降血尿酸益生菌株的筛选和降血尿酸机理的探索

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降血尿酸益生菌株的筛选和降血尿酸机理的探索

2023-10-12 19:04| 来源: 网络整理| 查看: 265

高尿酸血症是一种血液中尿酸含量显著性超过正常范围的慢性临床综合征,国际上将血液中尿酸浓度男性 > 420 μmol/L,女性 > 357 μmol/L诊断为高尿酸血症[1]。近年的研究表明,高尿酸血症不仅是痛风的生化基础,而且与高血压、动脉粥样硬化、胰岛素抵抗等疾病的发生密切相关,已经逐渐发展成为威胁人类健康的代谢疾病[2-3]。

高尿酸血症的发病受到多方面因素的影响,例如遗传、性别、生活方式、饮食习惯等。人体血液中尿酸的浓度取决于尿酸的生成量和排泄量,尿酸生成增多或排泄减少或两者同时发生均可以导致高尿酸血症的发生。由于进化的原因,人体缺乏尿酸氧化酶,含有嘌呤骨架的嘌呤类物质(核苷酸、核苷、嘌呤等)在人体内被代谢为尿酸,这些嘌呤类成分的摄入量直接影响血液中尿酸水平,所以高尿酸血症患者通常需要严格的饮食控制,然而限制这些成分的摄入是极其困难的[4],因为动植物细胞、食物调味剂中均含有嘌呤类成分。

目前治疗高尿酸血症的药物有限,主要依赖黄嘌呤氧化酶抑制剂别嘌呤醇和促尿酸排泄药丙磺舒、苯溴马隆等,但这些药物存在毒副作用强、患者耐受度低的问题。近些年,因为具有较高的安全性,中药也成为治疗高尿酸血症的主要方法,例如除湿化痰法、健脾化浊法[5-6]。西安交通大学医学院发现向SD大鼠肠道中加入蒙脱石可以通过吸附作用达到降血尿酸的作用,为治疗高尿酸血症提供参考[7]。寻找新型高效低毒的治疗方法是目前研究的热点。

人体内的尿酸约2/3由肾脏排出,1/3由肠道直接排出体外或者由肠道菌群分解。益生菌一方面作为人类肠道重要的生理菌群,具有增强免疫系统、降低胆固醇、治疗泌尿系统感染等作用[8];一方面含有尿酸氧化酶,可以将尿酸代谢为水溶性好、对人体无毒的尿囊素。大连医科大学[9]、日本明治株式会社[10]、大冢制药株式会社[11]相继发现某些益生菌具有降低血尿酸的能力,并利用动物实验验证其有效性,相关菌株已经被申请了专利,其中日本明治株式会社的PA-3益生菌产品目前已在日本上市[12]。

本研究中,我们从多株实验菌株中首次筛选到一株具有降解核苷酸与核苷能力且降解速率较高的干酪乳杆菌ZM15,并利用高尿酸血症模型大鼠验证其具有降血尿酸的作用,首次利用质谱对菌株ZM15降解核苷、核苷酸过程中胞外和胞内代谢物进行定性与定量,初步探讨了菌株ZM15降低血尿酸的机理。

1 材料与方法 1.1 材料

1.1.1 菌株和实验动物

实验所用益生菌株由嘉兴益诺康生物科技有限公司提供,菌种信息如表 1所示。菌种存于40%甘油管中,-20 ℃保存。

表 1 实验菌种 Table 1 Lactobacillus strains in experiment 种属名称Species name 菌株名称Strains name 来源Origins Lactobacillus acidophilus ZM23 Human Lactobacillus casei ZM15 (CGMCC No.13980) Human Lactobacillus reuteri ZM122 Human Lactobacillus fermentum ZM05 Human Lactobacillus plantarum ZM529 Human Lactobacillus paracasei ZM79 Human Lactobacillus salivarius ZM55 Human Lactobacillus rhamnosus ZM18 Human Streptococcus salivarius ZM252 Oral mucosa Bifidobacterium longum YH295, HM44, HM11, HM12, HM14, HM34, HM51, HM270, HM31, HM410, HM32, HM8, HM211 Human B. adolescentis HM29 Human B. bifidum HM24, HM21 Human B. pseudocatenulatum HM37, HM13, HM2, HM52, HM56 Human 表选项

清洁级Wistar雄性大鼠,7周龄,体重200-220 g,由国家实验动物种子中心上海分中心暨上海斯莱克实验动物有限责任公司提供,许可证号:SCXK(沪) 2017-0005。

