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腸道菌群研究再突破!頂刊Science:北大“大?!苯淌趫F隊提出“腸道菌源宿主同工酶”新概念,揭示降糖的潛在靶點
腸道菌群在人體代謝性疾病中扮演著重要角色,甚至被稱為“人類的第二大腦”。近年來,越來越多的腸道菌群相關項目得到了國家自然基金資助,同時也涌現了許多探究腸道菌群深層機制的高分優秀文章。
但由于腸道菌群的成非常復雜,因此一直缺乏對功能性分子或小分子代謝物的相關研究。那么,該從哪方面切入去開展研究,才能兼備創新性和實用性呢?和小編一起來看看這篇文章吧!

近日,北京大學醫學部姜長濤教授聯合北京大學第三醫院喬杰院士、化學學院雷曉光教授等多研究團隊在Science雜志發表了研究成果[1],首次提出了腸道菌源宿主同工酶新概念,發現:菌源宿主同工酶在腸道中廣泛存在,能夠模擬宿主酶的功能,參與疾病的發生發展;此外,還發現了首個對菌源DPP4具有高活性和強選擇性的小分子抑制劑Dau-d4,可通過特異性抑制菌源DPP4,改善糖耐量異常,為靶向腸道菌群的代謝性疾病的精準化治療帶來新突破。


一、研究內容與思路
1、微生物-宿主同工酶的功能篩選
研究者建立了一個篩選平臺來鑒定可能影響宿主功能的微生物-宿主同工酶,收集了3名健康志愿者的新鮮糞便樣本以及小鼠的新鮮糞便樣本,對110種在各種人類疾病中起作用的酶進行了篩選。利用該系統,研究者發現71種酶在腸道菌群中存在同工酶,而這些酶種類多樣、功能全面,提示菌源宿主同工酶在腸道中廣泛存在,可能有效模擬宿主酶的功能。
在所有的人類樣本中,菌源宿主同工酶活性最高的是DPP4。此外,飼養在普通環境的小鼠糞便中,DPP4活性顯著高于無菌小鼠。DPP4是一個常用的2型糖尿病治療靶點,腸道DPP4是降解GLP-1調節葡萄糖耐量所必需的。
基于上述理論基礎,研究者給予無菌小鼠廣譜抗生素灌胃處理。結果發現,小鼠腸外組織和血漿的GLP-1活性和總水平卻沒有變化。但當給小鼠喂食HFD且增加了腸道屏障通透性或給予低濃度葡聚糖硫酸鈉(DSS)或吲哚美辛增加腸通透性后,發現可見DPP4活性增加和GLP-1活性降低,糖耐量異常。

研究思路:研究者構建了一個新的篩選平臺,在人類以及小鼠新鮮糞便樣本發現了菌源宿主同工酶的存在,并以最活躍的DPP4為研究對象開展后續研究。首先,研究者探索了“在什么情況下會影響腸道DPP4以及GLP-1”,以便開展后續實驗。


2、產生DPP4的細菌的鑒定
進一步,研究者鑒定了DPP4的微生物生產者。通過腸道共生菌株的分離培養、DPP4活性檢測,發現了多形擬桿菌、普通擬桿菌等多種擬桿菌屬細菌均具有菌源DPP4活性。同時,研究者還發現菌源DPP4(btDPP4)對GLP-1活性最強,甚至高于人類DPP4(hDPP4)。

研究思路:明確了“在腸道屏障受損時DPP4會發生變化”后,研究者進一步定位了分泌DPP4影響腸道的具體菌群,為后續構建動物模型作鋪墊。


3、微生物DPP4破壞宿主葡萄糖穩態
研究者探究了DPP4在宿主葡萄糖代謝中的作用,采用CRISPR-Cas4系統并構建多種小鼠模型來過表達或沉默DPP4進行研究,給予HFD破壞了腸道屏障,最終發現:多形擬桿菌可以以btDPP4依賴的方式降低宿主活性GLP-1水平,誘導糖耐量異常。

研究思路:第二步研究發現多形擬桿菌會分泌DPP4,加上已有相關研究表明“DPP4是2型糖尿病的疾病治療靶點之一”,基于此,研究者驗證了在小鼠模型中,DPP4在葡萄糖代謝中發揮的作用,與第一步研究相呼應,同時點明了btDPP4的重要作用。


4、臨床DPP4抑制劑不抑制微生物DPP4
研究者研究了DPP4抑制劑西格列汀是否可以抑制微生物DPP4,結果發現,西格列汀對btDPP4的抑制作用較弱。進一步分析發現,可能原因是btDPP4-西格列汀復合物結構存在弱TMTP接觸導致的,可變V/VI接頭基序可能是西格列汀對不同DPP4抑制效果不同的結構基礎。
研究者進一步開展了西格列汀臨床試驗和動物研究,采用多組學關聯分析、菌群移植、噬菌體靶向干預等多項實驗,發現多形擬桿菌產生的btDPP4影響了西格列汀的治療效果,解釋了為什么西格列汀抑制效果因人而異。此外,還表明,后續需要抑制hDPP4和btDPP4,以更有效地改善葡萄糖穩態。

研究思路:西格列汀是臨床常用DPP4抑制劑,但療效因人而異,原因一直有待發掘。研究者探究了西格列汀是否能影響btDPP4,結果顯示影響較小,可能原因是:西格列汀只影響了hDPP4而弱作用btDPP4,導致治療效果較差。這一步將科研與臨床實際相結合,提出了適合的臨床治療改進方案。


5、Dau-d4是一種特異性btDPP4抑制劑
研究者建立了一種使用btDPP4蛋白的高通量藥物篩選系統,通過對約107,000個小分子化合物的高通量篩選,發現了蝙蝠葛蘇林堿(Dau)具有最強的btDPP4抑制活性,但對hDPP4沒有抑制作用。

進一步的結構改造與活性評價顯示,Dau的衍生物Dau-d4對菌群DPP4有著很強的抑制作用,還對hDPP4存在一定抑制作用,從而在不影響腸道共生菌的生長與組成的情況下改善了糖代謝紊亂。


研究思路:既然提出了疑問,那就需要尋找適合的解決方法——研究者采用高通量藥物篩選系統發現了Dau,通過驗證其功能后發現存在一定的缺陷,因此后續在此基礎上不斷地挖掘,最終發現了衍生物Dau-d4。


6、Dau-d4改善葡萄糖穩態
接下來,研究者探究了Dau-d4在小鼠中的具體治療效果,針對Dpp4-/-小鼠、ob/ob小鼠等多種動物模型給予HFD、DSS飲水等條件以及Dau-d4治療,發現Dau-d4均可以通過抑制btDPP4,增加活性GLP-1,改善糖耐量異常,且不會對腸道菌群生長產生抑制,也不存在肝腎毒性。除此之外,Dau-d4與西格列汀聯合治療還可以改善西格列汀單獨治療帶來的副作用。


研究思路:發現了抑制藥物之后,接下來便是驗證藥物的療效、安全性以及與當前臨床治療藥物西格列汀的比較或聯合治療效果。


二、小結
菌源DPP4可能是2型糖尿病的治療靶點,而DPP4抑制劑Dau-d4可以在不干擾菌群整體功能的條件下,特異性靶向菌源DPP4,同時對人DPP4存在一定抑制作用,有效改善代謝紊亂,是潛在的治療2型糖尿病的新型藥物。
該研究開發了一種鑒定未表征的腸道微生物-宿主同工酶的新策略,篩選出活性最高的主角DPP4,之后開展了一段“發現靶點--機制驗證--藥物篩選和療效驗證的全鏈條研究體系,為開發新治療方法提供了可能。


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