本文系Food Science and Human Wellness原創(chuàng)編譯，歡迎分享，轉(zhuǎn)載請授權(quán)。

Introduction

2型糖尿?。═2DM）是一種以血糖升高為特征的慢性代謝性疾病，由遺傳因素、表觀遺傳修飾和環(huán)境因素等多種致病因素引起全身性低水平炎癥、胰島素分泌不足或功能障礙，導(dǎo)致糖、脂肪、蛋白質(zhì)、水和電解質(zhì)等代謝紊亂，影響機(jī)體的正常生理活動。近年來，隨著生活水平的提高和生活方式的改變，T2DM的發(fā)病率逐年上升，已成為危害人們健康的嚴(yán)重公共衛(wèi)生問題。大量研究表明，腸道菌群失調(diào)在T2DM的發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用，可誘發(fā)慢性低水平炎癥、胰島素抵抗，進(jìn)而引發(fā)異常的糖脂代謝。因此，通過生活方式干預(yù)（如飲食、運(yùn)動等）、補(bǔ)充微生態(tài)制劑（益生菌、益生元和合生元等）、降糖藥、微生物移植等方式靶向調(diào)節(jié)腸道菌群，成為防治T2DM的新策略。

腸道菌群不僅幫助宿主維持正常的消化、吸收和新陳代謝，還通過與腸黏膜相互作用來維持腸上皮細(xì)胞的功能穩(wěn)態(tài)。由腸上皮細(xì)胞及其緊密連接組成的腸道機(jī)械屏障是抑制異位腸道細(xì)菌和脂多糖（LPS）滲漏的關(guān)鍵。LPS是腸道革蘭氏陰性菌外膜的重要組成部分，也稱為內(nèi)毒素。當(dāng)腸道通透性增加時(shí)，過多的內(nèi)毒素會進(jìn)入血液循環(huán)并引發(fā)炎癥級聯(lián)反應(yīng)，破壞腸道屏障功能的穩(wěn)態(tài)。最近的研究證實(shí)，腸道通透性增加和腸道來源的LPS易位是T2DM代謝炎癥的重要原因。因此，靶向腸道屏障是治療T2DM的一種很有前途的策略。多糖作為一種優(yōu)質(zhì)的益生元，能有效刺激腸道有益菌的增殖，抑制潛在有害菌的生長。特別是植物來源的天然多糖，具有安全、綠色和穩(wěn)定的效果，在調(diào)節(jié)腸道菌群和保護(hù)腸道健康方面顯示出巨大的優(yōu)勢。

鐵皮石斛（Dendrobium officinale）是蘭科多年生草本植物，廣泛分布于東南亞和澳大利亞，已被證明具有降血糖、抗炎、促進(jìn)腸道健康、抗衰老、抗氧化和抗腫瘤等多種生理作用。鐵皮石斛除了在亞洲傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中具有藥用外，還是我國無毒無害的新型食品資源，已被列入藥食產(chǎn)品目錄和食品新原料目錄。鐵皮果仁含有多種營養(yǎng)物質(zhì)，包括多糖、菲化合物、生物堿、糖苷等。其中，鐵皮石斛多糖（DOP）是功能成分含量最高的，已被確定為產(chǎn)生其有益作用的主要成分之一，尤其是對糖尿病的有益作用，但其降糖機(jī)制仍不清楚。

因此，本研究從抗炎和腸道微生物調(diào)節(jié)的角度出發(fā)，利用高脂飲食（HFD）和鏈脲佐菌素（STZ）誘導(dǎo)的T2DM模型小鼠研究DOP的降血糖作用并揭示其潛在機(jī)制。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖

Results

DOP改善了T2DM小鼠的癥狀

在本研究中，使用HFD喂養(yǎng)和STZ注射建立了T2DM模型。如圖1所示，與NC組相比，MC組小鼠的癥狀為進(jìn)食和水消耗增加（P＜0.001）和體質(zhì)量減輕（P＜0.001），而DOP干預(yù)顯著改善了T2DM小鼠的多食（P＜0.01）、煩渴（P＜0.001）和體質(zhì)量減輕（P＜0.05）癥狀。此外，MC組小鼠的FBG值（（23.75±4.11）mmol/L）遠(yuǎn)高于NC組（（6.02±0.77）mmol/L），DOP處理顯著降低FBG水平（P＜0.01，圖2A），但與NC組相比仍有差距。

