科研丨CLIN NUTR: 腸道菌群吲哚
編譯:微科盟煎蛋,編輯:微科盟居居、江舜堯。
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導讀
益生菌攝入對與年齡相關的腦功能衰退的有益作用先前已有文獻報道;然而,腸道和大腦之間相互作用的機制聯(lián)系尚未完全闡明。因此,本研究旨在通過臨床試驗和體外機理研究中的血液代謝組學分析來確定腸道微生物群衍生代謝物在腸-腦相互作用中的作用機制。在63名健康老年人(≥65歲)中進行了一項隨機、雙盲、安慰劑對照、多中心臨床試驗。受試者服用安慰劑(安慰劑組,N = 31)或益生菌膠囊(Bifidobacterium bifidumBGN4和Bifidobacterium longumBORI;益生菌組,N = 32),持續(xù)12周。然后在基線和試驗結束時,使用1H核磁共振和液相色譜-質譜法對其血液樣本進行全局和靶向代謝組學分析。使用16S rRNA基因測序方法進行腸道微生物分析。隨后,在脂多糖刺激后,用吲哚-3-丙酸(IPA)體外處理小膠質細胞BV2細胞,用BV2細胞的條件培養(yǎng)基處理神經元SH-SY5Y細胞。最后,對BV2細胞中的促炎細胞因子和SH-SY5Y細胞中的神經營養(yǎng)因子的水平進行定量。結果表明,代謝組學分析顯示,益生菌攝入顯著改變了參與色氨酸代謝的代謝產物水平(P < 0.01)。在這些代謝物中,益生菌組腸道微生物群產生的IPA增加了1.91倍(P<0.05),并與腸道細菌譜顯著相關(P <0.01)。益生菌組IPA水平升高與血清腦源性神經營養(yǎng)因子(BDNF)水平呈正相關(r=0.28,P <0.05),與安慰劑組相比呈相反趨勢。此外,IPA(5 μM)的體外處理顯著降低了活化小膠質細胞中促炎TNF-α的濃度(P <0.05),用IPA處理的小膠質細胞的條件培養(yǎng)基培養(yǎng)的神經元細胞BDNF和神經生長因子的產生顯著增加(P <0.05)。綜上所述,本研究表明,腸道微生物群產生的IPA在保護小膠質細胞免受炎癥,從而促進神經元功能方面發(fā)揮作用。因此,這表明IPA是將老年人腸道和大腦之間的相互作用與益生菌補充劑聯(lián)系起來的重要介質。
論文ID
原名:Gut microbiota indole-3-propionic acid mediates neuroprotective effect of probiotic consumption in healthy elderly: A randomized, double-blind, placebo-controlled, multicenter trial and in vitro study
譯名:腸道菌群吲哚-3-丙酸介導益生菌攝入對健康老年人的神經保護作用
期刊:Clinical Nutrition
IF:7.643
發(fā)表時間:2023.5
通訊作者:Dong-Mi Shin
通訊作者單位:韓國首爾大學
DOI號:10.1016/j.clnu.2023.04.001
實驗設計
結果
1 益生菌干預對健康老年人宿主代謝組的影響
