Targeted Delivery of Butyrate Improves Glucose Homeostasis, Reduces Hepatic Lipid Accumulation and Inflammation in db/db Mice
摘要： 本文深入解析了一篇关于丁酸靶向递送对 db/db 小鼠（一种 2 型糖尿病模型）的代谢改善作用的研究文献。该研究不仅验证了丁酸及其衍生物在调节血糖稳态、提升胰岛素敏感性、减轻肝脏脂质堆积和抑制炎症反应方面的显著效果，还通过对比不同丁酸递送方式，为糖尿病的饮食干预策略提供了创新视角和科学依据。文章系统阐述了实验设计、研究方法、实验结果及结论，为相关领域的研究者和从业者提供了全面且深入的理解。
一、引言
2 型糖尿病（T2D）是一种全球性代谢性疾病，影响超过 4.5 亿人。其特征是高血糖、胰岛素抵抗和胰岛 β 细胞功能逐渐衰退。生活方式改变（如高热量饮食和缺乏运动）是 T2D 发病率急剧上升的主要原因。肠道微生物群在人体健康和代谢疾病中扮演关键角色，其发酵膳食纤维产生的短链脂肪酸（SCFAs），如乙酸、丙酸和丁酸，对宿主的代谢稳态具有重要调节作用。大量研究表明，2 型糖尿病患者的肠道中丁酸产生菌数量减少，且粪便丁酸浓度与 β 细胞功能呈正相关，提示丁酸可能在血糖调节中起重要作用。然而，传统的丁酸给药方式由于其半衰期短（15-30 分钟）且难以在结肠和血液循环中实现持续释放，临床应用受限。为此，研究者们设计了一种基于高直链玉米淀粉（HAMS）的丁酸酯化修饰淀粉（HAMSB），以实现丁酸的靶向递送。本文详细解析了该研究的实验方案、结果及结论，旨在为糖尿病的饮食干预研究提供参考。
二、研究方法
（一）实验动物与分组
研究选用 5 周龄的雄性 db/db 小鼠，随机分为三组：（1）对照组（Ctrl），饲喂基础饲料（AIN-93G）；（2）HAMS 组，饲料中以 15% 的 HAMS 替代基础饲料中的玉米淀粉；（3）HAMSB 组，饲料中以 15% 的 HAMSB 替代玉米淀粉。实验持续 5 周，每周测量小鼠的体重、采食量和禁食血糖水平，实验结束时收集肝脏、脂肪组织、血液和胰腺等样本进行分析。
（二）样本收集与检测指标
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血糖与胰岛素检测 ：每周测量小鼠尾静脉空腹血糖水平，实验结束时收集血液样本，检测血浆胰岛素浓度，并计算稳态模型评估胰岛素抵抗（HOMA-IR）指数。
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胰岛功能评估 ：分离胰岛，测定其在不同葡萄糖浓度刺激下的胰岛素分泌量以及胰岛素含量，同时分析胰岛中与胰岛素合成、β 细胞身份相关的基因表达。
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肝脏脂质与代谢分析 ：测定肝脏甘油三酯含量，并分析肝脏中与脂肪酸摄取、从头脂肪生成、脂肪酸氧化和脂肪酸转运相关的基因表达。
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炎症因子检测 ：通过 RT-qPCR 检测肝脏和脂肪组织中炎症相关基因（如单核细胞 / 巨噬细胞标记基因 Cd68 和 F4/80、促炎细胞因子 Tnf-α 等）的表达水平，并利用酶联免疫吸附试验（ELISA）测定血浆中促炎和抗炎细胞因子的浓度。
（三）丁酸及其衍生物的分析
采用液相色谱 - 串联质谱法（LC-MS/MS）测定粪便和血浆样本中的短链脂肪酸浓度，包括丁酸、乙酸和丙酸。
三、实验结果
（一）丁酸对 db/db 小鼠胰岛功能的体外保护作用
研究者从 9 周和 13 周龄的 db/db 小鼠中分离胰岛，与正常 C57BL/6 小鼠胰岛对比，发现 db/db 小鼠胰岛的葡萄糖刺激胰岛素分泌（GSIS）显著降低，且胰岛素含量也显著减少。将 db/db 小鼠的胰岛在含有丁酸的培养基中培养 10 天后，发现丁酸能显著增加胰岛在高葡萄糖浓度下的胰岛素分泌量，尽管对胰岛素含量的影响不显著。这表明丁酸对 db/db 小鼠受损的胰岛功能具有一定的修复作用。
（二）HAMSB 对 SCFA 生产的影响
实验结果显示，与对照组和 HAMS 组相比，HAMSB 组小鼠粪便中的丁酸浓度高出 8 倍，HAMS 组粪便丁酸浓度是对照组的 2.5 倍，但该差异未达到统计学意义。此外，HAMS 和 HAMSB 均显著提高了粪便丙酸浓度，而 HAMSB 还显著增加了粪便乙酸浓度。粪便总 SCFA 水平在 HAMS 和 HAMSB 组均显著高于对照组。然而，在血浆中，三组小鼠的丁酸和乙酸浓度差异不显著，HAMS 组小鼠血浆丙酸浓度高于对照组，而总血浆 SCFA 水平在各组间无显著差异。这表明 HAMSB 能有效将丁酸、丙酸和乙酸递送至结肠，同时 HAMS 也能促进 SCFA 的产生。
