从肠道微生物群和代谢角度对人参酸性多糖对抗多柔比星诱导的心脏毒性的保护机制进行全面研究

《Food Bioscience》：Comprehensive investigation into the protective mechanism of ginseng acidic polysaccharides against doxorubicin-induced cardiotoxicity from gut microbiota and metabolic perspectives

　　杨高|姜月瑶|李丽红|杨进|王雅茹|金永瑞|李旭文|隋大云|钱宇
吉林大学中日联合医院药学系，长春，130033，中国

**摘要**
人参（Panax ginseng C. A. Meyer）是一种药用和可食用植物，传统上用于心脏保护，并已被证明对多柔比星（doxorubicin, DOX）引起的心脏毒性（doxorubicin-induced cardiotoxicity, DIC）具有保护作用。然而，人参酸性多糖（ginseng acidic polysaccharides, GAP）的作用及其潜在机制仍不清楚。本研究在H9C2细胞和慢性DIC小鼠模型中评估了GAP的心脏保护作用，并结合了16S rRNA测序和代谢组学分析。结果表明，GAP的分子量分别为5916 Da和2488 Da，其主要单糖成分是半乳糖醛酸。体外实验表明，GAP通过减轻氧化应激、稳定线粒体膜电位和抑制细胞凋亡来保护H9C2细胞免受DOX的损伤。体内实验显示，GAP显著改善了DIC小鼠的左心室射血分数和分数缩短率，减少了心肌损伤标志物，并缓解了心肌纤维化、肥大和细胞凋亡。此外，GAP通过丰富norank_Muribaculaceae菌群、上调肠道屏障蛋白和增加粪便中的短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）水平，改善了DOX引起的肠道微生物失调。血清代谢组学分析显示，GAP通过下调心肌组织中的ASS1、ARG2和iNOS基因，恢复了精氨酸代谢的稳态。多组学整合分析发现norank_Muribaculaceae菌群与精氨酸、鸟氨酸和瓜氨酸的水平之间存在显著负相关。进一步研究表明，GAP激活了Nrf2/HO-1通路，并通过调节BAX/BCL-2表达抑制心肌细胞凋亡。本研究表明，GAP通过调节肠道微生物群、精氨酸代谢和Nrf2/HO-1通路发挥对DIC的保护作用，为未来的临床转化研究提供了实验依据。

**引言**
多柔比星（DOX）是一种核心的蒽环类化疗药物，对多种恶性肿瘤（包括实体瘤、白血病和淋巴瘤）具有很强的疗效（Wan等人，2025年）。然而，其临床应用受到剂量依赖性心脏毒性的严重限制，这种不可逆的不良反应表现为进行性心肌功能障碍和心力衰竭（Dhingra等人，2022年），从而影响了癌症患者的治疗效果和长期生存。尽管进行了大量研究，但目前仍缺乏安全有效的干预措施来减轻DOX引起的心脏毒性（DIC），同时不减弱DOX的抗癌活性。唯一获得FDA批准的心脏保护剂右雷佐生（Dexrazoxane）存在潜在风险，如继发性恶性肿瘤和化疗效果降低（Wang等人，2025b年），这凸显了开发新的天然来源心脏保护剂的迫切需求。

尽管DIC的确切分子机制尚未完全阐明，但涉及多个途径的相互作用，包括DNA损伤、自噬功能障碍、氧化应激和多种细胞死亡方式（Wang等人，2025a年）。越来越多的证据表明，DIC与肠道微生物组成的紊乱有关，而肠道微生物是“肠道-心脏轴”（gut–heart axis）的关键组成部分（An等人，2021年；Tonon等人，2025年）。该轴认为，肠道微生物失调通过微生物代谢物和受损的肠道屏障功能导致心力衰竭，从而引发全身炎症（Snelson等人，2025年）。具体而言，DOX破坏肠道屏障，使内毒素和微生物成分进入全身循环，引发并加剧炎症和心血管损伤（Wei等人，2021年）。肠道微生物群主要通过将不可消化的碳水化合物代谢为生物活性代谢物（尤其是短链脂肪酸SCFAs）来调节宿主免疫、炎症和心脏功能（Muttiah和Hanafiah，2025年）。研究表明，SCFAs可以减少炎症、保护肠道屏障并调节免疫稳态（Duan等人，2023年）。代谢组学分析显示，DOX干扰精氨酸-脯氨酸代谢以及其他氨基酸代谢途径，进而引发炎症和氧化应激（Xue等人，2023年）。此外，DOX诱导的过量活性氧（ROS）破坏谷胱甘肽和碳水化合物代谢，并扰乱Nrf2/HO-1通路等信号级联反应，进一步加剧氧化应激和心肌损伤（Cheng等人，2022年）。因此，关注这些相互关联的机制是缓解DIC的有希望的方法。