本研究納入了53名參與者(安慰劑組和益生菌組的平均年齡分別為72歲和71.11歲)(安慰劑組,N=26;益生菌組,N=27),安慰劑組和益生菌組的24份和26份血清樣本分別用于代謝組學分析(補充圖1)。首先,我們進行了非靶向代謝組學分析,以提供益生菌干預引起的代謝變化的整體情況。血清代謝產物的全局圖譜幫助確定了12種差異代謝物,包括參與芳香族氨基酸(酪氨酸、苯丙氨酸)、甘氨酸和絲氨酸代謝(絲氨酸、甘氨酸、甜菜堿和甲硫氨酸)的代謝產物(圖1A)。為了了解這些差異代謝物調控的代謝通路,我們對其中一組代謝物進行了通路富集分析。使用KEGG通路數據庫,我們發(fā)現前5條通路,包括酪氨酸和色氨酸生物合成,以及D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代謝,在服用益生菌的組中富集(圖1B)。腸道菌群介導的色氨酸代謝相關通路在益生菌干預后顯示出最顯著的變化。因此,我們試圖通過靶向代謝譜分析來確定色氨酸代謝中潛在的關鍵代謝產物。
值得注意的是,本研究發(fā)現,在服用益生菌的組中,腸道微生物群產生的代謝產物IPA(參與色氨酸代謝)顯著增加(倍數變化=1.91,P <0.05,圖1C)。我們還發(fā)現,受腸道微生物群影響的膽汁酸代謝中的代謝產物在益生菌組中發(fā)生了顯著變化。例如,在接受益生菌的組中,鵝去氧膽酸(CDCA,一種初級膽汁酸)顯著增加(倍數變化=2.18,P <0.05,補充圖2)。此外,微生物群代謝的次級膽汁酸在益生菌組中顯著增加:脫氧膽酸(DCA;倍數變化=1.51)、熊去氧膽酸(UDCA;倍數變化=1.51)和?;敲撗跄懰?TUCDA;倍數變化1.91)(均P <0.05,補充圖2)。
圖1. 益生菌干預對健康老年人宿主代謝組的影響。
(A)通過1H NMR測定血清樣品的全局圖譜。該熱圖顯示了代謝物濃度的倍數變化,即各組干預前樣品濃度與干預后(干預后/干預前)樣品濃度之間的比值。在服用益生菌的組中,顯著改變的代謝物用紅色標記。(B)根據富集率從一組顯著改變的代謝產物中選擇前5個富集途徑,該富集率是通過觀察/預期命中率計算。(C)通過LC/MS確定色氨酸代謝中代謝物的靶向圖譜。該軸顯示代謝物濃度的log2(倍數變化)。基于Wilcoxon符號秩檢驗,*P <0.05。
2 健康老年人益生菌干預后血清IPA水平升高與腸道細菌譜和血清腦源性神經營養(yǎng)因子有關
為了研究代謝物變化與腸道細菌譜之間的聯(lián)系,我們對兩者進行了相關性分析。膽汁酸代謝產物與腸道細菌譜之間沒有顯著相關性(數據未顯示)。然而,在參與色氨酸代謝的代謝產物中,只有腸道微生物群產生的IPA與腸道細菌譜顯示出顯著相關性。在門水平上,Synergistetes和Tenericutes的相對豐度變化與IPA水平升高呈正相關(P <0.05,表1)。此外,我們確定了與IPA顯著相關的前20個屬(P<0.05,表2),這表明在屬水平上腸道細菌譜的變化與代謝變化顯著相關。我們進一步研究了代謝特征和認知反應之間的聯(lián)系,并對兩者進行了相關性分析。圖2中的熱圖顯示了血清BDNF濃度變化與代謝產物之間的相關系數,BDNF是一種眾所周知的認知功能標志物。值得注意的是,從色氨酸通路中的代謝物來看,益生菌干預后IPA水平升高與BDNF水平的變化呈正相關(r=0.28,P <0.05),這與安慰劑組觀察到的趨勢相反。綜上所述,本研究發(fā)現腸道微生物群代謝的IPA可能是腸-腦軸的靶分子,主要受益生菌干預的影響。
表1. 腸道菌群相對豐度與IPA濃度的相關性。(原文表2)
圖2. 健康老年人腸道微生物群產生的IPA水平升高與腦源性神經營養(yǎng)因子之間的相關性。
熱圖表示Pearson相關分析的相關系數,該分析檢測了各組代謝物變化與腦源性神經營養(yǎng)因子(BDNF)之間的相關性。與BDNF水平顯著相關的代謝產物用紅色標記。
3 腸道菌群產生的IPA對小膠質細胞具有抗炎作用