（三）HAMSB 对体重和血糖控制的影响
在整个实验期间，三组小鼠体重均呈上升趋势，但 HAMSB 组小鼠体重增加幅度略高于对照组和 HAMS 组。各组间采食量无显著差异，说明体重差异并非由采食量引起。尽管三组小鼠的空腹血糖水平在多数时间点无显著差异，但在第 3 周，HAMSB 组小鼠空腹血糖显著低于对照组。通过对 5 周内血糖曲线下面积（AUC）的分析，发现 HAMSB 组小鼠的平均血糖水平显著低于对照组。此外，与对照组相比，HAMSB 组小鼠的血浆胰岛素浓度呈下降趋势（p = 0.059），HOMA-IR 指数显著降低，表明 HAMSB 组小鼠的胰岛素敏感性有所提高。
（四）HAMSB 对胰岛功能和 β 细胞身份的影响
与对照组相比，HAMSB 组小鼠胰岛在基础和葡萄糖刺激下的胰岛素分泌量无显著差异，但在加入 forskolin 后，胰岛素分泌量有所增加（p = 0.086）。同时，HAMSB 组小鼠胰岛的胰岛素含量显著高于对照组（高出 36%），胰岛素基因 Ins2 的表达量也高出 39%。然而，其他 β 细胞身份关键基因（如 Ins1、MafA、Pdx1 和 Ucn3）的表达量在各组间无显著差异。此外，各组小鼠的 β 细胞面积、胰岛数量和大小均无显著差异。
（五）HAMSB 对肝脏脂质和葡萄糖代谢的影响
HAMS 和 HAMSB 组小鼠的肝脏甘油三酯水平均显著低于对照组（约低 9%）。然而，各组间肝脏中与脂质代谢相关的基因表达（如 Acaca、Fasn、Scd1、Srebp-1c、Cd36、Cpt1a、Pck1 和 G6pc）无显著差异。这表明 HAMS 和 HAMSB 补充剂能够抑制肝脏脂质积累，但对关键脂质代谢基因的表达无显著影响。
（六）HAMSB 对炎症的影响
研究发现，与对照组相比，HAMSB 组小鼠肝脏和脂肪组织中单核细胞 / 巨噬细胞标记基因 Cd68 和 F4/80 的表达显著降低，促炎细胞因子 Tnf-α 的表达也呈下降趋势。HAMS 组小鼠肝脏中 Tnf-α 表达量显著降低，但在脂肪组织中无显著变化。血浆中促炎和抗炎细胞因子浓度在各组间无显著差异，说明 HAMSB 能改善肝脏和脂肪组织的局部炎症状态。
四、讨论
本研究证实，HAMSB 饲料能够改善 db/db 小鼠的代谢参数，包括提高胰岛素敏感性、增加胰岛素含量、降低肝脏甘油三酯水平和减轻肝脏及脂肪组织的炎症反应。研究结果表明，丁酸可能通过直接作用于胰岛 β 细胞或间接通过调节肠道微生物群、改善肠道屏障功能等途径，对糖尿病相关代谢紊乱产生积极影响。
在胰岛功能方面，尽管 HAMSB 组小鼠体重增加较多，但其胰岛素敏感性显著提高，胰岛中胰岛素含量和 Ins2 基因表达量增加，提示 HAMSB 可能增强 β 细胞在代谢需求增加时的胰岛素分泌能力。此外，丁酸在体外实验中对 db/db 小鼠胰岛功能的改善作用进一步支持了其对 β 细胞的直接保护作用。
在肝脏代谢方面，HAMSB 和 HAMS 均能降低肝脏甘油三酯水平，但未显著改变脂质代谢相关基因的表达，这可能与其他未检测的基因或翻译后修饰有关。此外，丁酸通过改善肠道屏障功能、减少脂肪组织炎症和脂解作用，可能间接抑制肝脏脂肪变性。
在炎症调节方面，HAMSB 显著降低了肝脏和脂肪组织中炎症相关基因的表达，但对血浆中细胞因子水平无显著影响。这表明丁酸的抗炎作用主要体现在局部组织水平，可能通过抑制 NF-κB 信号通路实现。
需要注意的是，尽管 db/db 小鼠模型在研究糖尿病病理生理机制方面具有重要价值，但其与人类 2 型糖尿病的发病机制存在差异。因此，未来研究需要在更接近人类糖尿病的动物模型中进一步验证 HAMSB 的潜在益处。
五、结论
综上所述，本研究通过在 db/db 小鼠模型中评估 HAMSB 饲料的代谢改善作用，揭示了丁酸靶向递送在调节血糖稳态、改善胰岛素敏感性、减轻肝脏脂质积累和抑制炎症反应方面的潜力。这些发现为开发基于肠道微生物群调节的糖尿病饮食干预策略提供了理论依据和实践参考。
| 名称 | 货号 | 规格 |
| V-PLEX Proinflammatory Panel1 (human) Kit (1 Plate) | K15049D-1 | 1Plate |
| V-PLEX Proinflammatory Panel1 (human) Kit (5 Plate) | K15049D-2 | 5Plate |
| V-PLEX Proinflammatory Panel1 (human) Kit (25 Plate) | K15049D-4 | 25Plate |
| LIPOFECTAMINE 3000- 0.1ML | L3000001 | 0.1mL |
