龟鹿二仙胶对膝骨关节炎大鼠肠道菌群的影响：机器学习与16S rDNA分析

背景：龟鹿二仙胶由龟甲胶、鹿角胶、枸杞子和人参组成。在早期的临床观察中，发现使用龟鹿二仙胶治疗肝肾不足型膝骨关节炎患者能有效缓解膝关节疼痛、增加运动范围、提高行走能力。然而，口服龟鹿二仙胶能够对膝关节产生局部治疗作用的确切机制尚不清楚。目的：研究龟鹿二仙胶对膝骨关节炎大鼠肠道菌群的影响，并利用16SrDNA测序和机器学习分析评估其作用机制。方法：将18只雄性SD大鼠随机分为3组：空白组、模型组、龟鹿二仙胶组，每组6只。模型组和龟鹿二仙胶组采用内侧半月板失稳手术制备膝骨关节炎模型。造模成功后，龟鹿二仙胶组灌胃龟鹿二仙胶水煎剂，空白组和模型组则给予等量的蒸馏水。持续干预28 d后，使用高效液相色谱技术检测龟鹿二仙胶有效成分；MRI成像观察大鼠膝关节软骨情况采集各组大鼠粪便样本，使用试剂盒提取DNA，通过PCR扩增及纯化，构建Illumina测序文库，利用Illumina MiSeq平台进行高通量测序，生成原始序列数据。得到原始数据后，使用QIIME2软件对数据进行处理，使用线性判别分析效应值和随机森林算法对微生物数据进行差异性物种筛选，使用KEGG和MetaCyc功能通路分析探索关键菌群与实验组间的关联，使用线性判别分析效应值和随机森林算法筛选差异性物种，使用关联网络分析微生物群落间的相互作用，结合机器学习方法分析肠道菌群组成和变化。结果与结论：(1)龟鹿二仙胶中药复方进行LC-MS成分鉴定，共指出7种有效成分。(2)MRI成像显示，龟鹿二仙胶组大鼠高密度影的滑膜炎症范围减少，且股骨头内侧髁软骨较模型组退化较少。(3)16SrDNA测序显示模型组大鼠表现出明显的菌群失衡，在门水平上厚壁菌门和拟杆菌门的丰度显著降低，而变形菌门的比例显著增加(P<0.05)。龟鹿二仙胶组大鼠的肠道菌群结构有了显著改善，其厚壁菌门和拟杆菌门的比例回升，恢复了更为多样的菌群组成，接近空白组(P<0.05)。(4)KEGG和MetaCyc功能通路分析显示，龟鹿二仙胶组显著激活了多条代谢通路，包括氨基酸代谢、脂质代谢和生物素合成通路(P<0.05)。(5)上述结果提示，龟鹿二仙胶含有7种有效成分，并利用16SrDNA测序分析膝骨关节炎大鼠肠道菌群变化；龟鹿二仙胶能显著改善肠道菌群失衡，恢复有益菌丰度，对肠道菌群组成有显著影响，为龟鹿二仙胶的药效及机制提供了科学依据。