摘要
将27只SD大鼠随机分成空白组(9只)、模型组(9只)、电针组(9只),除了空白组,其余两组采用LPS气管滴注(实验第1 d和第14 d)及烟熏联合制备COPD模型,造模时间长达8 w(共56 d);电针组于实验的最后2 w于单侧“肺俞”和“足三里”穴进行电针干预,频率为疏波2 Hz,密波10 Hz,20 min/次/d,每日轮换对侧进行电针,连续14 d。实验结束后对各组大鼠采用HE染色法观察肺组织病理形态改变,采用ELISA检测肺泡灌洗液中IL-6、IL-8、TNF-α的水平,并采用16S rDNA测序分析大鼠粪便内菌群丰度及多样性。
与空白组相比,模型组大鼠肺组织炎性浸润明显,支气管管壁增厚,上皮杯状细胞增多,肺泡破损严重;与模型组相比,电针组大鼠肺组织支气管管壁较薄,炎性浸润较少,肺泡破损程度较轻。与空白组相比,模型组肺泡灌洗液中IL-8和TNF-α含量显著升高(P<0.01),IL-6含量升高(P<0.05)。电针干预后,与模型组相比,电针组肺泡灌洗液中IL-8和TNF-α含量显著下降(P<0.01)。菌群Alpha多样性结果显示,各组间大鼠肠道菌群的Sob、Chao1、ACE指数差异均无统计学意义(P>0.05)。Beta多样性结果显示,模型组与空白组明显分离,电针组与模型组则分离不明显。与空白组相比,模型组在乳酸菌属、毛螺菌属、拟杆菌属、梭菌属的相对丰度上升;而电针干预后其相对丰度均下降。LefSE分析结果显示,电针组的富集菌为棒状杆菌属、拟杆菌属、普雷沃氏菌属、普雷沃氏菌科、螺杆菌属、脱硫弧菌属、异杆菌、葡萄球菌属、奎因氏菌属等。
慢性阻塞性肺病(Chronic Pulmonary Obstructive Disease,COPD)的主要特征为持续的呼吸道症状和气流限制,并伴有长期的呼吸系统症
针灸作为中国传统医学的常用治疗手段,被广泛用于COPD的治疗,并展现出良好的临床疗效。对于COPD患者,针灸能够有效缓解临床症状,提升运动耐量,减轻焦虑情绪,改善营养状
27只体质量为(320±30) g的6 w龄SPF级SD大鼠,由厦门大学实验动物中心提供(伦理号为XMULAC20230203),并于厦门大学医学院动物中心进行常规饲养,环境温度为(27±3) ℃,湿度为(60±10)%。所有大鼠适应性喂养7 d后,按随机数字表法而被随机分为空白组(CT组)、模型组(MD组)、电针组(EA组),每组9只。实验过程中严格遵照实验动物福利及伦理的各项规定进行,确保动物得到应有的福利及伦理保护。
香烟[红梅牌,产自红塔烟草(集团)有限责任公司];脂多糖(Biosharp牌,产自兰杰柯科技有限公司);无菌针灸针(方祖张仲景牌,平柄针,规格:0.18 mm×13 mm); HiPure Stool DNA提取试剂盒(产自广州美基生物科技有限公司)。小动物麻醉系统(瑞沃德);SDZ-Ⅱ型电子针疗仪(华佗牌);全自动数字玻片扫描仪(Zeiss AxioScan 7,产自蔡司集团);烟雾发生器(DSI BUXCO);Illumina Miseq测序仪(产自美国Illumina公司)。
空白组进行常规饲养,不做任何处理;模型组及电针组复制COPD大
电针组从实验第43 d开始进行电针“肺俞”及“足三里”治疗,具体操作方法为:参照全国中医药行业高等教育“十三五”规划教材《实验针灸学》中的动物穴位图谱对大鼠“肺俞”及“足三里”进行定位,用无菌针灸针(方祖张仲景牌,平柄针,规格:0.18 mm×13 mm)进行针刺,“肺俞”向内斜刺0.5 cm,“足三里”直刺1 cm,针刺后连接SDZ-Ⅱ型电针治疗仪。电针治疗仪的输出参数为:电流强度1.5 mA,采用疏密波(疏波2 Hz,密波10 Hz),电针刺激强度以毫针针体出现轻颤为度,电针时间为20 min/次/d,连续14 d,每天电针时间为14:00。电针干预过程中,初期因术者操作不够熟练而导致少数大鼠死亡,但随着术者逐步熟练掌握操作方法,大鼠的死亡情况得到了有效控制
各组大鼠于实验第56 d开始禁食24 h。之后,术者将大鼠进行异氟烷气管麻醉后,在无菌操作台上对其进行剖腹,暴露其肺部及结肠,并取出左肺,采用4%多聚甲醛固定,包埋,将其切成5 μm厚度的切片;截取结肠内同一部位粪便2~3粒,将大鼠肠内粪便采集至5 mL冻存管,置于-80 ℃液氮泡沫箱中,后转存于-80 ℃冰箱。
将制备好的病理切片脱蜡至水,浸入苏木精染色液中,持续5 min,小流量自来水冲洗后浸入伊红染色剂中,亦持续5min,采集光学显微镜(400×)下各组大鼠肺组织的病理形态图片。
各组大鼠取右肺的肺泡灌洗液,根据ELISA试剂盒检测说明书进行操作,检测大鼠肺泡灌洗液中的IL-6、IL-8、TNF-α水平。
DNA提取:采用HiPure Stool DNA提取试剂盒以提取粪便样本中的总DNA。PCR扩增:对16S rRNA基因的V3-V4区域进行PCR扩增,PCR试剂厂家为New England Biolabs。PCR产物鉴定、定量:使用2%琼脂糖凝胶评定扩增产物的质量,接着纯化PCR产物,并用Qubit 3.0 进行定量。文库测序:采用Illumina DNA Prep Kit构建测序文库;采用ABI StepOnePlus Real-Time PCR System检测文库的质量,质量合格的文库采用 Novaseq 6000上机测序,模式为PE250。
对测序数据进行优化,通过质控、聚类、去嵌合体以获取操作分类单元(Operational Taxonomic Units,OTU);对OTU进行注释,根据注释结果获取各层级(门、纲、目、科、属、种)的物种丰度信息,生成Alpha多样性、Beta多样性分析、物种组成分析、LefSE分析(LDA Effect Size)等。
HE染色结果显示,空白组大鼠的支气管管壁组织正常,肺泡壁薄且结构完整,未见明显的炎性细胞浸润。与空白组相比,模型组大鼠的支气管管壁增厚变形,上皮杯状细胞增多及大量炎性细胞浸润,出现肺泡壁断裂融合成肺大泡。相比于模型组,电针组大鼠的支气管管壁增厚程度减轻,未发生变形,炎性细胞数量较少,肺泡破裂和融合程度较轻。由此说明,电针能减轻COPD模型大鼠的支气管壁和肺泡壁结构组织的破坏,且可减少炎性细胞数量。见