来自传统药用植物的天然产物因其固有的生物相容性和多途径调节特性而成为有吸引力的DIC辅助保护剂（Zhou等人，2024年）。人参（Panax ginseng C. A. Meyer，PG）是一种在东亚民族医学（中国、韩国和日本医学）中应用超过2000年的珍贵药用和可食用植物，其心脏保护作用在经典医学文献中已有记载（Wang等人，2015年；Wang等人，2024年）。作为中国认可的“新资源食品”，PG促进了基于人参的食品开发，同时产生了数万吨的加工副产品（如提取残渣、地上部分）（Tao等人，2023年；Zhang等人，2020年）。从PG中提取人参皂苷后留下的残渣富含多糖和寡糖。新兴证据表明，人参多糖这种独特的生物活性成分具有强大的抗氧化（Chen和Huang，2019年）、抗炎（Qi等人，2023年）和免疫调节（Huang等人，2022年）作用。鉴于人参多糖的显著抗氧化能力，它们被广泛开发成功能性健康产品。比较人参根提取的酸性多糖WGPA及其亚组分WGPA-A和WGPA-N发现，富含尿酸的WGPA-A在疲劳小鼠中对氧化应激具有更强的保护作用（Wang等人，2014年）。另一项研究也证实，人参酸性多糖（GAP）比中性多糖具有更强的抗氧化活性，这主要归因于其酸性官能团的存在（Kim等人，2020年）。特别是，GAP可以消除O2-和•HO自由基（Xiong等人，2025年），这一特性与DIC的核心发病机制（涉及ROS介导的氧化应激）高度相关（Songbo等人，2019年）。然而，大多数现有研究集中在直接从新鲜人参根和茎中提取的多糖上，而从人参皂苷提取副产物中获得的GAP对DIC的心脏保护作用及其潜在机制尚未报道。此外，GAP对DIC中的肠道微生物群-心脏轴和宿主代谢途径的潜在调节作用也尚未阐明。

在本研究中，我们使用DOX诱导的慢性心脏毒性模型系统评估了从人参皂苷提取废液中分离纯化的GAP对DIC的保护作用。首先，在H9C2心肌细胞中验证了GAP对DOX诱导损伤的直接细胞保护作用。然后，在DIC小鼠中全面评估了GAP对心脏功能障碍、氧化应激损伤、肠道微生物群失调和代谢紊乱的影响。最后，通过多组学分析和分子生物学验证阐明了GAP缓解DIC的核心机制。我们的研究不仅阐明了肠道-心脏轴在GAP对DIC保护作用中的作用，为化疗引起的心脏毒性提供了新的治疗策略，还为实现人参皂苷提取废物的高价值利用提供了可持续的方法，这与农业科学中日益关注的农业工业废弃物转化趋势一致，进一步利用了传统民族药用植物的药用价值。

**材料**
肌酸激酶MB（CK-MB，编号DFS4034）、乳酸脱氢酶（LDH，编号DFS4022）、肌酸激酶（CK，编号DFS4021）和α-羟基丁酸脱氢酶（α-HBDH，编号DFS4023）购自江苏新诺华医药科技有限公司。多柔比星（DOX，S17092，纯度≥98%）购自上海源叶生物科技有限公司。超氧化物歧化酶（SOD）检测试剂盒（A001）、丙二醛（MDA）（A003）和谷胱甘肽（GSH）（A006）购自……

**GAP的初步结构表征**
从人参皂苷提取物中得到的洗脱液经过浓缩、酒精沉淀后冻干。粗多糖的产率为约21.29%（w/w，干根）。GAP是从粗多糖中纯化的酸性多糖组分，纯度为95%，葡萄糖醛酸含量为26%，蛋白质残留量为0%。使用HPGPC测得GAP的分子量为5916 Da（图1A），在36.89和38.56分钟处观察到两个峰。

**讨论**
包括人参皂苷Rb1、人参糖蛋白和参麦注射液在内的这些与人参相关的物质已被报道对DIC具有保护作用（Chen等人，2021年；Wu等人，2021年；Zhai等人，2024年）。初步研究表明，人参多糖对心肌细胞具有一定的保护作用（Liu等人，2023年）。本研究从皂苷提取的副产物中制备了纯化的GAP。结构分析确定GAP为……

**结论**
我们全面验证了GAP对DIC的心脏保护作用并阐明了其潜在机制。从机制上看，GAP通过多靶点、协同的调节网络发挥保护作用，该网络调节肠道微生物群稳态。这种调节可能涉及norank_Muribaculaceae菌群的富集，并通过上调ZO-1和occludin表达进一步改善肠道屏障功能。在代谢调节方面，GAP可能通过……

**作者贡献声明**
杨进：可视化处理
姜月瑶：监督、资源提供、项目管理
李丽红：实验研究
钱宇：写作-审稿与编辑、监督、资金获取
杨高：写作-初稿撰写、可视化处理、验证、方法学设计、实验研究、资金获取、正式数据分析
王雅茹：验证
金永瑞：资源提供、正式数据分析
李旭文：资源提供、正式数据分析
隋大云：概念构思

**伦理声明**
本研究在吉林大学生物学国家实验教学示范中心（SYXK (Jilin) 2018-0015）进行，并获得了吉林大学动物护理和使用委员会（IACUC，动物伦理和福利委员会）的批准。所有动物实验程序严格遵循中国政府发布的《实验动物护理和使用指南》以及吉林大学的伦理规定。

**利益冲突**
作者声明没有竞争性财务利益。

**资金来源**
本研究得到了吉林省科技发展计划项目（YDZJ202501ZYTS815）和吉林大学中日联合医院青苗项目（2024QM09，授予杨高）的资助。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢吉林大学中日联合医院研究中心提供的实验平台。