為了確定IPA是否是腸-腦相互作用的關鍵介質,我們研究了IPA在小膠質細胞中的神經保護作用,小膠質細胞負責局部損傷反應,如腦炎癥,以及腦組織的維持。首先,我們使用MTT法測試了IPA的細胞毒性,結果表明,與未處理組相比,IPA對BV2細胞的毒性(在1 μM、2.5 μM、5 μM下)不顯著(細胞活性>90%,P >0.05,圖3A)。然而,與未處理組相比,濃度為10 μM時BV2細胞活力顯著降低(69.35%對100%,P <0.05,圖3A)。
接下來,我們評估了用不同濃度IPA (0 μM、2.5 μM、5 μM和10 μM)預處理6小時的細胞中促炎細胞因子(IL-1β和TNF-α)的mRNA和蛋白水平。與單獨LPS處理組相比,IPA處理的BV2細胞中IL-1β的mRNA表達在LPS(50 ng/mL)處理24小時后顯示出劑量依賴性降低(1 μM時?5.81%,2.5 μM時?12.93%,5 μM時?11.92%,10 μM時–29.23%;均P >0.05,圖3B),但TNF-α的mRNA表達沒有顯示出顯著變化(圖3C)。在蛋白質水平上,與單獨LPS處理組相比,在2.5 μM和5 μM的IPA濃度下,IL-1β的濃度略有下降(2.5 μM時?5.28%,5 μM時?1.21%,均P>0.05,圖3C)。此外,與單獨LPS處理組相比,IPA處理的BV2細胞中TNF-α的濃度以劑量依賴性方式顯著降低(1 μM時?7.66%,2.5 μM時–9.44%,5 μM時-10.55%,10 μM時-17.34%;所有P <0.05,圖3D)。因此,這些結果表明,IPA通過抑制小膠質細胞中TNF-α的產生而表現出抗炎作用。
圖3. 腸道微生物群產生的IPA對小膠質細胞的抗炎作用。
(A)檢測IPA(0 μM、1 μM、2.5 μM、5 μM和10 μM)對BV2細胞的細胞毒性。*基于ANOVA和Dunnett多重比較分析,P <0.05(與未處理組相比)。(B–C)評估BV2細胞中促炎細胞因子(IL-1β和TNF-α)的相對表達水平,并與未處理組進行比較。(D–E)在BV2細胞中檢測促炎細胞因子(IL-1β和TNF-α)的濃度。#基于ANOVA和Tukey的多重比較分析,P <0.05(與無處理組相比)和*P<0.05(與單獨LPS處理組相比)。數據表示為平均值±標準誤差。縮寫:IPA,吲哚-3-丙酸;IL-1β,白細胞介素-1β;LPS,脂多糖;TNF-α,腫瘤壞死因子-α。
4 腸道菌群產生的IPA通過調節(jié)小膠質細胞-神經元相互作用產生神經保護作用
接下來,我們驗證了我們的假設,即IPA的抗炎作用如何對神經元產生神經保護作用。基于細胞毒性試驗的結果和不同濃度IPA的抗炎作用,用5 μM的IPA制備條件培養(yǎng)基。如圖4A所示,將人神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞在該培養(yǎng)基中孵育24小時,然后檢測神經營養(yǎng)因子(包括BDNF和NGF)的mRNA水平,以評估IPA對SH-SY5Y細胞的神經保護作用。與單獨LPS處理組相比,IPA處理的條件培養(yǎng)基中BDNF和NGF的mRNA水平分別增加了46.12%和37.94%(P <0.05,圖4B)。綜上所述,這些結果表明,先前研究中發(fā)現的益生菌干預后大腦功能的增強是由腸道微生物群產生的IPA通過調節(jié)小膠質細胞-神經元相互作用產生的神經保護作用介導的。
圖4. 腸道微生物群產生的IPA通過調節(jié)小膠質細胞-神經元相互作用產生神經保護作用。
(A)條件培養(yǎng)基的實驗方案。(B)評估SH-SY5Y細胞中BDNF和NGF的相對表達水平,并與未處理組進行比較。基于方差分析和Tukey多重比較分析,*P <0.05,*** P <0.0005和**** P <0.0001。NS表示差異無統(tǒng)計學意義。數據表示為平均值±標準誤差。縮寫:BDNF,腦源性神經營養(yǎng)因子;IPA,吲哚-3-丙酸;LPS,脂多糖;NGF,神經生長因子。