图1 HE染色下各组大鼠肺组织的病理形态(400×)
与空白组相比,模型组大鼠肺泡灌洗液中IL-8和TNF-α含量显著升高(P<0.01),IL-6含量升高(P<0.05)。与模型组相比,电针组肺泡灌洗液中IL-8和TNF-α含量下降(P<0.01),但IL-6无显著差异(P>0.05)。由此说明,电针可减少COPD大鼠肺泡灌洗液中IL-8和TNF-α炎症因子的含量,从而减轻COPD大鼠肺组织炎症。见



图2 各组大鼠肺泡灌洗液中IL-6、IL-8、TNF-α的含量
A:各组IL-6含量;B:各组IL-6含量;C:各组TNF-α含量;Control:空白组;Model:模型组;Electroacupuncture:电针组;与空白组对比
Alpha多样性分析是用于分析单样品中的物种多样性,常用的指数包括observed species(Sob)、Chao1、ACE等。Sob为检测到的OTU个数,而Chao1和ACE是基于检测到的OTU进行预测。Sob、Chao1、ACE指数与物种多样性成正比,能够用于反映物种的丰富度。结果显示,各组间大鼠肠道菌群的Sob、Chao1、ACE指数差异均无统计学意义(P>0.05),说明各组大鼠肠道菌群在alpha多样性上没有明显差异。见

图3 各组大鼠肠道菌群的Alpha多样性分析
A:各组Sob指数;B:各组Chao1指数;C:各组ACE指数;CT:空白组;MD:模型组;EA:电针组
Beta多样性是用于衡量多样品之间物种多样性差异的标准,其中基于Bray curtis的主坐标分析PCoA (principal co-ordinates analysis) 能够展示样品之间物种的相似性,越来越近则相似度越高。主坐标分析PCOA结果显示,空白组与模型组样本存在明显分离,表明COPD模型组大鼠的肠道菌群组成与空白组相比差异较大;模型组与电针组样本的坐标范围重叠,肠道菌群结构上的差异较小,提示电针组肠道菌群结构的变化在Beta多样性分析中体现的不明显。见