圖2 DOP緩解了葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗

DOP緩解葡萄糖耐量不良和胰島素抵抗

為了闡明DOP在控制葡萄糖穩(wěn)態(tài)和胰島素敏感性中的作用，除了FBG水平外，還測量了GSP、OGTT和胰島素水平。相對于MC組，DOP干預(yù)使T2DM小鼠的GSP值顯著降低了25.66%，這意味著DOP可以有效抑制T2DM小鼠在過去1～3周內(nèi)的血糖升高（圖2B）。DOP處理組小鼠在個(gè)別時(shí)間點(diǎn)的口服葡萄糖耐量優(yōu)于MC組，AUC在120 min內(nèi)下降了35.04%（圖2C-D），表明DOP可以增強(qiáng)機(jī)體調(diào)節(jié)升高血糖水平的能力。同樣，與MC組相比，DOP干預(yù)后血清胰島素水平也顯著降低了7.63%（圖2E），而HOMA-IR降低了42.59%（圖2F），表明DOP可以部分逆轉(zhuǎn)T2DM小鼠的葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗。

DOP調(diào)節(jié)血脂代謝

糖尿病作為一種慢性代謝性疾病，伴有脂質(zhì)代謝紊亂，誘發(fā)高脂血癥，表現(xiàn)為HDL-C明顯降低，LDL-C、TC、TG顯著升高。因此，本研究檢驗(yàn)了DOP對T2DM小鼠血脂水平的影響。與MC組相比，DOP給藥顯著降低了TC、TG和LDL-C水平（圖3A-C，P＜0.01），伴有HDL-C水平升高（P＜0.05），表明DOP可有效改善T2DM小鼠的高脂血癥。

圖3 DOP調(diào)節(jié)血脂代謝

DOP抑制T2DM小鼠血清代謝炎癥水平

多項(xiàng)證據(jù)表明，T2DM常伴有腸黏膜損傷，這可能導(dǎo)致細(xì)菌及其衍生毒素通過血液循環(huán)進(jìn)入人體質(zhì)量要組織器官，誘發(fā)代謝炎癥，進(jìn)而進(jìn)一步促進(jìn)T2DM的發(fā)生和變化。因此，進(jìn)一步檢測了腸道通透性血清學(xué)指標(biāo)LPS和血清炎性細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-10的水平。結(jié)果顯示，與NC組相比，MC組小鼠的LPS含量顯著增加（圖4A，P＜0.001），表明HFD喂養(yǎng)和STZ注射誘導(dǎo)的T2DM小鼠存在明顯的腸道屏障損傷和LPS滲漏。然而，DOP處理逆轉(zhuǎn)了上升趨勢（P＜0.001）。此外，研究發(fā)現(xiàn)，DOP有效抑制血清促炎因子如TNF-α（P＜0.05）、IL-1β（P＜0.001）和IL-6（P＜0.001）的表達(dá)，但對抗炎IL-10的表達(dá)沒有顯著影響（圖4B-E）。

圖4 DOP抑制T2DM小鼠的血清炎癥水平

T2DM小鼠血清LPS與糖脂代謝和炎癥指標(biāo)的相關(guān)性分析

為探討血清LPS與糖脂代謝及炎癥指標(biāo)是否存在相關(guān)性，進(jìn)行了Spearman相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，LPS與FBG、GSP、AUCOGTT、FINS、HOMA-IR、TC、TG、LDL-C、TNF-α、IL-6和IL-1β呈正相關(guān)，并與HDL-C呈負(fù)相關(guān)。綜上所述，LPS與糖脂代謝和炎癥因子水平顯著相關(guān)，提示抑制LPS介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和保護(hù)腸黏膜完整性可能是DOP治療T2DM的關(guān)鍵靶點(diǎn)。因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)關(guān)注DOP對腸道黏膜屏障和腸道菌群的影響，并從腸道的角度研究DOP改善糖尿病的機(jī)制。

DOP抑制T2DM小鼠腸黏膜損傷血清標(biāo)志物和腸道炎癥因子的表達(dá)