1.1.2 主要试剂和仪器

腺苷酸、腺苷、鸟苷酸、鸟苷、黄嘌呤、次黄嘌呤、鸟嘌呤、尿酸、尿囊素、圆酵母核糖核酸、氧嗪酸钾、羧甲基纤维素钠、乙酸铵、磷酸、磷酸钾、高氯酸均购自Sigma-aldrich公司;MRS培养基购自青岛海博生物技术有限公司;酵母粉购自安琪酵母股份有限公司;别嘌呤醇购自国药集团化学试剂有限公司;甲醇购自天地高纯溶剂有限公司;普通鼠粮购自上海福贝世亨生物医药有限公司。所有用于HPLC与HPLC/MS分析的有机试剂、水、标准品纯度均为色谱纯,其他为分析纯。

RP-HPLC流动相Ⅰ(1 000 mL,pH 2.5):20 mmol/L Phosphate Buffer (PB)溶液。RP-HPLC流动相Ⅱ (1 000 mL,pH 5.0):20 mmol/L磷酸二氢钾溶液。质谱流动相:10 mmol/L乙酸铵溶液,缓冲液Ⅰ (100 mL):0.2 g/L尿酸-10 mmol/L中性磷酸钾缓冲液,缓冲液Ⅱ (100 mL):38.1 μg/mL黄嘌呤-34.5 μg/mL次黄嘌呤-36.5 μg/mL鸟嘌呤-10 mmol/L中性磷酸钾缓冲液,缓冲液Ⅲ (100 mL):0.828 g/L腺苷-0.822 g/L鸟苷-10 mmol/L中性磷酸钾缓冲液,缓冲液Ⅳ(100 mL):0.83 g/L腺苷酸-0.90 g/L鸟苷酸-10 mmol/L中性磷酸钾缓冲液,缓冲液Ⅴ (100 mL):0.83 g/L腺苷酸-0.90 g/L鸟苷酸-0.828 g/L腺苷-0.822 g/L鸟苷-10 mmol/L乙酸铵缓冲液,质谱标准品溶液(100 mL):54 μg/mL黄嘌呤-108 μg/mL次黄嘌呤-320 μg/mL鸟嘌呤-40 μg/mL尿酸-80 μg/mL尿囊素-10 mmol/L乙酸铵溶液,高嘌呤鼠粮(普通鼠粮100 g,酵母粉40 g,圆酵母核糖核酸2 g)委托上海福贝世亨生物医药有限公司完成重新制粒工作。

高效液相色谱仪、三重四级杆质谱仪、反相色谱柱Agilent Bonus-RP C18 (250 mm×4.0 mm,4.6 μm)购自Agilent Technologies公司;反相色谱柱Cosmosil-PAQ (250 mm×4.0 mm,4.6 μm)购自Nacalai Tesque公司;反相色谱柱Dikma spursil C18-EP (250 mm×4.0 mm,4.6 μm)购自迪马科技公司。

1.2 方法

1.2.1 益生菌筛选

(1) 筛选具有降解尿酸能力的益生菌

取900 μL缓冲液Ⅰ与100 μL高氯酸溶液(0.1 mol/L)混合均匀后吸取20 μL,外标法测定尿酸保留时间并制作定量标准曲线。HPLC条件:高效液相色谱仪,反相色谱柱:Cosmosil-PAQ,流动相为等梯度20 mmol/L PB溶液,流速1 mL/min,柱温25 ℃,测定波长254 nm,保留时间40 min。

益生菌分别通过3次接种传代,按1%接种量重新接种于7 mL新鲜MRS液体培养基,37 ℃厌氧培养20 h过夜至平台期。取2 mL培养液4 ℃、5 000 r/min离心10 min,收集菌体沉淀,1 mL PBS重复洗涤菌体3次。向菌体沉淀中添加750 μL缓冲液Ⅰ,厌氧条件37 ℃培养30 min后4 ℃、5 000 r/min离心10 min,取90 μL上清与10 μL终止剂高氯酸溶液(0.1 mol/L)混合均匀,取20 μL用于HPLC分析。所有进入HPLC的溶液均需要使用孔径0.22 μm的无菌过滤器过滤。根据HPLC色谱图与定量标准曲线,计算不同益生菌降解尿酸的速率。

(2) 筛选具有降解嘌呤(黄嘌呤、次黄嘌呤、鸟嘌呤)能力的益生菌

取900 μL缓冲液Ⅱ与100 μL高氯酸溶液(0.1 mol/L)混合均匀后吸取20 μL,外标法测定3种嘌呤的保留时间并制作定量标准曲线,HPLC条件参考筛选具有降解尿酸能力的益生菌部分。

