FSHW | 毛蕊异黄酮通过重塑肠道菌群与胆汁酸代谢改善动脉粥样硬化

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Abstract

毛蕊异黄酮是黄芪中的主要活性成分，具有治疗动脉粥样硬化（AS）的潜力。本研究利用高脂饮食饲养的ApoE–/–小鼠模型，探讨了毛蕊异黄酮对胆汁酸（BA）代谢和肠道菌群的作用。结果显示，毛蕊异黄酮可显著降低血清胆固醇和甘油三酯水平，减轻动脉斑块形成和肝脏脂质沉积。同时，它改善了因高脂饮食导致的肠道菌群失衡，提高了有益菌比例，并显著调节多种胆汁酸水平。机制上，毛蕊异黄酮可下调肝脏FXR蛋白、上调CYP7A1和胆固醇外排相关转运蛋白，抑制胆汁酸重吸收，促进排泄，从而减轻肝脏胆固醇积累。粪菌移植实验也证实，毛蕊异黄酮改善的菌群结构足以缓解AS。本研究揭示了毛蕊异黄酮通过“肠道菌群–胆汁酸”代谢轴发挥抗AS作用的新机制。

Introduction

动脉粥样硬化（AS）是一种由血脂沉积、炎症反应和胆固醇代谢障碍引发的慢性疾病，现有药物如他汀虽能降脂，但疗效有限且存在副作用。近年来，肠道菌群和胆汁酸代谢被认为在AS发生发展中起关键作用。高脂饮食会破坏肠道屏障、引起菌群失衡和胆汁酸代谢紊乱，进而加重血脂代谢障碍和血管炎症。因此，调控肠道菌群和胆汁酸代谢被视为治疗AS的重要新策略。毛蕊异黄酮作为黄芪的主要异黄酮成分，具有抗氧化、抗炎和调节免疫等作用，已有研究提示其对血管内皮保护和抑制泡沫细胞形成有效。本研究重点探讨毛蕊异黄酮能否通过调控胆汁酸代谢及肠道菌群互作来改善AS，并结合代谢组学、16S rRNA测序及分子机制分析，为其作为潜在功能性成分治疗AS提供依据。

Results

毛蕊异黄酮改善高脂饮食诱导的ApoE–/–小鼠AS

作者评估了毛蕊异黄酮对ApoE–/–小鼠AS模型的治疗作用（图1A）。结果显示，经过16周高脂饮食（HFD）喂养的小鼠体质量相比对照组有所增加，但各组之间变化不显著；毛蕊异黄酮干预组的小鼠体质量低于HFD组（图1B）。毛蕊异黄酮可能通过调节载脂蛋白E相关机制缓解动脉粥样斑块形成。主动脉整体油红O染色结果显示（图1C），对照组主动脉未见明显脂质沉积，而HFD组出现明显红色脂质斑块，斑块面积显著增加。毛蕊异黄酮干预显著减小主动脉斑块面积。在HE染色结果中（图1D），对照组主动脉内膜结构清晰完整，细胞排列整齐，无明显异常；HFD组主动脉内壁不平滑，出现明显粥样斑块和炎症细胞浸润，斑块附着部位血管内膜增厚且结构紊乱，伴随中膜增生。辛伐他汀组血管层次结构清晰，但部分血管壁增厚，平滑肌细胞胞质松散、染色浅。毛蕊异黄酮组血管内壁较HFD组光滑度改善，斑块沉积减少，炎症细胞浸润和血管壁厚度明显改善，高剂量效果优于低剂量。血清指标方面，HFD诱导明显高胆固醇血症和高脂血症，血清TC、LDL-C和TG显著升高，HDL-C显著下降（图1E）。毛蕊异黄酮干预可显著降低TC、LDL-C、TG水平，高剂量对HDL-C改善明显，提示毛蕊异黄酮可减轻脂质沉积并调控血脂水平。

毛蕊异黄酮对肝脏的保护作用

肝脏是机体脂质代谢的重要器官，其脂质沉积水平可反映动脉内膜脂质沉积。HFD喂养可增加血液游离脂肪酸，引起肝脏脂质合成增加。HE染色显示（图1F），对照组肝小叶结构正常，肝细胞排列整齐，无明显炎症变化；HFD组肝细胞出现轻度脂肪变性，胞质内出现小圆形空泡，少量气球样变性，伴有细胞肿胀、胞质空泡化，多数泡沫细胞浸润及轻度胆管增生。毛蕊异黄酮或辛伐他汀处理组肝脏脂肪病变及炎症有所缓解，仅部分肝细胞出现轻度水样变性、细胞肿胀、胞质松散及染色浅。肝脏油红O染色显示（图1G），对照组肝脏无红色脂滴沉积，HFD组肝脏脂滴明显增多，毛蕊异黄酮干预后肝脏脂滴沉积显著减少。血清ALT和AST水平（图1E）显示，HFD组明显升高，毛蕊异黄酮低高剂量均可降低，表明其可显著改善HFD引起的肝损伤并减轻肝脏脂质沉积。值得注意的是，辛伐他汀组血清ALT未见明显改善，提示其在治疗AS过程中对肝损伤作用有限。