討論
1 主要結果
腸道細菌代謝產物作為腸道微生物群和大腦相互作用的主要介質發(fā)揮著關鍵作用。我們之前的研究發(fā)現,益生菌干預通過調節(jié)腸道微生物群來改善與年齡相關的腦功能衰退;因此,我們檢測了食用益生菌對腸-腦相互作用的調節(jié)是否可能受益于細菌代謝產物的變化。本研究的主要發(fā)現是,對健康老年人的益生菌干預提高了腸道微生物衍生的IPA水平,IPA通過調節(jié)小膠質細胞BV2細胞中的炎癥信號發(fā)揮神經保護作用。
2 IPA在腸道微生物群調節(jié)中的作用
眾所周知,IPA對腸道微生物群有積極影響。例如,Zhao等人研究指出,IPA可降低HFD誘導的大鼠腸道生態(tài)失調,并且IPA對腸道微生物群的有益作用是通過減少內毒素(脂多糖)的產生和內毒素衍生的NF-κB信號活化來介導的。此外,IPA已被證明對廣譜分枝桿菌具有抗生素活性,這表明它可以調節(jié)腸道微生物組成。與這些發(fā)現一致,本研究表明益生菌處理后IPA水平升高與腸道細菌譜的變化有關。例如,我們發(fā)現Tenericutes門和Mollicutes RF39屬的種群數量隨著IPA水平的增加而增加。此外,Eggerthella的豐度已被證明在多發(fā)性硬化癥中通過腸-腦軸增加,顯示出與IPA水平呈負相關。盡管由于缺乏16S rRNA數據的分辨率而未檢測到產生IPA的菌株,但我們假設這些細菌在產生IPA細菌的腸道中繁殖。這可能部分是由于IPA水平升高,而IPA與腸上皮穩(wěn)態(tài)密切相關,有助于腸道生態(tài)系統(tǒng)的整體改善。
3 IPA在神經炎癥中的作用
雙歧桿菌是研究最廣泛的益生菌之一,與腸-腦軸的調節(jié)有關。特別是,本研究中使用的雙歧桿菌菌株(B. bifidumBGN4 和B. longum BORI)在體外研究中顯示對免疫細胞具有免疫調節(jié)作用,并抑制嬰兒濕疹和成人腸易激綜合征的過敏反應。這些結果表明,BGN4和BORI在與腸-腦軸相關的炎癥途徑中具有調節(jié)作用;這促使我們研究它們調節(jié)腸-腦軸的潛力和潛在機制。
腸道中的色氨酸代謝主要通過三種途徑發(fā)生:血清素(5-羥色胺)途徑、犬尿氨酸途徑或轉化為吲哚及其衍生物。色氨酸衍生的每種途徑和生物活性分子對宿主的生理學都有獨特的意義。有研究報告了吲哚衍生物IPA的抗氧化特性和化學伴侶活性。此外,IPA似乎隨著年齡的增長而減少,這表明它可能在與年齡有關的疾病中發(fā)揮作用。正如我們的研究結果所證明的那樣,本研究中老年人的血漿IPA濃度是健康年輕人的十分之一(0.09 μM vs 0.92 μM)。本研究還證明,在益生菌干預下,老年人的IPA水平增加(1.91倍變化),與大腦功能的改善有關?;谶@些觀察結果,我們進一步研究了腸道微生物群產生的IPA是否對腸-腦軸有影響。IPA是一種以神經調節(jié)特性為特征的信號分子,最近受到了人們的關注:有證據表明其對淀粉樣蛋白β(Aβ)原纖維形成的保護作用,在阿爾茨海默病的進行性致病事件中損害并殺死神經元。此外,一項體外研究表明,在IPA存在時Aβ原纖維形成減少約50%。此外,在接受抗生素處理的小鼠中,IPA給藥降低了星形膠質細胞(大腦中參與神經元傳遞和免疫應答的最豐富的細胞類型)中Ccl2(一種促炎細胞因子)的表達,這表明IPA影響星形膠質細胞介導的神經炎癥。與星形膠質細胞一樣,小膠質細胞在中樞神經系統(tǒng)的免疫反應中也起著重要作用。IPA在小膠質細胞介導的免疫應答中的調節(jié)作用尚不完全清楚;然而,本研究發(fā)現IPA處理的小膠質細胞的條件培養(yǎng)基通過抑制小膠質細胞促炎因子的產生,對神經細胞中神經保護性BDNF和NGF的產生具有有益的影響。這些結果表明,食用益生菌后IPA水平的增加有助于通過調節(jié)小膠質細胞介導的炎癥來避免神經元的功能喪失,從而改善健康老年人的認知功能和精神壓力。