益生菌通过传代培养后,取2 mL菌体沉淀与750 μL缓冲液Ⅱ培养30 min后离心(具体操作参考筛选具有降解尿酸能力的益生菌部分),90 μL上清与10 μL终止剂高氯酸溶液混合均匀,取20 μL用于HPLC分析。根据HPLC色谱图与标准曲线,计算不同益生菌降解黄嘌呤、次黄嘌呤、鸟嘌呤的速率。

(3) 筛选具有降解核苷(腺苷、鸟苷)能力的益生菌

取900 μL缓冲液Ⅲ与100 μL高氯酸溶液(0.1 mol/L)混合均匀后吸取20 μL,外标法测定腺苷与鸟苷的保留时间并制作定量标准曲线,HPLC条件参考筛选具有降解尿酸能力的益生菌部分。

益生菌通过传代培养后,取2 mL菌体沉淀与750 μL缓冲液Ⅲ培养30 min后离心(具体操作参考筛选具有降解尿酸能力的益生菌部分),90 μL上清与10 μL终止剂高氯酸溶液混合均匀,取20 μL用于HPLC分析。根据HPLC色谱图与标准曲线,计算不同益生菌降解腺苷、鸟苷的速率。

(4) 筛选具有降解核苷酸(腺苷酸、鸟苷酸)能力的益生菌[13]

取900 μL缓冲液Ⅳ与100 μL高氯酸溶液(0.1 mol/L)混合均匀后吸取20 μL,外标法测定腺苷酸与鸟苷酸的保留时间并制作定量标准曲线,HPLC条件:高效液相色谱仪,反相色谱柱:Agilent Bonus-RP C18,流动相为等梯度20 mmol/L磷酸二氢钾溶液(pH 5.0),流速1 mL/min,柱温25 ℃,测定波长254 nm,保留时间40 min。.

益生菌通过传代培养后取2 mL菌体沉淀与750 μL缓冲液Ⅳ培养30 min后离心(具体操作参考筛选具有降解尿酸能力的益生菌部分),90 μL上清与10 μL终止剂高氯酸溶液混合均匀,取20 μL用于HPLC分析。根据HPLC色谱图与定量标准曲线,计算菌株ZM05、ZM15益生菌降解腺苷酸、鸟苷酸的速率。

1.2.2 初步探究菌株ZM15降解核苷酸和核苷的机制

为了验证菌株ZM15降解核苷酸、核苷是否为胞内过程,开展以下实验[14-15]。菌株ZM15通过传代培养后,取2 mL培养液4 ℃、5 000 r/min离心10 min,收集菌体沉淀。1 mL PBS洗涤菌体,重复3次,收集实验菌体,悬浮于1 mL缓冲液Ⅳ,调整菌体浓度为109 CFU/mL,37 ℃培养30 min后4 ℃、4 000 r/min离心10 min,取450 μL上清液(胞外分泌物)与450 μL缓冲液Ⅳ 37 ℃培养30 min后加入100 μL终止剂高氯酸,取20 μL混合液用于HPLC分析。菌体沉淀重悬于1 mL PBS溶液中(10 mmol/L,pH 7.2),超声波破碎(200 W,工作时间5 s,停顿5 s) 5 min后4 ℃、12 000 r/min离心10 min,取450 μL上清液(胞内物)与450 μL缓冲液Ⅳ混合,37 ℃培养30 min后加入100 μL终止剂高氯酸,0.22 μm滤膜过滤后,取20 μL混合液用于HPLC分析。腺苷酸与鸟苷酸含量色谱分析方法参考筛选具有降解核苷酸能力的益生菌部分。

为了验证菌株是否胞内降解核苷,同样取胞内物与胞外分泌物分别与缓冲液Ⅲ培养,步骤同核苷酸部分,腺苷与鸟苷含量色谱分析方法参考筛选具有降解核苷能力的益生菌部分。

1.2.3 ZM15降解核苷酸和核苷的代谢产物检测[16-18]

取质谱标准品溶液,用溶剂分别稀释为原溶液浓度的1/2、1/4、1/8、1/16,利用三重四级杆质谱MRM模式(Multiple reaction monitoring)对黄嘌呤、次黄嘌呤、鸟嘌呤、尿酸、尿囊素定性及外标法定量。质谱优化后条件如下:三重四级杆质谱仪,反相色谱柱:Dikma spursil C18-EP,流速1 mL/min,柱温25 ℃,测定波长254 nm,进样20 μL,流动相:A相为10 mmol/L乙酸铵溶液,B相为甲醇溶液,梯度程序设置如下:0 min,1% B;20 min,70% B;22 min,95% B;24 min,1% B;30 min,1% B。质谱条件如下:fragmentor,135 V;capillary voltage,4 kV;nozzle voltage,500 V;nebulizer gas pressure (N2),45 Psi;drying gas flow (N2),5 L/min;gas temperature,300 ℃;sheath gas temperature,250 ℃;sheath gas flow,11 L/min,其他参数如表 2所示。通过Agilent MassHunter B4.0获得数据,Quantitative analysis of software处理数据。