图1 毛蕊异黄酮对HFD诱导的ApoE–/–小鼠的作用

毛蕊异黄酮重塑肠道菌群

肠道菌群结构及肠道通透性与AS及其风险因素密切相关。通过16S rRNA测序分析小鼠盲肠内容物菌群结构，α-多样性指标显示（图2A），HFD组Chao1、ACE、Observed_species、Shannon和Simpson指数均低于对照组，提示HFD降低肠道菌群丰富性和多样性。毛蕊异黄酮干预组Chao1、ACE、Observed_species和Shannon指数显著高于HFD组，Simpson指数有所提高但差异不显著，表明毛蕊异黄酮可改善AS小鼠肠道菌群多样性和丰富性。β-多样性分析（PCoA、NMDS，图2B）显示，HFD组与对照组距离较远，表明HFD改变了肠道菌群结构，毛蕊异黄酮组与对照组距离最接近，提示其改善肠道菌群组成。门水平分析显示（图2C-D），HFD降低Bacteroidetes/Firmicutes比例，同时增加Desulfobacterota、Deferribacterota、Proteobacteria丰度，毛蕊异黄酮干预可逆转这些变化，提高Bacteroidetes/Firmicutes比例，降低致病菌丰度。在属水平上（图2E-F），HFD增加Bilophila、Alistipes、Oscillibacter和Desulfovibrio丰度，减少Bacteroides、Lactobacillus和Odoribacter丰度，毛蕊异黄酮可显著逆转上述变化。LEfSe分析（图2G-H）进一步显示，毛蕊异黄酮可增加Muribaculum、Peptococcus、Rodentibacter等益生菌丰度，减少致病菌，调控肠道菌群结构，促进肠道免疫稳态，有利于AS防治。

图2 毛蕊异黄酮重构ApoE–/–小鼠肠道菌群组成

毛蕊异黄酮调控小肠胆汁酸代谢

通过UPLC-MS/MS检测盲肠40种胆汁酸（BAs）含量。HFD组总BAs水平升高，结合型/游离型胆汁酸比例下降，二级/初级胆汁酸比例升高（图3A）。毛蕊异黄酮可降低二级/初级胆汁酸比例，调节异常胆汁酸升高，但对结合型/游离型比例影响不显著。10种胆汁酸显著变化（图3B），HFD降低CDCA和TCA水平，增加LCA、DCA及部分结合型胆汁酸（GDCA、TLCA）水平，毛蕊异黄酮干预后这些水平明显调节，提示其可改善胆汁酸代谢异常。TLCA/CDCA比例HFD组升高，GDCA/DCA、TDCA/DCA、TCDCA/CDCA比例升高，而毛蕊异黄酮显著降低这些比例（图3C），表明其可通过调节二级胆汁酸的甘氨酸和牛磺酸结合反应改善胆汁酸代谢。同时，菌群与胆汁酸相关性分析（图3D）显示，Bilophila、Parasutterella、Butyricicoccus、Desulfovibrio与TDCA、GDCA、TLCA正相关，Lactobacillus负相关，说明毛蕊异黄酮通过改善肠道优势菌群影响胆汁酸代谢。

图3毛蕊异黄酮改善肠内胆汁酸代谢紊乱

毛蕊异黄酮通过调控肝脏胆汁酸代谢相关关键基因减少脂质沉积

RT-qPCR和Western blot分析肝脏胆汁酸代谢相关基因及蛋白水平（图4A-B）显示，HFD组FXR上调，TGR5、ABCA1、ABCG1、CYP7A1下调，毛蕊异黄酮可恢复这些变化。FXR/TGR5信号通路与肠道菌群密切相关，毛蕊异黄酮可激活FXR，抑制肝脏脂质吸收，促进胆汁酸合成及肠肝循环，从而改善AS。

毛蕊异黄酮通过调节肠道胆汁酸转运关键基因减轻肠道炎症

HFD可诱导局部肠道炎症，破坏肠屏障，提高通透性，进而引发全身炎症或脂质代谢紊乱，加重AS（图4C）。毛蕊异黄酮可减少HFD诱导的肠道结构破坏及炎症细胞浸润。HFD上调肠道ABST转录水平，毛蕊异黄酮显著降低ABST，同时抑制回肠FXR表达，增加TGR5表达（图4D-E），促进胆固醇向胆汁酸转化，维持胆固醇稳态。对Ostα、Ostβ影响不显著，提示毛蕊异黄酮主要通过TGR5激活和ABST抑制改善胆汁酸循环，保护肠道屏障。

