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2019-06-28浏览量:1169

『锐帮读』促炎性肠道菌群增加全身炎症并加速动脉粥样硬化

导读

动脉粥样硬化是心血管疾病的主要潜在因素,已有研究证明肠道菌群、宿主免疫和动脉粥样硬化之间存在相互关系,但目前尚缺乏证据支持肠道菌群在动脉粥样硬化中的促炎作用。为了检验引入促炎性肠道菌群是否会加速动脉粥样硬化,本研究将Casp1-/-小鼠的粪菌移植到雌性Ldlr-/-小鼠体内,发现菌群的改变使Ldlr-/-小鼠对几种炎症性疾病发生变得敏感。Casp1-/-小鼠的肠道菌群促进动脉粥样硬化,并增加动脉粥样硬化斑块中的白细胞数量、促炎性血浆细胞因子和中性粒细胞积累,减少菌群衍生的抗炎短链脂肪酸(SCFAs),而血脂和TMAO水平以及肠道完整性未受影响。

 

文中名称缩写

接受Casp1-/-菌群移植的Ldlr-/-小鼠:Ldlr-/-(Casp1-/-

接受自体菌群移植的Ldlr-/-小鼠:Ldlr-/-(Ldlr-/-

高脂肪富含胆固醇:HFC

三甲基胺-N-氧化物:TMAO

 

文献ID

题目:A Pro-Inflammatory Gut Microbiota Increases Systemic Inflammation and Accelerates Atherosclerosis

译名:促炎性肠道菌群增加全身炎症并加速动脉粥样硬化

发表期刊:Circulation Research

发表时间:2018.10   IF:15.862

通讯作者:Debby P. Y. Koonen

通讯单位:荷兰格罗宁根大学医学中心儿科

 

材料与方法

  

实验设计

受体:抗生素处理10天的雌性Ldlr-/-小鼠

供体:Ldlr-/-小鼠和Casp1-/-小鼠

经抗生素处理10天的雌性Ldlr-/-小鼠,通过共笼饲养的方式,将Casp1-/-小鼠和Ldlr-/-小鼠的粪菌移植到受体小鼠中,共笼饲养8周或13周,期间的喂养方式分chow和HFC饮食。收集粪便样本进行16S rDNA测序,并检测炎症、代谢、肠道健康以及动脉粥样硬化表型相关因子。

 

图1 通过共笼方式将Casp1-/-粪菌移植到Ldlr-/-小鼠体内

 

测序区域及平台

16S rDNA,Illumina测序平台

 

研究成果

1、Casp1-/-菌群成功移植到Ldlr-/-小鼠

为研究促炎菌群是否会加速动脉粥样硬化,采用共笼法,通过粪菌移植将Casp1-/-小鼠的菌群移植到经抗生素处理的Ldlr-/-小鼠体内。将来自Ldlr-/-小鼠的粪便菌群自体移植到抗生素处理的Ldlr-/-小鼠中作为对照。对小鼠粪便微生物群组成的分析显示,共笼和饮食均会影响小鼠肠道菌群(图2)。接受Casp1-/-菌群的Ldlr-/-小鼠(称为Ldlr-/-(Casp1-/-))和Casp1-/-供体小鼠之间存在集群(图2);接受自体菌群移植的Ldlr-/-小鼠(称为Ldlr-/-(Ldlr-/-))与其各自的供体小鼠聚集在一起;chow和HFC饮食的小鼠之间有明显的分离(图2),所有供体和受体小鼠都是一致的。表明Casp1-/-和Ldlr-/-菌群成功移植到Ldlr-/-小鼠体内。

 

图2 非加权UniFrac距离的PCoA分析

 

2、Casp1-/-失调可促进喂食HFC饮食的Ldlr-/-小鼠的动脉粥样硬化

主动脉根部的动脉粥样硬化病变大小分析表明:Casp1-/-菌群对8周内喂食chow或HFC饮食的Ldlr-/-小鼠的动脉粥样硬化病变大小没有影响(图3a-3b)。但在HFC喂养13周后,与Ldlr-/-(Ldlr-/-)小鼠相比,Ldlr-/-(Casp1-/-)小鼠动脉粥样硬化病变的大小增加了29%(图3a-3b),主动脉根部的胶原和巨噬细胞含量无差异,表明病变大小增加,但严重程度没有增加。在主动脉弓中,几种巨噬细胞相关及炎症标记物的基因表达在HFC喂养的小鼠之间相似,但在Ldlr-/-(Casp1-/-)小鼠中IL-10表达显著增加。体重、血浆甘油三酯和胆固醇水平没有显著性差异,并且在血浆水平TMAO、其TMA前体和TMAO产物也没有观察到任何变化。这些结果排除了血脂水平和TMAO是导致Ldlr-/-(Casp1-/-)小鼠动脉粥样硬化病变增加的因素。