為了研究DOP對腸黏膜屏障的影響，檢查了與腸黏膜損傷相關(guān)的血清學(xué)標(biāo)志物，包括DAO和D-LA，以及腸道炎性細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-10。數(shù)據(jù)顯示，MC組小鼠血清中DAO和D-LA水平顯著升高，提示T2DM小鼠存在腸道黏膜損傷，但DOP干預(yù)后兩項(xiàng)指標(biāo)分別顯著降低17.34%和5.53%（圖5A）。此外，如圖5B-E所示，相對于MC組，補(bǔ)充DOP顯著降低腸道TNF-α（P＜0.01）、IL-1β（P＜0.05）和IL-6（P＜0.01）水平，并促進(jìn)IL-10水平（P＜0.05）。綜上所述，上述結(jié)果表明，DOP通過抑制腸道炎癥對T2DM小鼠腸道黏膜損傷具有良好的修復(fù)作用。

圖5 DOP抑制T2DM小鼠腸黏膜損傷血清標(biāo)志物和腸道炎癥因子的表達(dá)

DOP抑制T2DM小鼠腸道氧化應(yīng)激水平

腸上皮內(nèi)氧化應(yīng)激也被認(rèn)為是導(dǎo)致腸黏膜損傷的重要因素，因此本研究進(jìn)一步檢測了實(shí)驗(yàn)小鼠結(jié)腸組織中的氧化應(yīng)激相關(guān)指標(biāo)。數(shù)據(jù)顯示，T2DM小鼠腸道氧化應(yīng)激嚴(yán)重，表現(xiàn)為SOD、CAT和GSH水平顯著降低（P＜0.001），MDA水平顯著升高（P＜0.001）。DOP干預(yù)后小鼠結(jié)腸氧化應(yīng)激水平呈向NC組的趨勢，其中SOD、CAT和GSH水平分別顯著升高41.79%、29.79%和24.26%，而MDA水平顯著降低29.54%（圖6），表明DOP減輕了T2DM小鼠結(jié)腸的氧化應(yīng)激損傷。綜上所述，DOP通過抑制腸道炎癥和氧化應(yīng)激水平在腸道屏障中發(fā)揮保護(hù)作用。此外，必須強(qiáng)調(diào)的是，相關(guān)性分析表明，DOP對腸道LPS泄漏的抑制在降低腸道炎癥因子和氧化應(yīng)激的升高中起關(guān)鍵作用。

圖6 DOP抑制T2DM小鼠的腸道氧化應(yīng)激水平

DOP調(diào)節(jié)T2DM小鼠緊連接蛋白的表達(dá)

研究證實(shí)，在HFD和STZ誘導(dǎo)的T2DM小鼠模型和自發(fā)性T2DM小鼠模型中均觀察到異常緊密連接蛋白表達(dá)的表型特征，RT-qPCR檢測顯示，T2DM小鼠代表性腸道緊密連接蛋白ZO-1、Occludin和Claudin-1的mRNA表達(dá)顯著降低（P＜0.001）。相比之下，DOP處理后ZO-1、Occluding和Claudin-1的mRNA表達(dá)水平呈上升趨勢，分別增加了28.45%、38.34%和26.99%（圖7A），表明DOP具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)腸道緊密連接蛋白表達(dá)的能力。

圖7 （A）DOP對T2DM小鼠腸道緊密連接蛋白mRNA表達(dá)的影響；（B）結(jié)腸長度；（C）結(jié)腸解剖組織的代表性圖片；（D）結(jié)腸組織的H&E染色

DOP減輕T2DM小鼠的腸道組織病理學(xué)損傷

如圖7B-C所示，MC組小鼠的結(jié)腸長度顯著短于NC組（P＜0.01）。此外，DOP給藥減弱了T2DM小鼠結(jié)腸縮短的影響，與MC小鼠相比，結(jié)腸長度增加了29.54%。為了探索T2DM小鼠的腸道病理變化和DOP的腸道保護(hù)作用，繼續(xù)觀察結(jié)腸組織的H&E染色圖像（圖7D）。結(jié)果顯示，MC組小鼠表現(xiàn)為腸腺萎縮、隱窩結(jié)構(gòu)變形，上皮細(xì)胞有一定程度的變性甚至壞死，伴有炎性細(xì)胞浸潤和透射性增強(qiáng)。DOP干預(yù)后，上述病理變化得到不同程度的緩解。總之，DOP通過抑制腸道炎癥和改善氧化應(yīng)激，對腸道屏障發(fā)揮了良好的修復(fù)和保護(hù)作用，表明腸道屏障對DOP的保護(hù)作用可能是治療T2DM的基礎(chǔ)。

