小動物跑步機助力大麻二酚通過重塑腸道菌群促進小鼠耐力運動研究_abio生物試劑品牌網(wǎng)
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此篇文章首次揭示了大麻二酚（CBD）通過重塑腸道微生物群，顯著提升小鼠耐力運動表現(xiàn)的機制。CBD口服給藥不僅促進了肌肉向氧化型纖維轉化和線粒體生物合成，激活了AMPK、CREB和PGC-1α等關鍵代謝通路，還顯著改變了腸道菌群結構，特別增加了雙歧桿菌動物株（Bifidobacterium animalis，命名為KBP-1）的豐度。進一步實驗表明，抗生素干預破壞了CBD的運動耐力提升效果，而單獨給予KBP-1菌株同樣能改善運動表現(xiàn)和肌肉代謝特征。全基因組分析顯示KBP-1富含支鏈氨基酸合成及乳酸代謝相關基因，提示其通過調(diào)節(jié)能量代謝促進耐力提升。該研究不僅揭示了CBD與腸道微生物協(xié)同促進肌肉功能的全新生物學機制，也為開發(fā)基于CBD和益生菌的運動性能增強策略提供了理論依據(jù)。
1. CBD可通過調(diào)控肌肉纖維類型轉化和增強線粒體功能顯著提升小鼠運動耐力
作者通過系統(tǒng)性實驗（圖1a）證實，CBD處理（30 mg/kg/天，4周）可顯著提升小鼠運動耐力，表現(xiàn)為跑步距離增加和力竭時間延長（圖1b-d）。組織學觀察顯示CBD組后肢肌肉色澤更紅（圖1e），分子檢測證實其促進腓腸肌中氧化型肌纖維（MyHC-I/IIa）增加而糖酵解型纖維（MyHC-IIb）減少（圖1f-g），SDH染色顯示氧化代謝活性增強（圖1h）。機制研究發(fā)現(xiàn)CBD通過增加融合線粒體數(shù)量（圖1i）、提升mtDNA含量（圖1j）、上調(diào)呼吸鏈復合體蛋白表達（圖1k）以及激活AMPK/PKA-CREB-PGC-1α通路（圖1l），全面增強肌肉氧化代謝能力，從而改善運動表現(xiàn)。結果表明，CBD通過促進肌肉氧化型纖維轉化、增強線粒體生物合成及功能，并激活AMPK/PKA-CREB-PGC-1α通路，顯著提升小鼠運動耐力和抗疲勞能力。
圖1.CBD給藥可提高小鼠的耐力運動表現(xiàn)并促進線粒體生物合成
2. CBD給藥可誘導腸道微生物群落結構改變
接下來，作者發(fā)現(xiàn)CBD處理顯著改變了腸道菌群組成：在門水平上增加了芽孢桿菌門（Bacillota）和放線菌門（Actinomycetota）的豐度（圖2a）；在科水平上顯著提升了丹毒絲菌科（Erysipelotrichaceae）和雙歧桿菌科（Bifidobacteriaceae）的比例，同時降低了顫螺旋菌科（OscillosPIraceae）和普雷沃菌屬（Pervotella）的比例（圖2b）；在屬水平上，Allobaculum、Faecalibaculum（丹毒絲菌科）和雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）顯著增加（圖2c-e）。雖然α多樣性無顯著變化（圖2f,g），但主坐標分析顯示組間菌群結構存在顯著差異（P=0.03）（圖2h），且丹毒絲菌科和雙歧桿菌科的豐度與CBD提升的肌肉耐力呈正相關（圖2i）。因此，CBD顯著改變腸道菌群組成，特異性增加與肌肉耐力正相關的丹毒絲菌科和雙歧桿菌科豐度，并引起整體菌群結構重塑。
圖2.CBD給藥改變腸道菌群組成
3. ABX干預消除了CBD對運動性能的促進作用