表 2 代谢物质谱分析条件 Table 2 MS analysis condition of metabolites 成分名称Compound name 母离子Precursor ion (m/z) 子离子Product ion (m/z) 碰撞能量Collision energy (eV) 细胞加速电压Cell accelerator voltage (eV) Uric acid 169 96 30 5 Allantoin 159 116 5 5 Xanthine 153 136 10 5 Guanine 152 135 30 5 Hypoxanthine 137 119 30 5 表选项

益生菌通过传代培养后,取2 mL培养液4 ℃、5 000 r/min离心10 min,收集菌体沉淀。1 mL PBS洗涤菌体,重复3次。设置4组平行实验组,每组ZM15菌体重悬于1 mL缓冲液Ⅴ中,菌液浓度调整为109 CFU/mL,37 ℃分别培养2、8、12、24 h。同时,设置5组平行对照实验,每组ZM15重悬于1 mL乙酸铵溶液中,菌液浓度同样调整为109 CFU/mL,37 ℃分别培养0、2、8、12、24 h。培养结束后,溶液4 ℃、5 000 r/min离心10 min,上清液为胞外分泌物;菌体沉淀重悬于1 mL乙酸铵溶液中,超声波破碎(200 W,工作时间5 s,停顿5 s) 5 min后4 ℃、12 000 r/min离心10 min,上清液为胞内物。0.22 μm滤膜过滤后,用质谱测定不同时间点胞内、胞外产物中代谢物含量。

1.2.4 益生菌对高尿酸血症模型大鼠干预实验

32只雄性Wistar大鼠适应饲养7 d后,随机分为高尿酸血症模型组(n=8)、益生菌治疗组(n=8)、别嘌呤治疗组(n=8)和正常对照组(n=8) 4组。第8天开始,前3组大鼠饲喂高嘌呤鼠粮并按每100 g体重每天标准腹腔注射250 mg氧嗪酸钾-羧甲基纤维素钠混悬液,正常对照组饲喂普通鼠粮,各组饮水均自由。第14天开始,前3组继续饲喂高嘌呤鼠粮辅以腹腔注射氧嗪酸钾-羧甲基纤维素钠混悬液,其中益生菌干预组:每只大鼠按照每天2×109 CFU标准灌胃ZM15;别嘌呤组:每只大鼠按每100 g体重每天标准腹腔注射4.2 mg别嘌呤醇-羧甲基纤维素钠混悬液;持续14 d。

动物实验第7、14、21、28天收集所有大鼠的尾静脉血液,离心分离血浆,测定血尿酸、肌酐、尿素氮含量。动物实验血液测定委托上海斯莱克实验动物有限责任公司完成。

1.2.5 数据处理

所有实验均重复3次,结果数据表示为x±s,使用IBM SPSS (Version 20.0)软件进行统计分析。使用方差分析(one-way anova)对结果进行差异比较,P < 0.05为显著性差异,P < 0.01为极显著性差异。

2 结果与分析 2.1 益生菌的筛选

2.1.1 筛选具有降解尿酸能力的益生菌

高效液相结果显示30株益生菌对尿酸没有降解能力。

2.1.2 筛选具有降解嘌呤能力的益生菌

高效液相结果显示30株益生菌对黄嘌呤、次黄嘌呤、鸟嘌呤没有降解能力。

2.1.3 筛选具有降解核苷(腺苷和鸟苷)能力的益生菌

外标法测得腺苷和鸟苷在色谱条件下保留时间分别为14.59 min和20.05 min;定量曲线分别为A腺苷=1 611.21C腺苷+167.78 (R2=0.999 9),A鸟苷= 3 468.42C鸟苷+ 379.57 (R2=0.999 8),A:峰面积,C:浓度(mmol/L)。腺苷与鸟苷的降解速率按照下面公示计算:v=(C1-C2)×V/(T×m),v:降解速率[mmol/(h·g)],C2:剩余腺苷/鸟苷浓度(mmol/L),C1=2.5 mmol/L,V = 1 mL,T=0.5 h,m=0.002 394 g。

