FSHW | 天麻素通过调节肠道微生物群和抑制NF-κB信号通路减轻DSS诱导的小鼠结肠炎

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Introduction

天麻（Gastrodia elata Blume）是中医中常用的一种传统草药。天麻素（gastrodin，GAS），又名4-羟基苯甲醇-4-O-β-D-葡萄糖苷，是天麻的主要活性成分，其化学式为C₁₃H₁₈O₇，分子量为286.278 Da。研究表明，GAS具有多种药理活性，其中以神经保护作用最为突出。GAS已成为众多药理学研究的重点，涵盖了不同的动物模型、剂量及作用机制。已有研究表明，天麻中的某些成分对溃疡性结肠炎（UC）具有一定的治疗作用。然而，目前尚不清楚GAS是否对消化系统疾病，尤其是炎症性肠病（IBD），具有保护作用。

IBD是一类以胃肠道持续性和反复性炎症为特征的慢性疾病，主要包括两种类型：溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）和克罗恩病（Crohn's disease，CD）。其中，UC是一种终身性的炎症性疾病，其通常表现为直肠出血，超过90%的患者可出现该症状，其临床表现与疾病严重程度密切相关。此外，排便次数增多及粪便稀薄等症状也较为常见。

目前，UC的常规治疗手段主要包括以下几类：传统治疗、生物制剂治疗和小分子治疗。然而，仍有10%～20%的患者因病情难以控制需接受直肠切除手术，且现有治疗手段面临耐药性、毒副作用等临床挑战。因此，开发更安全、有效的治疗手段迫在眉睫。近年来，天然产物因其来源广泛、生物活性强、毒副作用低等特点，受到广泛关注。其中，通过益生元、益生菌及粪菌移植（FMT）等手段对肠道菌群进行干预，已被认为是较传统治疗更具前景的策略。GAS作为一种来源于植物的天然活性提取物，在某些疾病中已被证实可通过调节肠道菌群发挥治疗作用。然而，GAS是否同样适用于UC尚无明确结论。因此，本研究拟通过DSS诱导的结肠炎小鼠模型，系统评价GAS对结肠炎的表型、组织病理变化、炎症反应、肠道屏障损伤、菌群结构及代谢组学的影响，进一步探讨其可能的作用机制及其在调控肠道微生态中的潜在作用。

图1 GAS示意图，基于DSS诱导模型的结肠炎实验设计方案以及粪菌移植（FMT）操作流程图

Results and Discussion

为探讨GAS对结肠炎的缓解作用，实验采用2.5%葡聚糖硫酸钠（DSS）饲喂C57BL/6雄性小鼠以建立溃疡性结肠炎（UC）模型，并对GAS对结肠炎症状的影响进行评价。主要观察指标包括体质量变化、疾病活动指数（DAI）评分以及结肠长度，这些均为衡量结肠炎严重程度的重要参数。结果显示，与对照组相比，DSS模型组小鼠出现明显的体质量下降、DAI评分升高及结肠缩短。进一步采用采用苏木精-伊红（H&E）染色对结肠组织病理学变化进行评估。结果表明，DSS组小鼠结肠组织出现明显的黏膜下水肿、腺窝结构破坏以及炎性细胞浸润。相比之下，GAS干预组小鼠上述病理改变显著减轻，腺窝结构完整性及上皮细胞损伤程度均有所改善，组织学评分明显低于DSS模型组。通过AB-PAS染色检测黏液分泌细胞情况。结果显示，GAS处理组小鼠结肠黏膜结构保持较好，且杯状细胞数量较DSS组显著增多。以上结果说明，GAS能有效缓解DSS诱导的小鼠结肠组织结构损伤，改善病理状态。

图2 GAS对DSS诱导的小鼠结肠炎症状及病理损伤的影响

探讨来自GAS处理小鼠的粪菌移植（FMT）对DSS模型小鼠的影响，结果显示，与DSS模型组及FMT-CON（正常小鼠粪菌）组相比，FMT-GAS（接受GAS处理小鼠粪菌）组小鼠第4日至第10日的DAI评分显著下降。此外，FMT-GAS小鼠的结肠长度明显恢复，且组织学评分较DSS模型组显著降低。组织病理学结果显示，FMT-GAS组小鼠的腺窝结构破坏、上皮损伤及炎性细胞浸润程度均明显减轻，而FMT-CON组仅在炎性细胞浸润方面有一定程度缓解。PAS染色结果表明，接受GAS供体粪菌移植的小鼠，其肠道黏膜中糖原水平明显增加，提示FMT-GAS可改善肠道屏障完整性并提高杯状细胞数量。相比之下，FMT-CON并未显著影响结肠组织中糖原的含量。综上所述，研究结果支持GAS可通过调节肠道微生物组成进而发挥对DSS所致结肠炎的缓解作用，粪菌移植实验进一步验证了GAS的治疗潜力与其调控肠道菌群密切相关。