 

图3 Casp1-/-微生物群促进喂食HFC饮食的Ldlr-/-小鼠动脉粥样硬化的发展

 

3、Casp1-/-失调促进炎症

接下来该研究评估了Casp1-/-失调是否通过增加血浆炎症细胞因子加速动脉粥样硬化。在HFC饮食13周后,Ldlr-/-(Casp1-/-)小鼠的血浆IL-1β、IL-2、IL-10和IFN-γ水平显著升高(图4a),而CXCL1、TNF-α、IL-5和IL-6没有受到影响。流式细胞术分析显示,与Ldlr-/-(Ldlr-/-)小鼠相比,Ldlr-/-(Casp1-/-)小鼠的血Ly6Clo和Ly6Chi单核细胞和中性粒细胞数量增加,同时白细胞计数增加(图4b)。在白细胞群中,中性粒细胞和单核细胞是造成动脉粥样硬化的重要因素。循环中单核细胞和中性粒细胞增多可能导致单核细胞和中性粒细胞渗入动脉粥样硬化斑块,并进一步促进斑块生长。与喂食HFC饮食13周的Ldlr-/-(Ldlr-/-)小鼠相比,Ldlr-/-(Casp1-/-)小鼠动脉粥样硬化斑块中的中性粒细胞积累增加(图4c-4d),表明Casp1-/-失调可提高血浆中IL-1β水平,导致单核细胞和中性粒细胞增多,增加动脉粥样硬化斑块中中性粒细胞的积聚。

 

图4 Casp1-/-菌群失调导致系统性炎症

 

4、在喂食HFC饮食的Ldlr-/-小鼠中,暴露于Casp1-/-菌群不会损害肠屏障功能

菌群组成的干扰可能会影响肠道完整性,进而促进系统性炎症。LEfSe分析鉴定了34种在Ldlr-/-(Ldlr-/-)和Ldlr-/-(Casp1-/-)小鼠中丰度差异的微生物类群。Casp1-/-失调导致与肠道炎症有关的BilophilaStreptococcus 和Mucispirillum在chow和HFC饮食条件下显著增多,但并未观察到肠道屏障功能差异。此外,各组间结肠粘液层厚度和结肠中Muc-2表达没有改变,表明Ldlr-/-(Ldlr-/-)和Ldlr-/-(Casp1-/-)小鼠的结肠粘液层完整性没有差异。尽管HFC喂养对肠道通透性有显著影响,但与Ldlr-/-(Ldlr-/-)小鼠相比,仅喂食chow饮食的Ldlr-/-(Casp1-/-)小鼠的通透性有所增加。这些结果表明Casp1-/-菌群不会改变HFC饮食条件下的肠屏障功能,因此不能解释血浆炎症细胞因子的增加。

 

5、暴露于Casp1-/-菌群会减少SCFA产生菌和降低SCFAs的盲肠浓度

SCFAs可减少炎症,在Ldlr-/-(Casp1-/-)小鼠中,SCFA产生菌AkkermansiaChristensenellaeClostridiumOdoribacter的丰度显著降低(图5a-5d)。小鼠盲肠中乙酸、丙酸和丁酸的浓度测量结果与SCFA产生菌的丰度降低一致。与Ldlr-/-(Ldlr-/-)小鼠相比,Ldlr-/-(Casp1-/-)小鼠的SCFAs累积水平显著降低(图5e),这主要是因为Ldlr-/-(Casp1-/-)小鼠的乙酸水平较低。因此,可推测抗炎性SCFAs的减少导致暴露于Casp1-/-菌群的小鼠血浆炎症细胞因子水平增加。

 

图5 Casp1-/-诱导的肠道菌群变化

 

研究结论

1、将促炎性Casp1-/-菌群引入Ldlr-/-小鼠,可增强系统炎症反应并加速动脉粥样硬化生成,提示菌群组成、炎症和动脉粥样硬化之间存在因果关系。

2、控制肠道菌群组成可能是预防炎症和动脉粥样硬化的潜在有效治疗策略,从而降低心血管疾病的风险。

 

亮点

本研究提供了一种新的替代机制,肠道菌群可以独立于血脂和TMAO水平,促进动脉粥样硬化。将促炎性肠道菌群引入具有类人脂蛋白特征的小鼠模型会增加全身炎症并加速动脉粥样硬化,提示菌群组成、炎症和动脉粥样硬化之间存在因果关系。

 

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参考文献

Brandsma E, Kloosterhuis NJ, Koster M, et al. A Pro-Inflammatory Gut Microbiota Increases Systemic Inflammation and Accelerates Atherosclerosis[J].Circulation Research,2018.

 

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