中药多糖能减肥降糖?结合肠道菌来科学验证
赖信志 2019-06-27
时长:20:04 字幕:张宇微 审校:蓝灿辉
如何用科学方法来验证灵芝、冬虫夏草、牛樟芝多糖的潜在益生元作用,它们促进了哪些潜在益生菌生长,减肥降糖机制会是什么?
赖信志
台湾长庚大学医学检验暨生物技术系教授
台湾大学医检系合聘教授
中国肠道大会中医药大会主席
英国剑桥大学病理系所博士。主要从事肠道微生物群与宿主免疫与疾病的相互作用、开发具免疫调控与治疗炎症疾病的草药生物制剂、开发具免疫调控的益生菌与益菌元以及生物传感器的开发等研究。现任台湾长庚大学医学检验暨生物技术系教授、台湾大学医检系合聘教授以及中国肠道大会中医药大会主席。发表论文50余篇。发明专利8项。曾获“国立台湾大学清星医学研究员奖”。
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本演讲由G30企业提供资助,并受到民福社会福利基金会的大力支持和协助。
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图文实录

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首先感谢热心肠研究院的热情安排跟邀请,让我有这个机会来跟大家分享我在中草药以及微生物组中间的研究经验。

针对各种的慢性疾病开发新的益生元,找到新的益生菌,以及所谓的后生元(Postbiotics),这是一个非常值得努力的目标。

我今天要从中草药开始,看能不能在这个架构设想里面,让我们能够对中草药在疾病预防中的机制,以及可能的应用有更进一步的了解。

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中草药是我们老祖宗的智慧,源远流长数千年。比方说,这边所看到的《神农本草经》。

在几千年前,神农大帝尝百草,然后把有用的药草留下来,也把有毒的药草记录并告诉我们。这些宝贵的知识流传了几千年,的确也解决了相当多人的疾病困扰。

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在中医药的领域里面,我们大家都知道它是一个非常博大精深的领域。特别是对于疾病的预防或是治疗,它所切进去的角度,是以整个的个体为考量的。

其中针对疾病的主要的一些中草药、方剂的组合,是利用到所谓的君药、臣药、佐药、使药。

以炙甘草汤为例子,它对于疾病的预防和治疗,就以君药为主,臣跟佐药主要都是来辅佐君药的功能,加强它的功能,并且把它的副作用,所谓的毒性减弱或是把它去掉。

使药是整个配合君、臣、佐药的使用,把整副药、方剂的力量带到它应该到的地方。

在这么多年这个领域的研究里面,我们碰到了一个问题,就是对于它在身体里面,特别是在细胞层次的互动,以及细胞内的讯号传递系统的了解,其实并不多。

因此它会有一个问题,就是它非常难以再现、推广。

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针对这个问题,西方的科学精神刚好跟我们东方的中医药、中草药形成一个互补。

当疾病的情形发生的时候,比方说发炎,某些讯号途径就会特别明显的被激活。因此当我们了解到这些途径了以后,针对这些途径,就可以筛各种不同分子量的化学药品,然后来进行抗发炎的作用。

筛出来的药品的数量,可能从10的10次方,然后慢慢筛到几百个、几十个到个位数。

然后慢慢进到临床前实验、动物实验;然后再到临床实验的Clinical Phase(临床分期),就是Phase I(一期)、Phase II(二期)、Phase III(三期);然后到FDA的认证,到Phase IV(四期)。所以整个的过程环环相扣,非常的严谨。

因此,东方跟西方之间的研究各有所长,其实是可以互相的互补。

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因此我们研究的动机,是希望把东方的中草药的效用跟知识,用西方的科学方法来加以严谨的验证。

对于东方的中草药,其实它相当有效的一个大的方向,确实是慢性发炎的疾病为主;而慢性发炎,对于现代的所谓的文明病,又是特别的严重而普遍。

因此,如果能够将东方的中草药与西方的科学方法结合在一起,来了解中草药的生化、分子层次的作用机制,来发展新一代的益菌素(Prebiotics)、次世代的益生菌(Probiotics)以及小分子化学药物,就可以有机会来更清楚的解释、验证我们中草药的效果。