高效液相结果显示30株益生菌中有5株对腺苷和鸟苷具有降解作用,结果如图 1所示,其中菌株ZM05、ZM15降解速率显著高于其他3株菌。30 min内ZM15、ZM05降解腺苷、鸟苷比率均达到100%,降解腺苷速率均为2.56 mmol/(h·g),降解鸟苷速率均为2.57 mmol/(h·g)。

图 1 益生菌对腺苷和鸟苷的降解能力 Figure 1 The ability of degrading adenosine and guanosine by different probiotic strains 图选项

2.1.4 筛选降解核苷酸(腺苷酸和鸟苷酸)速率高的菌株

外标法测得腺苷酸和鸟苷酸在色谱条件下保留时间分别为13.98 min和30.09 min,定量曲线分别为A腺苷酸=1 611.21C腺苷酸+167.78 (R2=0.999 9),A鸟苷酸= 3 468.42C鸟苷酸+379.57 (R2=0.999 8),A:峰面积,C:浓度(mmol/L)。腺苷酸与鸟苷酸的降解速率按照下面公示计算v=(C3-C4)×V/(T×m),v:降解速率[mmol/(h·g)],C4:剩余腺苷酸/鸟苷酸浓度(mmol/L),C3=2.5 mmol/L,V=1 mL,T=0.5 h,m=0.002 394 g。

利用高效液相比较菌株ZM05、ZM15降解腺苷酸、鸟苷酸能力,如图 2所示ZM15降解腺苷酸、鸟苷酸的速率显著高于ZM05。30 min内ZM05降解腺苷酸、鸟苷酸率比率分别达到93.05%、64.87%,降解腺苷酸速率为0.93 mmol/(h·g)、降解鸟苷酸速率为1.46 mmol/(h·g);30 min内ZM15降解腺苷酸、鸟苷率比率达到100%,降解腺苷酸速率为2.57 mmol/(h·g)、降解鸟苷酸速率为2.28 mmol/(h·g)。

图 2 ZM05、ZM15降解腺苷和鸟苷能力比较 Figure 2 The comparation between the ability of degrading AMP and GMP by ZM05 and ZM15 图选项 2.2 菌株ZM15降解核苷酸、核苷过程

为了判断菌株ZM15降解核苷酸、核苷是否为胞内过程,分别取降解核苷酸、核苷后ZM15的胞内物与胞外分泌物重新与核苷酸、核苷进行培养。图 3显示经过37 ℃培养30 min后ZM15胞内物对腺苷、鸟苷的降解率和ZM15一样,均达到100%,胞外分泌物对腺苷、鸟苷降解率为0。图 4显示37 ℃培养30 min后ZM15胞内物对腺苷酸、鸟苷酸的降解率和ZM15一样,均达到100%,胞外分泌物对腺苷酸、鸟苷酸的降解率为0。结果明确显示益生菌对核苷酸与核苷的降解作用是胞内完成的。

图 3 ZM15降解腺苷和鸟苷 Figure 3 The degradation of adenosine and guanosine by ZM15 注:A:腺苷-鸟苷中性磷酸钾缓冲液(900 μL腺苷-鸟苷中性磷酸缓冲液37 ℃培养30 min后,与100 μL高氯酸混合均匀后取20 μL混合液利用HPLC分析);B:菌株ZM15与腺苷-鸟苷中性磷酸钾缓冲液37 ℃培养30 min;C:ZM15胞内物与腺苷-鸟苷中性磷酸钾缓冲液37 ℃培养30 min;D:ZM15胞外分泌物与腺苷-鸟苷中性磷酸钾缓冲液37 ℃培养30 min.具体细节参见1.2.2. Note: A: Adenosine-guanosine solution without incubation with ZM15 (900 μL adenosine-guanosine solution was incubated at 37 ℃ for 30 min, then 100 μL HClO4 was added, 20 μL of the mixture was analyzed by HPLC); B: ZM15 cells were incubated with adenosine-guanosine solution for 30 min; C: Cell-free extracts of ZM15 was incubated with adenosine-guanosine solution for 30 min; D: Extracellular supernatant of ZM15 was incubated with adenosine-guanosine solution for 30 min. See details in methods as 1.2.2. 图选项 图 4 ZM15降解腺苷酸和鸟苷酸 Figure 4 The degradation of AMP and GMP by ZM15 注:A:腺苷酸-鸟苷酸中性磷酸钾缓冲液(900 μL腺苷酸-鸟苷酸中性磷酸钾缓冲液37 ℃培养30 min后,与100 μL高氯酸混合均匀后取20 μL混合液利用HPLC分析;B:菌株ZM15与腺苷酸-鸟苷酸中性磷酸钾缓冲液37 ℃培养30 min;C:ZM15胞内物与腺苷酸-鸟苷酸中性磷酸钾缓冲液37 ℃培养30 min;D:ZM15胞外分泌物与腺苷酸-鸟苷酸中性磷酸钾缓冲液37 ℃培养30 min.具体细节参见1.2.2. Note: A: AMP-GMP solution without incubation with ZM15 (900 μL AMP-GMP solution was incubated at 37 ℃ for 30 min, then 100 μL HClO4 was added, 20 μL of the mixture was analyzed by HPLC); B: ZM15 living cells were incubated with AMP-GMP solution for 30 min; C: Cell free extract of ZM15 was incubated with AMP-GMP solution for 30 min; D: Extracellular supernatant of ZM15 was incubated with AMP-GMP solution for 30 min. See details in methods as 1.2.2. 图选项

