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腸道微生物群影響嘌呤代謝,緩解結腸炎

欄目:最新研究動態 發布時間:2020-12-16
腸道微生物群在炎癥性腸病(IBD)中扮演重要角色,可能有益于潰瘍性結腸炎或克羅恩病的治療......


   導讀:腸道微生物群在炎癥性腸病(IBD)中扮演重要角色,可能有益于潰瘍性結腸炎或克羅恩病的治療。靶向腸道菌群可能是治療IBD的一種新策略。大黃酸是大黃的主要成分之一,對某些疾病具有抗炎作用。江蘇省中藥藥效與安全性評價重點實驗室吳家偉等人在Theranostics(IF=8.579)上發表文章,探討了大黃酸對結腸炎的影響并探討其可能的機制。

   技術路線圖:
  

研究結果:

1.大黃酸能緩解DSS誘導的小鼠慢性結腸炎

我們評估大黃酸是否能在小鼠慢性結腸炎模型中發揮抗炎作用(圖1A)。大黃酸100 mg/kg可減輕結腸縮短,而50 mg/kg和100 mg/kg大黃酸處理組的免疫細胞浸潤和組織損傷均小于DSS組(圖1C-F)。慢性DSS導致體重下降,但在大黃酸治療后體重略有增加(圖1B)。50 mg/kg和100 mg/kg 大黃酸處理均可逆轉DSS引起LCN2 (小鼠腸道炎癥敏感標志物)明顯升高(Figure 1G)。

結腸炎也會導致促炎細胞因子或趨化因子的增加。慢性DSS導致小鼠血清中IL-17A和CXCL1顯著增加(圖2A-D);文章檢測了小鼠腸系膜淋巴結(MLN)中的Th17細胞(與結腸炎癥密切相關)。與血清中結果相似,100 mg/kg大黃酸處理的小鼠MLN中Th17細胞減少,而50 mg/kg 大黃酸處理沒有影響(圖2E)。Th1/Th2細胞失衡也是結腸炎的一個重要特征。如圖2F-G所示,在結腸炎期間,Th1細胞顯著增多,而DSS組Th2細胞減少。大黃酸處理只降低Th1細胞。大黃酸處理對正常組沒有任何明顯的副作用或促炎反應(結果未顯示)。這些數據表明大黃酸治療可以改善DSS誘導的結腸炎,并且100 mg/kg大黃酸處理比50 mg/kg更有效。

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2. 大黃酸改變嘌呤代謝,降低尿酸水平

代謝變化被認為是腸病最重要的特征之一,炎癥改變腸道代謝狀況。文章使用非靶向代謝組學來識別在小鼠腸道中可能發生改變的關鍵代謝物和代謝途徑。糞便中共鑒定出159種代謝物,PCA分析發現DSS組與100 mg/kg 大黃酸組之間存在差異(圖3A)。并鑒定出兩組間有23種差異表達的代謝物,通路富集分析發現嘌呤代謝改變比較明顯(圖3B)。嘌呤在細胞中執行許多重要的功能,如核酸、DNA和核酸單體前體的形成,RNA是最相關的一個(圖3C)。參與嘌呤代謝的酶的平衡被破壞,就會導致過量尿酸的產生,尿酸是嘌呤代謝的最終代謝物。文章分析發現DSS導致尿酸濃度顯著升高,而大黃酸降低了尿酸濃度(圖3D)。綜上所述,結果說明結腸炎期間嘌呤代謝途徑的改變,大黃酸導致嘌呤代謝正常化和腸道尿酸水平的降低。


3.尿酸升高直接引起腸道屏障損傷

血清或尿液中尿酸濃度的升高與痛風、腎臟和血管疾病密切相關。文章檢測尿酸對腸道屏障完整性的影響。尿酸處理7天沒有觀察到明顯的炎癥,少數免疫細胞浸潤(圖4A)。然而,腸道通透性增加(圖4B)。緊密連接蛋白claudin-1和細胞粘附蛋白E-cadherin表達降低,如圖4C所示。結腸黏液層是形成腸道屏障的關鍵成分,維持腸道穩態。文章觀察到杯狀細胞黏液層變薄,黏液素-2分泌減少(圖4D)。大黃酸恢復了claudin-1、E-cadherin的表達和粘液分泌。人正常結腸細胞NC -460進一步驗證。與體內的研究結果一致,尿酸治療降低了claudin-1和E-cadherin的表達(圖4E)。尿酸+100mg /kg大黃酸對DSS誘導的慢性結腸炎也有較強的保護作用(結果未顯示),說明尿酸不影響大黃酸的保護作用。這些數據表明,大黃酸治療可以消除尿酸引起的腸道通透性增強

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4. 大黃酸處理改變腸道菌群組成,增加乳酸桿菌水平導致尿酸水平下降

雖然大黃酸治療沒有直接降低尿酸濃度,但它導致體內尿酸水平降低,文章推測細菌可能是導致小鼠腸道尿酸降低的主要原因。為了驗證這一假設,我們利用16s核糖體RNA基因測序來確定大黃酸治療是否會改變腸道菌群組成。PCA分析顯示,每組微生物群組成的聚類不同(圖5A-B)。與DSS組相比,100 mg/kg 大黃酸處理組中不同細菌屬的乳酸菌表達增加(圖5C)。STAMP分析和定量PCR進一步證實了這一發現(圖5D-F)。結果表明,大黃酸處理后的乳酸菌數量顯著增加。因此,糞便中的乳酸濃度增加(圖5E)。

乳酸菌是益生菌,在嘌呤代謝中發揮關鍵作用(圖6A)。在體外培養乳酸菌,并將上清與NCM-460細胞共培養,發現乳酸菌上清液降低了尿酸濃度,說明乳酸菌發酵產物降低尿酸的作用(圖6B)。大黃酸處理沒有改變乳酸菌尿酸的產生,提示尿酸水平的變化可能源于腸上皮細胞(圖6C)。文章中進行糞便微生物群移植(FMT)發現DSS或100 mg/kg大黃素處理小鼠的糞便微生物被移植到DSS受體中(圖7A)。正如預期的那樣,FMT可降低DSS誘導的小鼠結腸炎模型中的尿酸(圖6D)。這些結果表明,大黃酸可以改變腸道菌群組成,增加乳酸菌豐度,降低腸上皮細胞尿酸的產生。

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6. FMT改善了DSS誘導的結腸炎,恢復腸屏障功能

文章使用FMT(糞微生態移植)來確定大黃酸改變的腸道菌群是否對結腸炎有療效。如圖7A-E所示,FMT可以顯著減輕結腸組織切片的血管收縮期結腸炎,降低免疫細胞浸潤。此外,FMT組E-cadherin和claudin-1表達增加,提示黏液層厚度恢復(圖7F-G)。FMT保護了腸道泄漏(圖7H-I)。與DSS組相比,FMT組乳酸菌水平也出現了上調(結果未顯示)。這些數據表明FMT改善了DSS誘導的結腸炎并阻止了腸道屏障的通透性;研究顯示DSS治療期間大黃酸改變的微生物群對結腸炎有益。


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