細(xì)菌群落組成分析

16S rRNA基因擴(kuò)增子測序檢測T2DM小鼠的糞便細(xì)菌群落。應(yīng)用α-多樣性指數(shù)，包括Chao1、Observed、Simpson和Shannon，以評估細(xì)菌的豐富度和多樣性。其中，Chao1和Observed物種指數(shù)證明了細(xì)菌的豐度，而Shannon和Simpson指數(shù)反映了群落多樣性。如圖8所示，MC組的細(xì)菌豐富度和多樣性與NC組相比顯著增加，而DOP干預(yù)后，細(xì)菌的豐富度顯著降低約30%（P＜0.001），群落多樣性也大幅下降并趨向于NC組，表現(xiàn)為DOP對T2DM小鼠腸道菌群有顯著影響。

圖8 DOP對T2DM小鼠糞便細(xì)菌群落α-多樣性的影響

在門水平上，厚壁菌門、放線菌門和變形菌門是所有實(shí)驗(yàn)組中檢測到的優(yōu)勢門（圖9A-B），它們的相對豐度占細(xì)菌群落總數(shù)的90%以上。與NC組相比，MC組腸道細(xì)菌的變形菌門相對豐度增加了750.09%，厚壁菌門和放線菌門的相對豐度分別降低了16.98%和42.49%。然而，DOP處理可以恢復(fù)上述門水平。值得注意的是，堆積圓圈中的分類樹和分層聚類分析進(jìn)一步表明，DOP對HFD和STZ誘導(dǎo)的T2DM小鼠的細(xì)菌群落組成具有調(diào)節(jié)作用（圖9C-D）。

圖9 DOP對T2DM小鼠腸道微生物群組成和豐度的影響

總體而言，在屬水平上，NC組小鼠中Allobaculum、Bifidobacterium和Lactobacillus的豐度是壓倒性的，高達(dá)84.07%。其中，與NC組相比，T2DM小鼠腸道菌群表現(xiàn)出明顯的變化，雙歧桿菌屬和乳酸菌屬的豐度降低；以及Helicobacter、Bacteroides、Desulfovibrio、Odoribacter、Enterococcus、Flexispira、Adlercreutzia、Parabacteroides、Anaeroplasma、AF12、Akkermansia和Halomonas的增加（圖9E-F）。相反，這些屬在DOP處理后得到恢復(fù)，特別是雙歧桿菌屬和乳酸桿菌屬的相對豐度分別增加了139%和8%，而Helicobacter、Desulfovibrio和Enterococcus的相對豐度分別降低了95%、9%和73%。

關(guān)鍵細(xì)菌屬分析

已經(jīng)證明DOP可以調(diào)節(jié)T2DM小鼠的腸道菌群，對雙歧桿菌和乳酸桿菌有顯著的富集作用，但對Helicobacter、Desulfovibrio和Enterococcus有抑制作用。為進(jìn)一步探討腸道菌群變異與T2DM相關(guān)指標(biāo)之間的潛在關(guān)系，基于Spearman相關(guān)性分析計(jì)算本研究獲得的5個(gè)主要屬與腸道炎癥和糖脂代謝相關(guān)指標(biāo)之間的相關(guān)性。如圖10所示，DOP組減少的屬（Helicobacter、Desulfovibrio和Enterococcus）與血清LPS和腸道促炎細(xì)胞因子呈正相關(guān)，而DOP組豐富的屬（雙歧桿菌和乳酸菌）與腸道炎癥狀態(tài)呈負(fù)相關(guān)，表明DOP顯著減輕了糖尿病患者的內(nèi)毒素血癥和腸道炎癥小鼠通過重塑腸道微生物群結(jié)構(gòu)。同樣，5個(gè)主要屬與糖脂代謝指標(biāo)的相關(guān)性分析表明，DOP組中減少的細(xì)菌Helicobacter、Desulfovibrio和Enterococcus可促進(jìn)T2DM的發(fā)病機(jī)制，DOP組中豐富的雙歧桿菌和乳酸菌可以阻斷T2DM的發(fā)病機(jī)制?？偟膩碚f，上述結(jié)果表明，DOP 可以通過調(diào)節(jié)特定腸道微生物的豐度和組成來改善腸道炎癥和黏膜屏障功能，表現(xiàn)為有益菌雙歧桿菌和乳酸菌的豐度增加，有害菌Helicobacter、Desulfovibrio和Enterococcus的產(chǎn)生減少在T2DM小鼠的糞便中，從而緩解T2DM小鼠的癥狀。