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一个非常好的中草药的例子,就是在2015年,屠呦呦教授得到诺贝尔生理医学奖。在屠教授的贡献里面,她 Identify(鉴定)的青蒿素,对于治疗疟疾有非常重要的成效。

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同时,不管是对于药用植物、食用植物或者是医用蕈菇类,或者是其他相关的药草类,大家都希望找到它的活性成分。

知道活性成分了以后,了解它的分子作用机制,进而在疾病的预防跟治疗中扮演一些重要角色。

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在这个架构之下,在几年前我们就开始进行了中草药的研究规划。

我们把实验室能够处理的中草药,慢慢的划成两条路走。一条就是往水萃的这条路走,另外一条路就是往酒精萃的这个方向走。

我们知道,水萃获得的大部分内含物,主要就是多糖类;而酒精萃获得的大部分内含物,就是相当多的小分子化学物,是一些环状的化合物,比如苫萜类等等。

利用这两条不一样的路,中草药经过一层一层纯化、分离,然后再做功效的验证。

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在这几年来,我们的确在这些中草药上面找到了相当不错的成分,能够抗发炎体(Inflammasome)的发炎以及Interleukin(白介素)-1β的产生。

同时我们也看到了,水萃的这些内含物通常一个趋势,就是促进自然杀手(NK)细胞的免疫力;而酒精萃是促进抗发炎,然后伤害NK细胞。

因此,水萃跟酒精萃,就形成了所谓的阴阳不同的方向走。

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除此之外,在冬虫夏草我们也再看到了它的一些水萃的分子,以及它的裂解液,找到它抗发炎的有效的机制。

另外,对于台湾特有的一个医用蕈菇类,所谓的牛樟芝,它的水萃、酒精萃也分别看到抗发炎跟抗癌的效果。

在灵芝方面的水萃,我们也看到它有非常好的活化免疫力的效果。

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在整个的研究过程里,我们以前几乎忽略了一件事情。

就是我们在吃了这些中草药以后,它们到我们的肠子里面去。其实这些中草药不是只有碰到我们的真核细胞、肠壁而已,那会有一群细菌等着它们,就是所谓的微生物组,在我们的小肠、大肠等着它们,跟它们相会。

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这些微生物组与相当多的慢性疾病,不管是神经方面的疾病、心脏血管疾病、过敏以及呼吸道相关的疾病都有密切的关联。

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我个人在几年前开始对于肥胖、糖尿病跟代谢症候群开始有研究兴趣。主要是因为这一类的疾病,是中草药刚好可以有非常强有力的机会,介入进来进行预防以及治疗的。

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在这之前,我们实验室就针对于现在人类对于肥胖,对于糖尿病跟代谢症候群所了解的各种分子机制,有一个系统的搜寻跟了解。

这些机制包括从我们的头脑一直到身体的各种脏器器官,在正常的生理状况以及在疾病的生理状况的时候,一些跟糖尿病、肥胖、代谢综合症候群相关的基因变化。

这有便于我们之后对中草药的研究,可以从已经了解的西方科学证据切入进来。

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首先,在开发益生元的这一方面。

一些寡果糖也好,或者是一些所谓的膳食纤维,由于不能被我们人自己的酶所分解,就跑到大肠去。大肠那边就会有相当多的细菌等着它们,然后把它们分解,由大分子切成小分子,然后产生短碳链脂肪酸。

它就透过肠壁的细胞进入血液循环,进入淋巴循环,到全身各处去,影响了肝脏,影响了我们的大脑,影响了我们的肌肉,也影响了我们的脂肪组织以及全身各个重要的器官。

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同时,我们也看到了,在牛樟芝的水萃多糖的这个部分,它有相当不错的减肥效果。

它的减肥机制还没有完全明白之前,我们发现对于肥胖动物,牛樟芝的水萃多糖很明显的增加Akkermansia muciniphila(嗜黏蛋白阿卡曼氏菌)的丰度,这株菌是在减肥领域里面走在前面的所谓的二代益生菌。