4 神經保護作用的機制
神經營養(yǎng)因子,包括BDNF和NGF,調節(jié)神經元的存活、發(fā)育、功能和可塑性。BDNF和NGF都以自分泌和旁分泌方式保護神經元,這表明神經元細胞中BDNF和NGF表達的增加可以保護自身和周圍神經元免受活化小膠質細胞引起的炎癥刺激。越來越多的證據支持BDNF參與神經炎癥和認知障礙;因此,已經嘗試通過飲食和體育鍛煉增強BDNF來改善認知功能,作為阿爾茨海默病和輕度認知障礙的治療靶點。經過16周的體育鍛煉干預,輕度認知障礙的老年人外周BDNF水平增加,促炎細胞因子減少。此外,NGF已被證明通過引導小膠質細胞向抗炎表型發(fā)展來發(fā)揮神經保護作用。一項體外研究表明,NGF的抗炎作用可有效逆轉淀粉樣蛋白-β肽引發(fā)的小膠質細胞的促炎狀態(tài),這是眾所周知的阿爾茨海默病的體外模型。這些結果支持了我們關于IPA的抗炎作用如何通過增加神經元細胞中的神經營養(yǎng)因子而發(fā)揮神經保護作用的發(fā)現。
本研究還發(fā)現,益生菌干預改變了參與膽汁酸代謝的代謝物。初級膽汁酸分泌到腸道,微生物群將其轉化為次級膽汁酸,包括脫氧膽酸和熊去氧膽酸(UDCA)。這些次級膽汁酸穿過血腦屏障,進而影響大腦的生理機能。在本研究中,益生菌干預增加了UDCA;在體外研究中,UDCA也被證明通過減少細胞凋亡來保護腦內皮細胞。此外,我們發(fā)現?;撬崛パ跄懰?TUDCA)的水平也隨著益生菌干預而增加,TUDCA是一種由腸道微生物群代謝的?;撬峤Y合形式的UDCA。已經證明,TUDCA具有神經保護作用,可以減少小鼠小膠質細胞的神經炎癥。因此,腸道微生物群-大腦相互作用所涉及的多種代謝途徑表明,益生菌在腦功能中的調節(jié)作用似乎有更復雜的生物學機制。
5 優(yōu)勢和局限性
本研究的局限性包括,由于缺乏16S rRNA數據的分辨率,它無法提供對腸道微生物譜的功能見解。因此,未來使用鳥槍法測序分析的研究需要進一步探索。此外,我們關于IPA神經保護作用的體外研究結果需要在動物和臨床研究中進一步評估。據我們所知,盡管存在這些局限性,但這是第一項提供證據支持益生菌干預提高的腸道微生物衍生IPA通過調節(jié)小膠質細胞-神經元相互作用具有神經保護作用的研究,從而充當腸-腦軸交流的紐帶。這些結果還表明,用IPA進行飲食干預或用益生菌補充劑靶向腸道微生物群可能有助于預防與年齡相關的腦部疾病。
結論
本研究描述了益生菌補充劑通過改變腸道菌群來改善老年人認知的機制之一。本研究結果表明,IPA介導腸道和大腦之間的相互作用,當益生菌添加到飲食中時,代謝物通過調節(jié)小膠質細胞中的炎癥信號對神經元具有抗炎保護作用。因此,這些結果有助于預防和治療精神疾病,因為它們可以幫助尋找可用于此類目的的生物標志物。
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CRM:華科劉剛團隊揭示健康型低碳水膳食和限時飲食干預對體重和腸道菌群的影響
網址: 科研丨CLIN NUTR: 腸道菌群吲哚 http://www.u1s5d6.cn/newsview373279.html
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