圖10 T2DM相關(guān)參數(shù)與屬水平腸道微生物群相對豐度的相關(guān)性分析

Conclusion

這項(xiàng)研究表明，DOP減輕了HFD和STZ誘導(dǎo)的T2DM小鼠的體質(zhì)量減輕，改善了葡萄糖耐量缺陷和胰島素抵抗，調(diào)節(jié)了脂質(zhì)代謝，并對LPS釋放和代謝炎癥有改善作用。然后，相關(guān)性分析顯示，DOP對腸道通透性的緩解作用是降低炎癥因子升高和糖脂代謝紊亂的關(guān)鍵。此外，DOP可以通過抑制腸道炎癥和氧化應(yīng)激水平以及促進(jìn)腸道緊密連接蛋白（ZO-1、Occludin和Claudin-1）的基因表達(dá)來保護(hù)腸道屏障。16S rRNA分析表明，DOP的上述有益作用是通過重塑腸道菌群來實(shí)現(xiàn)的，包括抑制潛在的腸道病原體Helicobacter、Desulfovibrio和Enterococcus，以及恢復(fù)雙歧桿菌和乳酸菌的有益細(xì)菌，Spearman相關(guān)性分析進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)?？傊?，DOP補(bǔ)充劑直接影響腸道黏膜屏障的完整性，最終改善T2DM小鼠的代謝參數(shù)，很可能是通過其卓越的抗炎和腸道微生物群調(diào)節(jié)作用。這些結(jié)果為DOP作為糖尿病食品和藥物應(yīng)用中的潛在益生元提供了理論依據(jù)。

Dendrobium officinale polysaccharide attenuates type 2 diabetes in mice model by modulating gut microbiota and alleviating intestinal mucosal barrier damage

Xiaoxia Chena, Chun Chena,b,c,d,*, Changyang Mae, Wenyi Kange, Junlin Wuf,*, Xiong Fua,b,c,d

a Guangdong Province Key Laboratory for Green Processing of Natural Products and Product Safety, Guangzhou 510640, China

b SCUT-Zhuhai Institute of Modern Industrial Innovation, School of Food Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China

c Guangzhou Institute of Modern Industrial Technology, Guangzhou 511458, China

d Overseas Expertise Introduction Center for Discipline Innovation of Food Nutrition and Human Health (111 Center), Guangzhou 510640, China

e National R&D Center for Edible Fungus Processing Technology, Henan University, Kaifeng 475004, China

f Guangzhou Wondfo Health Science and Technology Co., Ltd., Guangzhou 510640, China

*Corresponding author.

Abstract

The purpose of this study was to investigate the hypoglycemic effect and mechanism of Dendrobium officinale polysaccharide (DOP) on type 2 diabetes mellitus (T2DM) mice established by high-fat diet and streptozotocin. The results showed that DOP improved glycolipid metabolism and serum inflammation levels, and inhibited intestinal-derived lipopolysaccharide (LPS) translocation, suggesting that inhibiting LPS-mediated intestinal barrier damage may be a key target for DOP to alleviate T2DM. Interestingly, the study found that DOP reduced intestinal inflammation and oxidative stress levels, significantly up-regulated the mRNA expression of tight junction proteins Claudin-1, Occludin and zonula occluden-1 (ZO-1), and ameliorated intestinal epithelial damage. In addition, DOP strongly inhibited the intestinal pathogenic bacteria and LPS-producing bacteria Helicobacter, Enterococcus and Desulfovibrio with a reduction rate of 95%, 73% and 9%, respectively, and promoted the proliferation of anti-inflammatory bacteria Bifidobacterium and Lactobacillus by 139% and 8%, respectively. Taken together, the hypoglycemic effect of DOP was related to the protection of intestinal mucosal barrier, and its underlying mechanism lied in its excellent anti-inflammatory and gut microbiota-modulatory effects, providing a theoretical basis for developing DOP as a novel prebiotic in functional food for diabetes.

Reference:

CHEN X X, CHEN C, MA C Y, et al.

Dendrobium officinale

翻譯： 田雨欣（實(shí)習(xí)）

編輯：梁安琪；責(zé)任編輯：孫勇

封面圖片：圖蟲創(chuàng)意

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