本研究参考大连医科大学[9]采用磷酸盐缓冲体系筛选具有降解核苷酸和核苷作用的益生菌,由于磷酸盐作为不挥发盐类通常不被允许进入质谱,虽然质谱对物质定性方面与高效液相相比具有巨大的优势,仍无法利用质谱对益生菌降解核苷酸、核酸的代谢产物进行定性与定量。本研究采用乙酸铵缓冲液替代磷酸盐缓冲液,通过平板划线法验证了乙酸铵缓冲液替代磷酸盐缓冲液对ZM15的生长没有显著性差异;高效液相结果显示在乙酸铵缓冲液和磷酸盐缓冲液中ZM15对核苷酸和核苷的降解速率没有显著性区别;高效液相结果显示黄嘌呤、次黄嘌呤、鸟嘌呤、尿酸、尿囊素在乙酸铵缓冲体系中24 h稳定,未发生显著降解。由于乙酸铵缓冲液可以进入质谱系统,因此本研究首次利用三重四级杆质谱定性与定量检测益生菌降解核苷酸与核苷过程中产生的代谢物。三重四级杠杆质谱MRM模式对黄嘌呤、次黄嘌呤、鸟嘌呤、尿酸、尿囊素定性结果如图 5所示,外标法定量的标准曲线如下:A黄嘌呤=2E+06C黄嘌呤(R2=0.992),A鸟嘌呤= 4E+06C鸟嘌呤(R2=0.991),A次黄嘌呤=5E+06C次黄嘌呤(R2=0.996);A:峰面积,C:浓度(mmol/L)。109 CFU ZM15与3 μmol腺苷酸、3 μmol鸟苷酸、3 μmol腺苷、3 μmol鸟苷在1 mL乙酸铵缓冲液中37 ℃培养,高效液相结果显示30 min后菌体内和体外溶液检测不到外加的核苷和核苷酸;质谱结果显示2 h后胞外、胞内均测到鸟嘌呤、黄嘌呤、次黄嘌呤,且胞内3种嘌呤含量显著高于对照(正常)菌体内含量。如表 3所示,尿酸和尿囊素在胞内、外均未发现。

图 5 三重四级杆质谱MRM模式检测5种标样 Figure 5 The mass spectrum of five standards by QQQ (MRM) 注:A:尿酸;B:尿囊素;C:黄嘌呤;D:鸟嘌呤;E:次黄嘌呤. Note: A: Uric acid (UA); B: Allantoin; C: Xanthine; D: Guanine; E: Hypoxanthine. 图选项 表 3 三重四级杆质谱检测菌株ZM15降解核苷酸和核苷过程中胞内、外嘌呤含量变化 Table 3 Quantification of purines during the degradation of nucleotides and nucleosides by ZM15 extracellularly and intracellularly using QQQ (MRM) 组名Group 黄嘌呤Xanthine (μmol/L) 次黄嘌呤hypoxanthine (μmol/L) 鸟嘌呤guanine (μmol/L) 胞外Out 胞内In 胞外Out 胞内In 胞外Out 胞内In Control 0.000±0.000 0.008±0.001 0.000±0.000 0.002±0.001 0.000±0.000 0.125±0.005 Experiment-2h 0.066±0.001 0.040±0.002** 0.114±0.001 0.040±0.001## 0.716±0.025 0.439±0.008△△ Experiment-8h 0.046±0.000 0.051±0.001** 0.115±0.001 0.058±0.001## 0.838±0.005 0.788±0.001△△ Experiment-12h 0.053±0.002 0.044±0.000** 0.124±0.001 0.033±0.001## 0.970±0.015 0.805±0.005△△ Experiment-24h 0.067±0.001 0.063±0.001** 0.110±0.001 0.042±0.001## 1.028±0.018 0.858±0.003△△ 注:实验数据均用平均值±标准差表示,重复3次. **:与胞内黄嘌呤含量对比具有极显著性差异(P < 0.01);##:与胞内次黄嘌呤含量对比具有极显著性差异(P < 0.01);△△:与胞内鸟嘌呤含量对比具有极显著性差异(P < 0.01).Note: Each value represents Means±S, n=3. **: P < 0.01 compare with the content of intracellular xanthine in control; ##: P < 0.01 compare with the content of intracellular hypoxanthine in control; △△: P < 0.01 compare with the content of intracellular guanine in control. 表选项 2.3 动物实验