图4毛蕊异黄酮对胆汁酸合成与转运相关基因/蛋白的调控

粪菌移植（FMT）改善HFD诱导的AS

为了验证毛蕊异黄酮作用是否依赖肠道菌群，进行FMT实验（图5A）。接受毛蕊异黄酮处理供体肠道菌群的小鼠，主动脉斑块显著缩小，血清TC、LDL-C、TG降低（图5B-C），肝脏病理改善、脂质沉积减少（图5D）。菌群多样性提高（图5E），Oscillibacter、Bacteroides丰度增加，Alistipes下降（图5F-H），胆汁酸UDCA、LCA、TUDCA、TDCA水平下降（图5I），提示毛蕊异黄酮对胆汁酸的调节作用依赖肠道菌群。

图5毛蕊异黄酮处理供体粪菌移植改善AS小鼠

Conclusion

综上所述，毛蕊异黄酮可调控ApoE–/–小鼠脂质代谢，增加益生菌比例，降低致病菌丰度，改善菌群结构并增强肠屏障功能，同时调节胆汁酸组成，提高结合型胆汁酸向游离胆汁酸转化水平。毛蕊异黄酮抑制肠道FXR/TGR5信号通路，激活肝脏CYP7A1表达，通过负反馈机制进一步抑制肝脏FXR通路，实现肝肠间胆汁酸稳态的平衡（图6）。这些作用可有效逆转血脂异常、主动脉及肝脏脂质沉积，同时通过FMT可将肠道菌群调节作用传递至受体小鼠，为AS的临床预防和治疗提供新策略。

图6 毛蕊异黄酮治疗AS的拟议机制

Calycosin improves atherosclerosis by reshaping the interaction between the gut microbiome and bile acid metabolism

Jiaqi Fu, Donghua Yu, Yuqin Liang, Xin Gao, Yunhe Shi, Yu Wang, Pingping Chen, Fang Lu, Shumin Liu*

Institute of Traditional Chinese Medicine, Heilongjiang University of Chinese Medicine, Harbin 150040, China

*Corresponding author.

Abstract

Calycosin, Astragali Radix most prominent ingredient, has drawn more attention as a result of its ability to treat atherosclerosis (AS). However, the mechanism of action has not been fully elucidated. We investigated the effects of calycosin on bile acid (BA) metabolism and gut microbiome in ApoE–/– mice fed a high-fat diet (HFD). The data showed that the aorta of ApoE–/– mice treated with HFD showed significant atheromatous plaque formation and lipid accumulation, and the levels of total cholesterol (TC), triglycerides (TG) and low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C) were significantly increased, while the levels of high-density lipoprotein cholesterol (HDL-C) were significantly decreased. Calycosin can substantially regulate lipid levels, thereby alleviating liver lipid deposition induced by atherosclerosis. In addition, 16S rRNA sequencing showed that calycosin treatment has reshaped the gut microbiota disturbed by HFD, in particular, increasing the ratio of Bacteroidetes/Firmicutes, and improving the relative abundance of Bilophila, Desulfovibrio, Bacteroides, Lactobacillus, etc. Meanwhile, targeted metabolomics analysis showed that calycosin treatment significantly modulated glycodeoxycholic acid (CDCA), taurocholic acids (TCA), lithocholic acid (LCA), deoxycholic acid (DCA), taurodeoxycholic acid (TDCA) and BA pool composition, which were associated with atherosclerotic plaque areas. In addition, calycosin treatment also down-regulated farnesoid X receptor (FXR) protein levels and up-regulated cytochrome P450 family 7 subfamily A member 1 (CYP7A1) protein levels in the hepatic. At the same time, calycosin inhibits the ileum FXR/TGR5 signaling pathway, inhibits BA reabsorption, promotes BA excretion, and reduces hepatic cholesterol accumulation by enterohepatic circulation. In addition, we found that calycosin significantly promoted the expression of hepatic ATP-binding cassette transporter A1 (ABCA1) and ABCG1 to mediate cholesterol efflux. Meanwhile, calycosin regulates gut microbiota, and Bacteroides, Alistipes, Desulfovibrio, Lactobacillus, Bilophila and Odoribacter are closely related to specific BAs. This enables us to further understand the relationship between BA metabolism and gut microbiota. Calycosin may reduce high-fat diet-induced hepatic cholesterol accumulation in ApoE–/– mice through gut microbiota and BA metabolism, and play a role in treating AS. Finally, we confirmed that calycosin-altered gut microbiota by fecal microbiota transplantation was sufficient to alleviate atherosclerosis. Taken together, our findings provide important insights into the pharmacological mechanisms underlying the efficacy of calycosin on atherosclerosis.

Reference:

FU J Q, YU D H, LIANG Y Q, et al. Calycosin improves atherosclerosis by reshaping the interaction between the gut microbiome and bile acid metabolism[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(4): 9250085. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250085.

翻译：王小云（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片：图虫创意

为汇聚全球智慧共探产业变革方向，搭建跨学科、跨国界的协同创新平台，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，西南大学、 重庆市农业科学院、 重庆市农产品加工业技术创新联盟、重庆工商大学、重庆三峡学院、西华大学、成都大学、四川旅游学院、西昌学院、北京联合大学协办的“ 第三届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会 ”， 将于2026年4月25-26日 （4月24日全天报到） 在中国 重庆召开。

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