腸道菌群-免疫系統(tǒng)：腸道菌群的改變促進認知障礙
美國加利福尼亞大學Christine A. Olson等人在Cell Host & Microbe（IF 21.023）發(fā)表題為“Alterations in the gut microbiota contribute to cognitive impairment induced by the ketogenic diet and hypoxia”的文章，該研究通過無菌小鼠、糞菌移植（Fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT）等實驗證明了腸道菌群介導了生酮飲食和間歇性缺氧協(xié)同誘導認知障礙。此外，16s測序鑒定了沃氏嗜膽菌（Bilophila wadsworthia）會破壞海馬突觸可塑性、神經(jīng)發(fā)生和基因表達。該研究提示復雜的遺傳、環(huán)境和社會心理因素共同導致認知障礙的發(fā)生發(fā)展過程中需要考慮腸道菌群的參與，為后續(xù)預防和治療認知障礙提供了重要理論基礎(chǔ)。
研究材料
無特定病原微生物的小鼠（SPF）、無菌小鼠（GF）、Th1 細胞敲除小鼠（T-bet 敲除，T-bet-/-）
技術(shù)路線
· 步驟1：生酮飲食和間歇性缺氧協(xié)同損害小鼠的認知行為；
· 步驟2：16s測序發(fā)現(xiàn)Bilophila wadsworthia對海馬體功能造成損傷，影響認知行為障礙；
· 步驟3：Bilophila wadsworthia促進IFNg的Th1細胞的擴增引起認知行為障礙。
研究結(jié)果
1. 生酮飲食加劇了間歇性缺氧引起的認知行為障礙
作者首先用常規(guī)飲食（CD）喂養(yǎng)SPF小鼠，分別放在正常供氧（Mock）和間歇性缺氧（Hyp）的常壓環(huán)境中，4天后用巴恩斯迷宮（Barnes maze）測試，對小鼠的認知行為障礙進行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Hyp能夠引起小鼠的認知行為障礙。
接下來，作者又喂養(yǎng)了一批生酮飲食（KD）的SPF小鼠，同樣放在Mock和Hyp環(huán)境中進行觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在Hyp條件下，和CD小鼠相比，KD小鼠的認知行為障礙明顯更加嚴重，KD加劇了Hyp引起的認知行為障礙。
圖1 生酮飲食會增強缺氧引起的認知行為障礙
2. 腸道菌群的變化與KD-Hyp協(xié)同引起的小鼠認知行為障礙有關(guān)
環(huán)境因素，包括飲食和壓力，在塑造腸道微生物群的組成和功能方面發(fā)揮著重要作用。為了深入了解腸道微生物群是否會影響 KD-Hyp 誘導的認知行為障礙，作者給SPF小鼠喂食了抗生素（Abx），耗盡腸道菌群，然后再用KD喂養(yǎng)這些小鼠，放在Mock和Hyp環(huán)境中進行觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腸道菌群的缺失緩解了由KD-Hyp協(xié)同引起的小鼠認知行為障礙。
為了進一步驗證該結(jié)果，作者把不同飲食下的小鼠腸道菌群定植于無菌小鼠（GF），并放在Mock和Hyp環(huán)境中觀察。結(jié)果顯示，生酮飲食下腸道菌群定植的小鼠且放在了Hyp環(huán)境中，它們的認知行為障礙更加嚴重。
圖2 腸道菌群的改變導致KD-Hyp引起的認知行為障礙
3. 生酮飲食和間歇性缺氧引起B(yǎng)ilophila wadsworthia的富集
為了確定可能導致 KD-Hyp 引起的認知行為異常的潛在微生物群，對喂食 KD 并暴露于 Hyp 或 Mock 的小鼠的糞便微生物進行16s擴增子測序。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Hyp的小鼠糞便中，Bilophila wadsworthia豐度更高，耳蝸形梭菌豐度更低。糞菌移植結(jié)果顯示，Bilophila wadsworthia的富集對于KD-Hyp引起認知行為障礙的作用是至關(guān)重要的。
圖3 KD-Hyp引起B(yǎng)ilophila wadsworthia的富集
4. Bilophila wadsworthia調(diào)節(jié)海馬體功能
海馬體是學習和記憶的關(guān)鍵部位，對飲食和缺氧壓力的改變很敏感，因此，作者研究了KD-Hyp協(xié)同條件下以及微生物群菌群對海馬體功能的影響。從KD-Mock SPF小鼠和KD-Hyp SPF小鼠，以及Bilophila wadsworthia定植的 GF 小鼠的海馬體切片獲得場電位記錄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Bilophila wadsworthia參與了KD-Hyp對海馬體生理的不良影響。
圖4 Bilophila wadsworthia參與KD-Hyp誘導的海馬體功能損傷
5. Th1細胞的擴增促進Bilophila wadsworthia誘導的認知行為障礙
前人的研究表明，Bilophila wadsworthia定植將促進產(chǎn)生 IFNg 的T輔助 I 型 (Th1) 細胞的擴增，并且 IFNg與體內(nèi)平衡和慢性應激反應期間認知行為和海馬生理學的損傷有關(guān)。因此，作者通過流式細胞分選技術(shù)檢測了樣本中Th1細胞的水平以及在沒有Th1細胞（T-bet 敲除，T-bet-/-）情況下，Bilophila wadsworthia對認知行為障礙的影響。這些結(jié)果表明，Bilophila wadsworthia是通過引起小鼠體內(nèi)表達IFNg的Th1細胞增多，從而對海馬體功能造成損傷的，進而對認知行為產(chǎn)生不良影響。
圖5 Th1 細胞擴增導致Bilophila wadsworthia誘導的認知行為障礙
小編小結(jié)
文章發(fā)現(xiàn)生酮飲食會加劇間歇性缺氧引起的認知行為障礙，并且該過程是由腸道菌群所介導。在生酮飲食和間歇性缺氧的雙重條件下，Bilophila wadsworthia顯著富集，并引起表達IFNg的Th1細胞數(shù)量增加，造成海馬體功能損傷，最終引起認知行為障礙。
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腸-免疫-靶軸系統(tǒng)研究方案
· 16s/宏基因組----腸道微生物的組成及改變
· 免疫代謝組----腸道微生物產(chǎn)生的用于調(diào)控機體免疫的代謝物
· 免疫因子組----腸道微生物如何影響機體免疫
· 轉(zhuǎn)錄/蛋白質(zhì)組----對終端靶器官應對炎癥響應機制的系統(tǒng)描述
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