本研究通过给大鼠腹腔注射氧嗪酸钾并辅以高嘌呤饮食建立高尿酸血症模型,用于检测菌株ZM15是否有降低大鼠血尿酸的作用。图 6A显示连续7 d腹腔注射氧嗪酸钾并辅以高嘌呤饮食使高尿酸血症模型组、ZM15治疗组、别嘌呤治疗组大鼠的血尿酸水平升高至226.02 μmol/L,为对照组大鼠血尿酸水平的3.08倍(P < 0.01),认为实验条件下高尿酸血症模型建立。第14天开始对别嘌呤组大鼠给予别嘌呤治疗,连续7-14 d的治疗使大鼠血尿酸水平显著低于高尿酸血症模型大鼠(P < 0.01)。连续给大鼠灌胃ZM15 7 d后,ZM15治疗组大鼠血尿酸水平与模型大鼠比显著降低(P < 0.01),连续灌胃14 d后ZM15治疗组大鼠血尿酸水平与灌胃7 d相比进一步显著降低(P < 0.05),显示ZM15具有降低大鼠血尿酸的作用,同时对结果进行比较显示其治疗作用不如临床药物别嘌呤醇。图 6B、C显示建模期间高尿酸血症组、ZM15组、别嘌呤组大鼠的尿素氮、肌酐值显著高于对照组大鼠(P < 0.05),但是仍处于正常范围[19-20],认为大鼠未出现肾小球滤过功能损伤,高尿酸血症模型是成功的。

图 6 菌株ZM15和别嘌呤醇对高尿酸血症模型大鼠的作用 Figure 6 Effects of ZM15 and allopurinol on hyperuricemic rats 注:A:血尿酸水平;**:与对照组大鼠对比具有极显著性差异(P < 0.01),##:与高尿酸血症模型组大鼠对比具有极显著性差异(P < 0.01),△△:与ZM15治疗组大鼠对比具有极显著性差异(P < 0.01);B:尿素氮水平;C:肌酐水平;实验数据均用平均值±标准差表示,重复3次. Note: A: The level of serum uric acid (UA); **: P < 0.01 compare with control rats, ##: P < 0.01 compare with hyperuricemic rats, △△: P < 0.01 compare with allopurinol treated rats; B: The level of BUN (blood urea nitrogen); C: The level of Cr (creatinine). Each value represents Means±SD, n=3. 图选项 3 讨论与结论

高尿酸血症的显著性特点是血液中尿酸含量高于正常水平,如何降低血尿酸浓度成为治疗高尿酸血症的关键。益生菌作为人体肠道重要的菌群成员,在高尿酸血症治疗上与药物相比更有优势[21],如何筛选到具有降低血尿酸功能的益生菌株成为目前研究的热点。大连医科大学和大冢制药株式会社将降解核苷(鸟苷、肌苷)作为筛选益生菌的标准,日本明治株式会社将降解腺苷酸作为筛选益生菌的标准[9-11]。本研究中我们提高筛选益生菌的标准,要求菌株同时可以降解2种核苷酸(腺苷酸、鸟苷酸)、2种核苷(腺苷、鸟苷)、3种嘌呤(鸟嘌呤、黄嘌呤、次黄嘌呤)和尿酸,首次体外筛选到具有同时降解腺苷酸、鸟苷酸、腺苷和鸟苷能力的干酪乳杆菌ZM15。