图4 各组大鼠肠道菌群的Beta多样性分析
CT:空白组;MD:COPD模型组;EA:电针组
大鼠肠道菌群门水平的主要组成如下:Bacteroidota(拟杆菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)、Verrucomicrobiota(疣状微生物群)、Proteobacteria(变形菌门)、Desulfobacterota(脱硫杆菌门)、Actinobacteriota(放线菌门)、Cyanobacteria(蓝细菌)等。
相较于空白组,模型组在Firmicutes(厚壁菌门)、Verrucomicrobiota(疣状微生物群)、Desulfobacterota(脱硫杆菌门)、Actinobacteriota(放线菌门)、Cyanobacteria(蓝细菌)中的相对丰度上升,而在Bacteroidota(拟杆菌门)、Proteobacteria(变形菌门)中的相对丰度下降。相较于模型组,电针组在Bacteroidota(拟杆菌门)、Proteobacteria(变形菌门)、Desulfobacterota(脱硫杆菌门)、Cyanobacteria(蓝细菌)中的相对丰度上升,而在Firmicutes(厚壁菌门)、Verrucomicrobiota(疣状微生物群)、Actinobacteriota(放线菌门)中的相对丰度下降。其中,电针干预后对于Bacteroidota(拟杆菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)、Verrucomicrobiota(疣状微生物群)、Proteobacteria(变形菌门)、Actinobacteriota(放线菌门)有着回调作用。见
门水平 | CT组 | MD组 | EA组 |
---|---|---|---|
Bacteroidota | 57.6900 | 33.6104 | 43.2772 |
Firmicutes | 32.7281 | 51.7418 | 44.6360 |
Verrucomicrobiota | 3.9663 | 9.4217 | 3.1308 |
Proteobacteria | 2.8275 | 0.9751 | 1.8965 |
Desulfobacterota | 0.2656 | 1.0271 | 2.8862 |
Actinobacteriota | 0.6131 | 0.9012 | 0.8925 |
Cyanobacteria | 0.5004 | 0.7411 | 1.0206 |
Patescibacteria | 0.0813 | 0.2368 | 0.4216 |
Campilobacterota | 0.0514 | 0.2093 | 0.3185 |
Elusimicrobiota | 0.0134 | 0.0433 | 0.3813 |

图5 各组大鼠肠道菌群的门水平相对丰度
CT:空白组;MD:模型组;EA:电针组
大鼠肠道菌群属水平的主要组成如下:Alloprevotella(异普氏菌属)、Romboutsia(罗姆布茨菌)、Akkermansia(阿克曼氏菌)、Lactobacillus(乳酸菌属)、Lachnospiraceae_NK4A136_group(毛螺菌科NK4A136组)、Bacteroides(拟杆菌属)、Prevotellaceae_Ga6A1_group(普雷沃氏菌科Ga6A1组)、Clostridium_sensu_stricto_1(梭菌_sensu_stricto_1)、Ruminococcus(瘤胃球菌属)、Parasutterella(副萨特氏菌属)等。
相较于空白组,模型组在Romboutsia(罗姆布茨菌)、Akkermansia(阿克曼氏菌)、Lactobacillus(乳酸菌属)、Lachnospiraceae_NK4A136_group(毛螺菌科NK4A136组)、Bacteroides(拟杆菌属)、Prevotellaceae_Ga6A1_group(普雷沃氏菌科Ga6A1组)、Clostridium_sensu_stricto_1(梭菌_sensu_stricto_1)、Ruminococcus(瘤胃球菌属)中的相对丰度上升,而在Alloprevotella(异普氏菌属)及Parasutterella(副萨特氏菌属)中的相对丰度下降。相较于模型组,电针组在Bacteroides(拟杆菌属)、Prevotellaceae _Ga6A1_group(普氏菌科Ga6A1组)、Ruminococcus(瘤胃球菌属)、Parasutterella(副萨特氏菌属)中的相对丰度上升,而在Alloprevotella(异普氏菌属)、Romboutsia(罗姆布茨菌)、Akkermansia(阿克曼氏菌)、Lactobacillus(乳酸菌属)、Lachnospiraceae_NK4A136_group(毛螺菌科NK4A136组)、Clostridium_sensu_stricto_1(梭菌_sensu_stricto_1)中的相对丰度下降。其中,电针干预后对于Akkermansia(阿克曼氏菌)、Lactobacillus(乳酸菌属)、Lachnospiraceae_NK4A136_group(毛螺菌科NK4A136组)、Clostridium_sensu_stricto_1(梭菌_sensu_stricto_1)中的相对丰度下降。见
属水平 | CT组 | MD组 | EA组 |
---|---|---|---|
Alloprevotella | 14.9599 | 3.1256 | 3.0267 |
Romboutsia | 1.3091 | 11.9781 | 4.5680 |
Akkermansia | 3.9657 | 9.3885 | 3.0708 |
Lactobacillus | 4.1588 | 4.7098 | 3.5934 |
Lachnospiraceae_NK4A136_group | 3.8491 | 4.5522 | 3.1596 |
Bacteroides | 1.1819 | 2.5911 | 3.1739 |
Prevotellaceae_Ga6A1_group | 0.1736 | 1.9251 | 3.1732 |
Clostridium_sensu_stricto_1 | 0.8734 | 2.7256 | 0.9031 |
Ruminococcus | 1.0926 | 1.4556 | 1.4603 |
Parasutterella | 2.4684 | 0.4397 | 1.0759 |