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我们之前的这个研究,利用灵芝的菌丝体,研究它的水萃多糖。

我们也发现到,我们处理肥胖动物,灵芝的水萃多糖体,特别是大于300个kDa(千道尔顿)的高分子量多糖体,它的减肥效果达到最佳。

也就是说,肥胖动物的确可以被灵芝的高分子量多糖减肥。

我们用它的粪便来做粪便移植的实验,发现主要的减肥效应是经由服用灵芝水萃多糖的动物肠道里面的一群菌来实现的。

而里面其中有一个菌是副拟杆菌(Parabacteroides),它在整个研究体系里面的数目有最明显的上升,就开始吸引了我们的注意。

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同时,除了灵芝以外,另外一个非常著名的医用蕈菇类就是冬虫夏草。

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我们拿到冬虫夏草的菌丝体,一样去做减肥的实验。

我们不约而同的也看到了,冬虫夏草的高于300个kDa(千道尔顿)以上的水萃的多糖类分子,它也达到非常漂亮的减肥效果。而这个减肥效果也是经由同一株菌,就是格氏副拟杆菌来达到的。

因此到现在,到目前为止,我们就可以说,灵芝的多糖、牛樟芝的多糖以及冬虫夏草的水萃多糖,它们会减肥,因此它们非常有机会发展成为新的益生元。

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其中灵芝跟冬虫夏草的益生元,它会增值相当多的菌。

其中的一个,我们挑出来做研究的,丰度被影响最多的,就是格式副拟杆菌(Parabacteroides goldsteinii),我们简称叫PG菌。

这株菌单独使用就达到减肥的效果,因此之后这株菌也可能发展为次世代益生菌。

有基于此,我们实验室里面的张志荣博士、蔡玉玲博士跟林稚容博士,开始继续基于找到的这个PG菌,利用已经发展的多体学平台,也就是结合了各种体学以及大数据分析的Algorism(算法)来分析。

希望能够对于PG菌为什么能够减肥这件事情,有进一步的了解。了解了以后,或许能够基于这个结果来开发新的后生元。

然后希望能够在Prebiotics(益生元)、Postbiotics(后生元)跟Probiotics(益生菌)三个一起的结合之下,达到对减肥机制的了解。

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这个图上所秀出来的是,我们对肥胖老鼠施予PG菌。可以看到,我们对它的器官,包含它的大肠以及它的脂肪细胞、脂肪组织,我们去看整个器官的RNA转录体。

可以看到这个图的左边,PG菌的施予很明显的促进整个组织的核糖体RNA转录数目的增加。转录的数目增加是受到严格控管的,而且跟肥胖是有密切的关联。

这个图的右边又进一步的显示,PG菌的施予可以把肥胖动物的先天免疫和后天免疫很明显的往下降,这样或许就可以达到减肥的效果。

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那进一步的研究,我们去看,假设它对肠道细胞、对于脂肪组织的细胞有效的话,那这个菌是对所有的细胞都有一样的效果呢?还是它有没有针对某些在组织里面特别的细胞显示它的功能,从而达到减肥以及抗代谢症候群的效果?

我们目前的研究结果显示,那这株菌的施予对于细胞里面的一些发炎细胞,像是巨噬细胞或者像是B细胞,另外一些像肠道的上皮细胞,都有明显的影响。

那显示,这一个可能的二代益生菌,可能是经由调整肠道的这一些细胞的RNA的转录体而达到减肥的效果。

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因为RNA转录出来了以后,它就会转译产生蛋白质,而蛋白质会参与各种的生化代谢反应。因此,由这一些研究结果,我们就可以由RNA推导它可能的生化代谢途径。

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同时,另外一个问题也产生了——假设这株菌单独使用可以减肥,那么它真的是单打独斗吗?还是它有另外协同作战、并肩作战的其他细菌?