图3 FMT处理对DSS诱导的小鼠结肠炎症状及病理损伤的影响

为评估GAS的抗炎作用，本研究对小鼠结肠组织中炎症相关酶类（iNOS、COX-2、MPO）及促炎因子（IL-6、TNF-α、IL-1β）水平进行了定量检测。结果显示，DSS模型小鼠结肠组织中iNOS、COX-2、MPO、IL-6、TNF-α及IL-1β水平均显著高于正常对照组。相比之下，经口给予GAS处理后，小鼠结肠组织中iNOS、IL-1β、MPO、COX-2及IL-6的表达水平均显著下降。以上这些数据表明，GAS可通过抑制炎症因子表达，显著减轻DSS诱导的结肠局部炎症反应。

图4 GAS处理对溃疡性结肠炎小鼠结肠组织炎症的影响

肠炎的主要特征之一是肠道屏障结构的破坏，而紧密连接蛋白（tight junctions，TJs）在调控肠黏膜通透性及维持细胞间连接中发挥关键作用。TJs主要由Claudin蛋白家族、Occludin和ZO蛋白构成。为探讨GAS是否通过维持TJs完整性发挥保护作用，研究采用Western blot和免疫荧光染色分析了Claudin-3、ZO-1及Occludin在结肠组织中的表达水平。结果表明，与DSS模型组相比，GAS处理组小鼠的三种TJ蛋白表达水平均明显升高，提示GAS有助于维持肠道上皮屏障完整性。此外，炎症性肠病中关键的致炎通路之一为NF-κB信号通路。为进一步明确GAS缓解结肠炎的机制，研究检测了NF-κB p65及其抑制因子IκB的磷酸化水平。结果显示，DSS处理小鼠中NF-κB p65和IκB的磷酸化水平显著上升，而GAS干预则有效抑制了该磷酸化水平的升高。综上所述，GAS通过上调TJ蛋白表达以增强肠道屏障功能，并抑制NF-κB信号通路的激活，从而有效缓解DSS诱导的结肠炎症反应。

图5 GAS对DSS处理小鼠结肠屏障完整性破坏及NF-κB信号通路激活的影响

本研究通过16S rRNA测序分析了GAS对结肠炎的潜在影响。结果表明，DSS处理组小鼠的肠道微生物多样性较低，而GAS处理显著改善了这一差异，增强了肠道微生物群的多样性。Venn图显示GAS组与DSS组和对照组在物种组成上存在显著差异，且GAS处理组的Chao1、Observed_otus、Shannon和Simpson指数均显著上升，表明GAS通过调节肠道微生物群的组成，减轻了DSS诱导的结肠炎。

图6 GAS处理对DSS诱导结肠炎小鼠肠道菌群多样性与结构的影响

GAS通过调节肠道微生物群在结肠炎中的保护作用得到验证。LEfSe分析显示，GAS处理小鼠的主要菌群为 Akkermansia和Lactobacillus，而DSS组则以Escherichia_Shigella和Bacteroidaceae为主。GAS处理显著改变了肠道菌群的组成，增加了有益菌群的丰度，同时减少了致病菌的相对丰度。功能注释分析显示，GAS通过调控微生物的代谢功能，减轻了炎症反应。相关性分析表明，特定的肠道微生物群与结肠炎症的程度密切相关，GAS通过调节这些微生物群，起到了缓解结肠炎的作用。

图7 GAS处理对DSS诱导小鼠特定肠道菌群相对丰度及其代谢产物的影响

对RAW264.7细胞进行的GAS处理的体外分析表明，在2.5～40 mmol/L的剂量范围内，GAS没有表现出毒性。GAS处理能够有效抑制LPS引起的促炎标志物的RNA水平升高，如IL-6、IL-1β和TNF-α。此外，使用qPCR和Western blot分析评估了GAS干预对这些细胞中iNOS和COX-2表达谱的影响，结果表明GAS有效抑制了LPS引起的iNOS和COX-2表达升高。以上结果表明，GAS处理能够有效抑制LPS引起的促炎因子IL-6、IL-1β、TNF-α以及iNOS和COX-2的升高，且这种抑制作用呈剂量依赖性。WB结果显示，GAS处理显著降低了LPS引起的NF-κB p65和IκB磷酸化升高，这表明NF-κB通路的抑制与GAS缓解LPS诱导的细胞炎症的作用相关。通过以上实验结果，我们假设GAS可以有效缓解UC。

图8 GAS处理抑制RAW264.7细胞中LPS诱导的促炎因子产生并抑制NF-κB信号通路

Conclusion

本研究表明，GAS可能通过减少IκB和p65磷酸化水平，抑制NF-κB信号通路的激活，从而防止巨噬细胞介导的炎症反应，并缓解UC相关的肠上皮损伤。此外，GAS可能通过调节肠道微生物群的组成并增强肠屏障功能，使其成为治疗UC的有前景的药物选择。根据这些发现，GAS具有抗炎特性并能增强肠上皮屏障功能，且有充分证据表明GAS在治疗过程中是安全的。因此，GAS可能在临床中得到广泛应用。基于本研究的发现，GAS在UC治疗中具有应用潜力。