图6 各组大鼠肠道菌群的属水平相对丰度
CT:空白组;MD:模型组;EA:电针组
基于LDA评分>3的LEfSe (Linear discriminant analysis effect size)分析结果显示,空白组的富集菌为Alloprevotella(异普氏菌属)、Prevotellaceae_UCG_001(普雷沃氏菌科_UCG_001)、Parabacteroides(副拟杆菌)、Dubosiella(杜氏菌属)、Phascolarctobacterium(考拉杆菌属)、Parasutterella(副萨特氏菌属);模型组的富集菌为Romboutsia(罗姆布茨菌);电针组的富集菌为Corynebacterium(棒状杆菌属)、Bacteroides(拟杆菌属)、Prevotella(普雷沃氏菌属)、Prevotellaceae_Ga6A1_group(普雷沃氏菌科Ga6A1组)、Helicobacter(螺杆菌属)、Desulfovibrio(脱硫弧菌属)、Elusimicrobium菌属、 Allobaculum(异杆菌)、Staphylococcus(葡萄球菌属)、Quinella(奎因氏菌属)、Candidatus_Saccharimonas(念珠菌_糖单胞菌)。见

图7 各组大鼠肠道菌群内属水平显著差异物种LefSe分析的分支图
CT:空白组;MD:模型组;EA:电针组

图8 各组大鼠肠道菌群内属水平显著差异物种LEfSe分析的LAD>3直方图
CT:空白组;MD:模型组;EA:电针组
COPD的特点为慢性呼吸道症状,结构性肺部异常及肺功能受
气道炎症反应是COPD的核心病理特征,因此,对肺泡灌洗液(BALF)中的炎症因子水平进行分析可有效评估COPD的炎症状态及严重程度。El-Shimy
“肺与大肠相表里”为中医藏象学说的理论,源于《黄帝内经》。《灵枢·本输》中便提到“肺合大肠”,表述了肺与大肠之间的联系。在经络理论上,《灵枢·经脉》曰:“肺手太阴之脉,起于中焦,下络大肠……出大指之端”,“大肠手阳明之脉,起于大指次指之端……下入缺盆,络肺,下隔,属大肠。”肺经与大肠经于食指处相交,分别循行于上肢的内外侧,肺经为阴,大肠经为阳,互为表里,并相互络
本研究采用了16S rDNA基因测序来探讨各组大鼠肠道菌群在多样性、丰度、差异物种及功能分析的变化。Beta多样性分析结果表明COPD模型大鼠粪便中的微生态较空白组出现了明显变化。烟熏造模后大鼠肠道菌群的多样性明显区别于空白组,提示吸烟将影响大鼠粪便微生态的平衡,但电针干预后大鼠肠道菌群与模型组比较,肠道菌群结构上无明显差异,提示电针治疗并未对COPD模型大鼠微生态结构造成影响。
本实验结果表明,COPD模型大鼠在乳酸菌属、毛螺菌属、拟杆菌属、梭菌属出现了相对丰度的增加,这与大部分研究报道中的结果一致。大鼠粪便中的拟杆菌门、乳杆菌门等丰度增加提示其可能作为潜在的致病因子,参与COPD的发病机
LEfSe分析结果表明,Corynebacterium(棒状杆菌属)、Bacteroides(拟杆菌属)、Prevotella(普雷沃氏菌属)、Prevotellaceae_Ga6A1_group(普雷沃氏菌科Ga6A1组)、Helicobacter(螺杆菌属)、Desulfovibrio(脱硫弧菌属)、Elusimicrobium菌属、Allobaculum(异杆菌)等在电针组中富集。研究表明谷氨酸棒状杆菌的增加导致代谢物发生变化和短链脂肪酸(SCFA)的大幅增加,其中,乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐的含量与促炎细胞因子的含量呈负相
本次实验研究仍存在许多不足,首先本次实验造模及干预的周期较短,无法观察长期的效果,限制了对研究干预方式持久性的理解。此外,研究缺乏对临床COPD患者样本的结合分析。大鼠与人类肠道中的菌群结构存在差异,故本研究可能无法确切反映人类的生理及病理特性,研究发现难以直接应用于临床。未来研究中需要注意以下几点:第一,未来研究应增加样本数量,以帮助提高结果统计学意义及可靠性;第二,可以进行更长期的实验观察,以便更全面地评估电针治疗COPD大鼠的效果,为临床提供更充分的依据。
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