我们去做它的宏基因体的分析,研究的结果就告诉我们说,这株菌施予给肥胖动物后,有另外一株菌的数目也明显的上升。

这株菌就是Akkermansia muciniphila,PG菌这个可能的二代益生菌,或许与AKK菌并肩作战,然后达到减肥的效果。

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最后一个拼图就是,必须了解是不是某一些代谢物也改变了。因此,我们就对所有动物的粪便以及它们的血液做代谢体的分析。

我们看到的是,PG菌的施予在可以让肥胖动物减肥以外呢,其中肥胖动物的枸橼酸循环,就是TCA cycle里面的几个重要代谢物,以及细菌所代谢出来的几个二级胆盐明显的受到影响。

这个TCA cycle,这些代谢物跟次级胆盐都已经跟代谢调控以及跟抗发炎有密切的相关联。

因此,我们慢慢的拼图,一个个拼,拼出来或许就可以了解我们中草药可能经由什么样子的机制而达到减肥的效果。

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在这株细菌被分离出来了以后,我们进行了它的各种生理跟基因的分析。它的电子显微镜的照片在左上角,它大约有将近7个Mega(兆)的基因。

进一步的生物资讯分析告诉我们,这株细菌的基因体中,大概有20%的基因是跟糖类的合成、跟糖类的分解有关。

也就是说,这株菌很喜欢吃糖,也喜欢做糖。吃什么糖呢?可能优先选择的就是冬虫夏草跟灵芝的大于300kDa(千道尔顿)的多糖体。它吃这些多糖体,然后产生一些荚膜的糖类出来。

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最后,我们希望拼出什么样子的一个图出来,来解释我们的中草药整个减肥的机制呢?

或许大家可以想象,动物或者是人吃了中草药以后,它们进到我们的肚子,这些中草药可能成为一个刺激物,也可能作为营养刺激我们肠道里的菌。

这边图上面左面所显示出来的是正常人的肠道里面的微生物组的组合,右边是二型糖尿病人的组合。

里面很多圈圈,每一个圈圈代表一个菌的菌种,大大小小表示它的丰度。很多线条是表示它们正常跟疾病之间的正相关或者是负相关。

我们由这样子的一个宏基因组的结构,可以推出上面这个图。再经由RNA转录体、单细胞转录体分析的结果,推出可能的生化代谢图;而再利用代谢体来确认是不是走这个生化代谢。

下面这个图呢,我们可以看到分两部分。红色的部分是指在肥胖的人群里面,那这里面的微生物组的细菌代谢某些氨基酸,产生一些不好的代谢物,比方说硫化氢,促进发炎。

而益生菌可能代谢Prebiotics(益生元),然后产生了短碳链脂肪酸或是其他的代谢物,像TCA cycle的代谢物或是像次级胆盐等等,然后来进行代谢调控以及抗发炎的这个目的。

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同时,为了验证我们中草药的机制,我们现在也正在跟中医药的医院合作。

我们开始拿到在临床治疗病人已经取得相当好疗效的方剂,然后经由萃取——SOP(标准作业程序)的萃取,然后来喂食老鼠。

初步看到的,这边绿色的是老鼠喂予高油脂的食物,蓝色跟黄色的是老鼠喂予不同浓度的方剂的萃取汤汁。最起码,我们初步看到了这个中草药的方剂对老鼠是有效的。

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同时我们测它的血糖,中间绿色的部分是胖老鼠的血糖,右边黄色、蓝色的部分是处理中草药的方剂以后,它的血糖降下来这个状况。

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我们会继续以中草药开始,然后去尝试辨别里面的可能益生菌,可能是一株菌,也可能是一群菌;同时辨别中下游可能的代谢体,这些代谢体可能是一个组合,也可能是几种不一样类别的组合。

然后希望在我们取得整个研究结果以后,从中草药的方剂开始,我们利用现在已经建立的非常好的多体学的平台,利用所得到的大数据,然后除了帮我们验证中草药的功效之外,同时也验证它的机制。

同时,了解它的机制以后,我们希望能够由此开发出益生元,开发出次世代的益生菌,以及基于这些研究开发出新的后生元组合,来做慢性疾病的预防以及治疗。

那我今天很快的跟大家介绍到这边,谢谢大家!


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