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Cell Host Microbe(IF 21.023)| 肠道菌群-免疫系统:肠道菌群的改变促进认知障碍

2022-01-26
中科新生命
1793

美国加利福尼亚大学Christine A. Olson等人在Cell Host & Microbe(IF 21.023)发表题为“Alterations in the gut microbiota contribute to cognitive impairment induced by the ketogenic diet and hypoxia”的文章,该研究通过无菌小鼠、粪菌移植(Fecal microbiota transplantation,FMT)等实验证明了肠道菌群介导了生酮饮食和间歇性缺氧协同诱导认知障碍。此外,16s测序鉴定了沃氏嗜胆菌(Bilophila wadsworthia)会破坏海马突触可塑性、神经发生和基因表达。该研究提示复杂的遗传、环境和社会心理因素共同导致认知障碍的发生发展过程中需要考虑肠道菌群的参与,为后续预防和治疗认知障碍提供了重要理论基础。

研究材料

无特定病原微生物的小鼠(SPF)、无菌小鼠(GF)、Th1 细胞敲除小鼠(T-bet 敲除,T-bet-/-)

技术路线

· 步骤1:生酮饮食和间歇性缺氧协同损害小鼠的认知行为;

· 步骤2:16s测序发现Bilophila wadsworthia对海马体功能造成损伤,影响认知行为障碍;

· 步骤3:Bilophila wadsworthia促进IFNg的Th1细胞的扩增引起认知行为障碍。

研究结果

1. 生酮饮食加剧了间歇性缺氧引起的认知行为障碍

作者首先用常规饮食(CD)喂养SPF小鼠,分别放在正常供氧(Mock)和间歇性缺氧(Hyp)的常压环境中,4天后用巴恩斯迷宫(Barnes maze)测试,对小鼠的认知行为障碍进行评估,结果发现Hyp能够引起小鼠的认知行为障碍。

接下来,作者又喂养了一批生酮饮食(KD)的SPF小鼠,同样放在Mock和Hyp环境中进行观察。结果发现,在Hyp条件下,和CD小鼠相比,KD小鼠的认知行为障碍明显更加严重,KD加剧了Hyp引起的认知行为障碍


图1 生酮饮食会增强缺氧引起的认知行为障碍

2. 肠道菌群的变化与KD-Hyp协同引起的小鼠认知行为障碍有关

环境因素,包括饮食和压力,在塑造肠道微生物群的组成和功能方面发挥着重要作用。为了深入了解肠道微生物群是否会影响 KD-Hyp 诱导的认知行为障碍,作者给SPF小鼠喂食了抗生素(Abx),耗尽肠道菌群,然后再用KD喂养这些小鼠,放在Mock和Hyp环境中进行观察。结果发现,肠道菌群的缺失缓解了由KD-Hyp协同引起的小鼠认知行为障碍

为了进一步验证该结果,作者把不同饮食下的小鼠肠道菌群定植于无菌小鼠(GF),并放在Mock和Hyp环境中观察。结果显示,生酮饮食下肠道菌群定植的小鼠且放在了Hyp环境中,它们的认知行为障碍更加严重。

图2 肠道菌群的改变导致KD-Hyp引起的认知行为障碍

3. 生酮饮食和间歇性缺氧引起Bilophila wadsworthia的富集

为了确定可能导致 KD-Hyp 引起的认知行为异常的潜在微生物群,对喂食 KD 并暴露于 Hyp 或 Mock 的小鼠的粪便微生物进行16s扩增子测序。结果发现,Hyp的小鼠粪便中,Bilophila wadsworthia丰度更高,耳蜗形梭菌丰度更低。粪菌移植结果显示,Bilophila wadsworthia的富集对于KD-Hyp引起认知行为障碍的作用是至关重要的


图3 KD-Hyp引起Bilophila wadsworthia的富集

4. Bilophila wadsworthia调节海马体功能

海马体是学习和记忆的关键部位,对饮食和缺氧压力的改变很敏感,因此,作者研究了KD-Hyp协同条件下以及微生物群菌群对海马体功能的影响。从KD-Mock SPF小鼠和KD-Hyp SPF小鼠,以及Bilophila wadsworthia定植的 GF 小鼠的海马体切片获得场电位记录,结果发现Bilophila wadsworthia参与了KD-Hyp对海马体生理的不良影响


图4 Bilophila wadsworthia参与KD-Hyp诱导的海马体功能损伤

5. Th1细胞的扩增促进Bilophila wadsworthia诱导的认知行为障碍

前人的研究表明,Bilophila wadsworthia定植将促进产生 IFNg 的T辅助 I 型 (Th1) 细胞的扩增,并且 IFNg与体内平衡和慢性应激反应期间认知行为和海马生理学的损伤有关。因此,作者通过流式细胞分选技术检测了样本中Th1细胞的水平以及在没有Th1细胞(T-bet 敲除,T-bet-/-)情况下,Bilophila wadsworthia对认知行为障碍的影响。这些结果表明,Bilophila wadsworthia是通过引起小鼠体内表达IFNg的Th1细胞增多,从而对海马体功能造成损伤的,进而对认知行为产生不良影响。


图5 Th1 细胞扩增导致Bilophila wadsworthia诱导的认知行为障碍

小编小结

文章发现生酮饮食会加剧间歇性缺氧引起的认知行为障碍,并且该过程是由肠道菌群所介导。在生酮饮食和间歇性缺氧的双重条件下,Bilophila wadsworthia显著富集,并引起表达IFNg的Th1细胞数量增加,造成海马体功能损伤,最终引起认知行为障碍。

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肠-免疫-靶轴系统研究方案

· 16s/宏基因组----肠道微生物的组成及改变

· 免疫代谢组----肠道微生物产生的用于调控机体免疫的代谢物

· 免疫因子组----肠道微生物如何影响机体免疫

· 转录/蛋白质组----对终端靶器官应对炎症响应机制的系统描述