图9 GAS在DSS诱导的溃疡性结肠炎小鼠模型及LPS诱导的细胞模型中作用效果与机制的示意图

第一作者

高鑫义，吉林大学白求恩第三临床医学院外科学2022级博士研究生，导师姜洋教授。在读期间发表SCI论文3篇，主要研究方向胃肠结直肠相关疾病的诊断和治疗。

刘咸筠，博士，吉林工程技术师范学院副教授。吉林省人才称号，吉林省医疗保障协会分子医学专业委员会常委，主持及参与国家自然科学基金及省部级课题10余项。以第一/通讯作者在Food Science and Human Wellness、Biomaterials等期刊发表SCI论文15篇，担任Frontiers in Microbiology、RCA 出版社等期刊客座编辑。主要从事天然产物活性功能及其对炎症性、肿瘤、代谢性疾病的治疗及发病机制的研究。

通信作者

姜洋，主任医师，教授，博士研究生导师，博士后导师。享受吉林省政府津贴专家。日本北里大学访问学者。中国医师协会整合医师分会整合肿瘤学专委会委员；中国医师协会肛肠医师分会MDT专委会委员；中国医师协会肛肠医师分会肛肠疾病专家委员会委员;中国医院协会胃肠肿瘤MDT专家组副组长；中华医学会结直肠专业委员会NOTES专委会会员 ；中国抗癌协会整合肿瘤学分会委员；吉林省组织修复与再生医学学会副主任委员；中国普外基础与临床杂志编委；中华实验外科通讯编委；吉林省科技厅项目评审专家；吉林省教育厅项目评审专家；吉林省政府办公厅招标评审专家,国家健康科普专家。发表文章63篇，其中第一作者文章42篇，被SCI收录26篇，发表EI文章2篇，中华系列文章6篇。主持科技部重大课题子课题，吉林省科技厅，吉林省发改委，吉林省教育厅，等课题共8项。主要研究方向：胃癌及结肠癌的微创治疗。

Gastrodin attenuates dextran sulfate sodium-induced colitis in mice via modulating gut microbiota and inhibiting NF-κB signaling pathway

Xinyi Gaoa,1, Xianjun Liub,1, Xianglong Mengc, Mingchuan Wanga, Mengyuan Wangb, Boyao Suna, Chengxuan Jiaa, Jintian Gaod, Chengyi Xue, Hao Lib, Yang Jianga,*

a Department of Gastrointestinal Colorectal and Anal Surgery, The China-Japan Union Hospital of Jilin University, Changchun 130000, China

b College of Biological and Food Engineering, Jilin Engineering Normal University, Changchun 130000, China

c Department of Burns Surgery, The First Hospital of Jilin University, Changchun 130000, China

d School of Basic Medical Science, North China University of Science and Technology, Tangshan 063210, China

e Department of Nephrology, The Second Hospital of Jilin University, Changchun 130000, China

1 Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

Gastrodin (GAS), the principal bioactive composition of Gastrodia elata Blume, has potential for pharmaceutical applications. Several studies in recent years have shown that GAS may enhance neurotrophic benefits, reduce inflammation, and act as an antioxidant. In this study, we sought to identify the molecular mechanisms underlying the protective benefits of GAS against colitis induced by dextran sodium sulfate (DSS) in mice. GAS (200 mg/kg) significantly ameliorated the severity of colitis in mice caused by DSS, as evidenced by an increase in colon length, a reduction in disease activity index, a decrease in tissue damage, and a reduction in body weight loss. Additionally, GAS inhibited DSS-induced hyperactivation of inflammation-related NF-κB signaling pathways to reduce the production of inflammatory mediators, thereby mitigating the inflammatory response in mice. Furthermore, the administration of GAS restored the function of the gastrointestinal barrier by increasing the count of goblet cells, as well as the levels of tight junction-associated proteins, including Zonula occludens-1 (ZO-1), Occludin, and Claudin-3. GAS also influenced the overall richness of the gut microbiota, as shown by 16S rRNA sequencing analysis, consequently boosting the proliferative rate of probiotic species, such as Lachnospiraceae and Muribaculaceae, while reducing the richness of harmful bacteria including Escherichia_Shigella, Enterobacteriaceae, Bacteroidaceae, and Bacteroides. GAS (200 mg/kg) alleviated ulcerative colitis (UC) by modulating gut dysbiosis, as demonstrated by a fecal microbial transplantation (FMT) test. Furthermore, inflammatory damage induced by lipopolysaccharide (LPS) was averted in RAW264.7 cells by GAS administration, hence preventing the NF-κB signaling pathway from being activated in these experimental conditions conducted in vitro. Overall, the data indicate that GAS treatment effectively reduces colitis caused by DSS by regulating gut microbiota, suppressing inflammation, and preserving the mucosal barrier integrity.

Reference:

GAO X Y, LIU X J, MENG X L, et al. Gastrodin attenuates dextran sulfate sodium-induced colitis in mice via modulating gut microbiota and inhibiting NF-κB signaling pathway[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(9): 9250221. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250221.

本文编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片：摄图网

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