進一步實驗表明，抗生素（ABX）聯(lián)合處理阻斷了CBD的運動增強效應。實驗設計示意圖（圖3a）展示CBD與多西環(huán)素（ABX）的給藥時間安排，二者同日分時段給藥。抗生素（ABX）處理完全阻斷了CBD對運動表現(xiàn)的改善作用：在行為學測試中，ABX處理組小鼠的跑步機耐力（圖3b）和疲勞閾值（圖3c-d）均未表現(xiàn)出CBD單獨給藥時的提升效果；在組織學分析中，ABX也抑制了CBD誘導的腓腸肌氧化型肌纖維（I/IIa型）比例的增加（圖3e-f）。這些結果證明CBD的運動增強效應完全依賴于完整的腸道菌群功能。
圖3.抗生素（ABX）的給藥抵消了CBD對運動表現(xiàn)提升的作用
4. 抗生素治療削弱了CBD對骨骼肌的影響效應
其次，抗生素（ABX）處理完全阻斷了CBD對肌肉代謝的多層次調(diào)控作用，具體表現(xiàn)為：（1）在基因表達層面，ABX抑制了CBD誘導的腓腸肌中線粒體功能相關基因的上調(diào)表達（圖4a）；（2）在能量代謝層面，ABX消除了CBD對呼吸交換率（RER）的降低效應（圖4b）；（3）在信號通路層面，ABX阻斷了CBD對AMPK/p-CREB/PGC-1α信號通路的激活（圖4c）；（4）在菌群組成層面，ABX抵消了CBD誘導的芽孢桿菌門和放線菌門豐度增加（圖4d），特別是顯著降低了丹毒絲菌科和雙歧桿菌科的相對豐度（圖4e）；（5）在菌群多樣性層面，雖然α多樣性無顯著變化（圖4f,g），但β多樣性分析顯示ABX引起菌群結構的顯著改變（P=0.002）（圖4h）。這些結果證明抗生素處理完全阻斷了CBD對肌肉代謝的調(diào)控作用，包括抑制線粒體功能基因表達、消除呼吸交換率降低效應、阻斷AMPK/p-CREB/PGC-1α通路激活，并逆轉CBD誘導的腸道菌群組成改變（降低芽孢桿菌門/放線菌門及特定菌科豐度）和β多樣性變化。
圖4.抗生素處理減弱了CBD對骨骼肌的作用
5. 小鼠經(jīng)動物雙歧桿菌干預后，運動能力明顯提升
為了證明雙歧桿菌有何作用，作者開展了進一步實驗。圖5a為實驗設計示意圖。在接下來的實驗中證實動物雙歧桿菌（B菌）處理組與CBD處理組均能顯著提升小鼠的運動耐力表現(xiàn)，具體表現(xiàn)為跑步時間延長、跑步距離增加以及力竭時間推遲（圖5b-d）。免疫染色結果顯示，動物雙歧桿菌（B菌）處理組小鼠腓腸肌（GAS）中MyHC I型（慢肌纖維標志物）陽性區(qū)域面積較對照組顯著增加，且分布模式與CBD處理組相似，提示B菌處理可促進骨骼肌向氧化型肌纖維轉化（圖5e）。與此同時，B菌處理還誘導了肌纖維向氧化型轉化，表現(xiàn)為SDH陽性纖維密度顯著增加（圖5f），并降低了呼吸交換率（RER），提示脂肪酸代謝效率提升（圖5g）。這些變化趨勢與CBD處理組的效應高度一致，表明動物雙歧桿菌可能是介導CBD運動增強作用的關鍵微生物。相比之下，嚙齒類糞桿菌（F菌）處理組未觀察到上述效應。各組在食物攝入量、體重及肌肉重量方面均無顯著差異。
圖5.動物雙歧桿菌處理可提高小鼠的運動表現(xiàn)
6. ABX的給藥消除了CBD對運動表現(xiàn)增強的影響
此外，作者證實B菌處理降低了血清乳酸水平并提高了酮體β-羥基丁酸濃度，且未引起血糖水平變化，表明運動耐力得到改善（圖6a-c）；腸道菌群組成分析顯示α多樣性未受影響，但存在顯著組成差異：基于非加權UniFrac的主坐標分析表明組間存在顯著分離（圖6d-h）；全基因組分析鑒定該菌為動物雙歧桿菌KBP-1，其高表達支鏈氨基酸代謝相關基因（圖6i-l），提示這些基因可能通過調(diào)節(jié)能量代謝增強肌肉耐力。因此，B菌處理通過降低血清乳酸、提升β-羥基丁酸（不影響血糖）改善運動耐力，并改變腸道菌群組成；全基因組分析顯示該菌株（鑒定為動物雙歧桿菌KBP-1）高表達支鏈氨基酸代謝基因，提示其通過代謝調(diào)控增強肌肉功能。
圖6.抗生素（ABX）的使用抵消了CBD對運動能力提升的作用
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