大连医科大学[9]和日本明治株式会社[10]、大冢制药株式会社[11]均采用益生菌-核苷酸-磷酸盐缓冲体系或益生菌-核苷-磷酸盐缓冲体系筛选具有降血尿酸作用的益生菌,由于磷酸盐不被允许进入质谱,所以无法用质谱检测益生菌的代谢产物。本研究中,我们将磷酸盐缓冲体系改为乙酸铵缓冲体系,首次将质谱检测益生菌降解核苷酸与和核苷代谢产物变为了可能,明显提高了检测的精确度和方便性,为今后进行进一步研究提供了有效方法。

生物化学指出嘌呤代谢中核苷酸在核苷酸酶作用下水解为核苷,核苷在核苷磷酸化酶作用下水解为嘌呤碱基和1-磷酸核糖,嘌呤碱基一方面进入核苷酸补救合成途径,间接参与其他代谢过程,另一方面进入分解代谢形成尿酸或者尿囊素[22]。利用高效液相色谱检测被降解底物的变化情况,结果显示109 CFU ZM15将3 μmol腺苷酸、3 μmol鸟苷酸、3 μmol腺苷、3 μmol鸟苷完全降解转化后(菌株体内和体外溶液在转化后已测不到外加的核苷和核苷酸),利用质谱没有检测到尿酸和尿囊素生成;同时,理论上这些核苷酸与核苷应生成12 μmol的嘌呤,然而检测到的黄嘌呤、次黄嘌呤、鸟嘌呤的总生成量要远低于理论估计值。我们认为ZM15在体内降解腺苷酸、鸟苷酸、腺苷、鸟苷生成黄嘌呤、次黄嘌呤、鸟嘌呤,3种嘌呤部分被排出胞外部分保留在菌体内,其他形成的中间产物则通过核苷酸补救过程间接参与其他代谢活动。

本研究中通过给7周龄wistar雄性大鼠连续7 d腹腔注射氧嗪酸钾辅助高嘌呤饮食建立了稳定的高尿酸血症模型,进而用于验证我们筛选的益生菌是否具有显著降低血尿酸的作用。本研究构建高尿酸血症模型大鼠时参考了大连医科大学和日本明治株式会社、大冢制药株式会社构建模型的方法[9-11],不同之处是我们提高了大鼠的嘌呤类物质摄入量,对验证益生菌作用提出了更高的要求,动物实验结果显示了ZM15具有降低血尿酸的显著效果。

目前,关于益生菌降低血尿酸的机制缺乏明确的解释,主要有下面3种说法:(1)大连医科大学推测益生菌DM9218在肠道中与上皮细胞竞争吸收食物中的核苷,但是对食物中和水解产生的嘌呤碱基没有明显降解效果,这部分嘌呤碱基仍可以被肠道吸收[23];(2)明治株式会社认为益生菌PA-3可以减少肠道对腺苷、腺苷酸的吸收达到降低血尿酸的作用[24];(3)大冢制药株式会社乳杆菌ONRIC b0185在肠道中分解由食物摄取的嘌呤类化合物降低肠道的吸收[25],该菌株具有将肌苷、鸟苷降解生成次黄嘌呤、鸟嘌呤并进而生成尿酸的能力。结合动物实验、益生菌胞内降解核苷酸与核苷后代谢物的定性与定量结果,关于本研究中ZM15降低血尿酸的机制,我们做出如下解释:ZM15在肠道中可以通过与肠道上皮细胞竞争腺苷酸、鸟苷酸、腺苷、鸟苷,减少上皮细胞的吸收达到降低血尿酸的作用。同时,虽然ZM15在降解腺苷酸、鸟苷酸、腺苷、鸟苷的过程中产生少量嘌呤可被人体吸收生成尿酸,但这个量相对很小,更多生成的其他中间产物则通过参与菌体核苷酸补救合成过程间接参与自身多种代谢和调节活动。通过给高尿酸血症大鼠灌胃ZM15可以达到显著降低血尿酸的作用效果,可以认为ZM15与肠道上皮细胞竞争核苷酸、核苷吸收减少人体尿酸生成的作用显著大于其降解核苷酸、核苷过程中释放嘌呤生成尿酸的作用,从而最终达到了降低血尿酸的作用。

本实验从所研究的菌株中筛选到了一株具有降解核苷酸和核苷能力且速率较快的干酪乳杆菌ZM15,且ZM15降解鸟苷的速率显著高于大连医科大学从泡菜中筛选到的DM9218,大鼠实验显示ZM15具有显著降低血尿酸的能力,但是低于目前临床使用的药物别嘌呤醇。可以认为菌株ZM15是对于缓解高尿酸血症具有应用潜力的益生菌株。



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