖尿病组（diabetes）、木聚糖对照组（xylan-control）和对照组（control）这四组中每只大鼠的新鲜粪便样品，经处理后进行GC-MS分析。（色谱柱：DB-FFAP毛细管柱，0.25m内径×30m柱长×0.25μm膜厚；质谱条件：扫描范围200-800 m/z，NIST05a谱库）。根据各样品的质谱，在计算机色谱工作站上进行检索，并与标准谱图集对照，初步鉴定各粪便样品的化学成分。然后选择与标准谱集关联度较高的组分，与标准品进行气相色谱分析比较，最后确定该化合物的成分。

1.2.4 统计学分析

所有实验结果采用GraphPad Prim6进行分析。其中短链脂肪酸、第12周的空腹血糖值和餐后2小时血糖值采用Column中OneOne -Way ANOVA方法进行分析，每周空腹血糖值和餐后2小时血糖值采用XY中Linear regression方法进行分析。

2 结果

2.1 血糖

我们的研究结果显示，对木聚糖糖尿病组（xyLan-diabetes）、糖尿病组（diabetes）、木聚糖对照组（xylan-control）和对照组（control）这四组经过为期12周的饮食干预。在这12周中，与未添加木聚糖饮食干预的糖尿病组大鼠相比，饮食中添加游离的木聚糖的木聚糖糖尿病组大鼠的空腹血糖值（图1）和餐后2h的血糖值（图2）随着干预时间的延长，其血糖值都明显低于糖尿病大鼠组。且饮食干预12周后，木聚糖糖尿病组大鼠空腹血糖值极显著低于糖尿病组大鼠的空腹血糖（P＜0.01）（图3），木聚糖糖尿病组大鼠餐后2h的血糖值低于糖尿病组，但未达到统计学差异（图4）。以上的研究结果显示，木聚糖可极显著降低糖尿病大鼠的空腹血糖值，具有调节糖尿病大鼠血糖的作用。

2.2 鼠便中短链脂肪酸组分测定及结果分析

对以上四组大鼠粪便分别进行色谱分析，都得到了3个主要的组分其总离子流图，经质谱计算机数据库检索标准谱库，对3个色谱峰加以分析、确认，最后鉴定这3个化合物分别为乙酸（acetic acid），丙酸（propionic acid）和丁酸（butyric acid）。

将以上测得的短链脂肪酸含量采用GraphPad Prism6绘制柱形图和T检验，结果显示木聚糖组比对照组的乙酸含量明显增多，且存在差异（P＜0.05），木聚糖糖尿病组的乙酸含量比糖尿病组乙酸含量明显增多，且存在极显著差异（P＜0.0001）（图5）；木聚糖糖尿病组的丙酸含量比糖尿病组丙酸含量明显增多，且存在极显著差异（P＜0.0001）（图6）；木聚糖糖尿病组的丁酸含量比糖尿病组丁酸含量明显增多，且存在极显著差异（P＜0.0001）（图7）；我们的研究结果表明木聚糖可以显著提高糖尿病大鼠粪便中短链脂肪酸（包括乙酸、丙酸、丁酸）的产量。

图1 各组大鼠随着饮食干预的空腹血糖变化

图2 各组大鼠随着饮食干预周数餐后2小时血糖变化

图3 饮食干预12周后各组的空腹血糖

图4 饮食干预12周后的各组餐后2小时血糖（

图5 木聚糖糖尿病组、糖尿病组、木聚糖对照组和对照组大鼠的乙酸含量

图6 木聚糖糖尿病组、糖尿病组、木聚糖对照组和对照组大鼠的丙酸含量

图7 木聚糖糖病组、糖尿病组、木聚糖对照组和对照组大鼠的丁酸含量

3 讨论

本研究发现在糖尿病大鼠饲料中添加游离的木聚糖进行为期12周的饮食干预后，可以显著降低糖尿病大鼠的空腹血糖值（P＜0.01）（图3），且可极显著提高糖尿病大鼠粪便中短链脂肪酸（包括乙酸、丁酸和丙酸）的产量（P＜0.001）（图5、6、7）。而目前研究发现，短链脂肪酸具有调节血糖、与单糖分子杂合进行药物控释等重要作用，在对肠道功效方面，短链脂肪酸不仅具有氧化供能的作用，而且还有维持水电解质平衡、抗病原微牛物及抗炎、调节肠道菌群平衡、改善肠道功能、调节免疫等重要作用[6,9,10]。这提示木聚糖调节空腹血糖的作用机制很有可能通过高产的短链脂肪酸来实现。本研究显示的木聚糖具有降血糖并可高产短链脂肪酸的性能为木聚糖作为优质的膳食纤维提供了理论依据。但木聚糖极显著提高糖尿病大鼠的短链脂肪酸的产量以及降血糖的分子机制有待于我们进一步的研究。