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科研动态

Nutritional Neuroscience:高脂肪饮食引起的小鼠抑郁行为与微生物组,神经肽Y和脑代谢组变化相关
发布时间:2018-06-13 17:41   点击率:

导读

营养失调和肥胖是导致抑郁的危险因素。对此尽管已有一些流行病学的证据,其病理生理机制仍不清楚。一些研究发现,致肥饮食和肥胖影响人类和实验动物肠道微生物群的组成。另外,也发现抑郁症和非抑郁症患者的肠道微生物组存在显着差异。然而,饮食诱导的肠道微生物群落结构和功能的改变是否与抑郁症的发展相关还尚不清楚。神经肽Y(NPY)是一种可能将饮食诱导的肥胖与情绪改变联系起来的因素。除了对肠道微生物组和脑NPY系统的影响外,致肥饮食对整个身体的代谢途径和代谢物水平也具有重要影响。一旦代谢失衡有可能超越大脑,影响与神经元信号传导和行为相关的神经递质和其他分子的产生,并因此导致在肥胖受试者中观察到的精神障碍。因此,对因饮食产生的行为扰动的动物模型进行高通量测序和筛选其大脑代谢物,可对饮食诱导的脑代谢紊乱机制以及其在神经精神障碍中的潜在作用提供重要见解。
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文献ID
题目:High-fat diet induces depression-like behaviour in mice associated with changes in microbiome, neuropeptide Y, and brain metabolome
译名:高脂肪饮食引起的小鼠抑郁行为与微生物组,神经肽Y和脑代谢组变化相关
期刊:Nutritional Neuroscience     IF=3.765
年份:2018.4.26
通讯作者:Peter Holzer
通讯单位:Medical University of Graz
 
 
材料与方法
实验设计
该研究选择156只雄性小鼠,给小鼠喂食HFD(高脂饮食,60kJ%来自脂肪)和对照饮食(12kJ%来自脂肪)8周,然后进行行为表型分析。通过16S rDNA V1-V3区Ion PGM测序仪测序、分析盲肠微生物组,通过核磁共振氢谱图分析脑代谢组,通过qPCR和免疫测定的NPY表达和通过酶测定二肽基肽酶-4(DPP-4)活性分析。还测试了用丙咪嗪(7mg / kg /天)和DPP-4抑制剂西他列汀(50mg / kg /天)对HFD诱导的行为改变进行4周治疗后的效果。
 
在所有实验中,给实验组小鼠喂HFD(60kJ%来自脂肪,24kJ%来自碳水化合物,16kJ%来自蛋白质)或对照组饮食(12kJ%来自脂肪,65kJ%来自碳水化合物,23kJ%来自蛋白质)。将小鼠分配给5个实验中,进行8周的喂食,如图1A所示。
 
实验1中,对小鼠进行包括旷场(OF)测试,高架十字迷宫(EPM)测试,社交相互作用(SI)测试,新物体识别(NOR)测试,巴恩斯迷宫(BM)测试和毛发指数评估。图1A中描述了测试的顺序。在第二次BM测试后4天将小鼠处死,收集他们的大脑样本进行代谢组学分析,同时收集血浆和结肠组织用于DPP-4测定。
 
实验2中,首先对小鼠进行暗灯箱和飞溅测试。 然后,将其置于在LabMaster系统中,第二天记录光照周期开始前6天内的运动情况,液体摄入量,食物摄入量和蔗糖偏好。
 
实验3中,将小鼠单独安置在LabMaster系统中以进行吗啡偏好测试。
 
实验4中,在8周喂食结束后,将小鼠处死,没有任何行为干预。收集脑、心脏血、结肠组织和盲肠内容物,分别用于评估脑内NPY、Y1和Y2受体mRNA水平,血浆中皮质酮和NPY水平,结肠中过氧化物酶(MPO)活性和盲肠内容物中微生物群落组成。
 
实验5中,HFD 喂食4周后,将HFD小鼠细分为三组:第一组(HFD组)接受普通饮用水,持续4周;第二组(HFD + Si组)接受西他列汀饮用水,剂量为50mg / kg体重,持续4周;第三组(HFD + Im组)接受丙咪嗪,剂量为7mg / kg体重,持续4周。

图1 对照和HFD饮食小鼠的研究设计
 
测序区域及平台
16S rDNA V1-V3区,Ion PGM测序仪
 
 
研究成果
1、 HFD饮食获得更多的体重,并诱导抑郁症相关表型
与对照小鼠相比,HFD小鼠消耗更多的热量并且出现体重增加(图1B-D)。相对于对照,HFD降低了社交性 (2A和B)。HFD喂养小鼠的毛发指数显着高于对照饮食的小鼠(图2C)。从蔗糖摄入量和蔗糖偏好的减少现象发现,HFD喂食的小鼠表现出快感缺失(图2D和E)。HFD扰乱了昼夜摄取模式(图2G),降低了LabMaster系统中的水平和垂直运动活动(图2H和I),而HFD小鼠和对照小鼠之间对吗啡奎宁的偏好没有显着差异(图2K)。 另一方面,HFD小鼠中糖精溶液的总摄入量显着减少(图2L)。

图2 对照和HFD饮食8周小鼠的行为读数
 
 
2、HFD饮食影响小鼠盲肠微生物群的组成,并预测出其代谢功能的改变
Shannon和Simpson指数显示,HFD小鼠的微生物组α多样性显著增加(图3A),并且PCoA分析显示,与对照组相比,HFD组具有显著不同的微生物群落(图3B)。LEfSe分析揭示了对照组和HFD组之间在不同分类学水平上具有的显著差异微生物。在门的水平上,对照组的拟杆菌相对丰富,而HFD组厚壁菌和蓝藻相对丰富(图3C)。这些变化反映在HFD组中厚壁菌门与拟杆菌门比值显著较高(图3D)。另外对照组和HFD组之间的不同在纲、目、科和属水平上也有观察到(图3C)。为了深入了解这些变化对微生物组功能的潜在影响,LEfSe分析统计KEGG差异通路,结果确定了可能受影响的几种代谢途径,包括色氨酸,鞘脂,天冬氨酸和谷氨酸等代谢途径。
 
图3 对照和HFD饮食8周的(n = 12/组)小鼠盲肠内容物的16S rDNA测序揭示其微生物群落组成
(一)微生物多样性和丰富度指数。(B)基于样本之间的加权UniFrac距离的主坐标分析(PCoA)图。(C)从LEfSe分析中获得HFD和对照之间的微生物丰度方面的统计学差异。(D)饮食对厚壁菌与拟杆菌比值的影响,*** P <0.001(曼惠特尼U检验)。
 
 
3、HFD饮食减少结肠MPO,调节前额叶皮层和纹状体中代谢物的产生
HFD小鼠的结肠MPO含量显着低于对照组小鼠。图4A为四个脑区域(前额叶皮质,下丘脑,海马和纹状体)代谢组学OPLS-DA分析。由于海马和下丘脑的OPLS-DA分析的验证测试P值> 0.05,所以这些区域被排除在进一步分析之外。在前额叶皮层(图4B和C),HFD与乳酸盐和甘油-磷酸胆碱的相对浓度增高密切相关。在前额叶皮层也观察到HFD与丙氨酸,肌酸/磷酸肌酸,牛磺酸,肌醇和3个未知单体在3.256ppm、3.673ppm和3.459ppm的升高之间有相似但较弱的相关性。相反,γ-氨基丁酸(GABA)和胆碱在该脑区的相对浓度与HFD呈负相关(图4B和C)。在纹状体(图4D和E)中,HFD与N-乙酰天冬氨酸,谷氨酰胺,肌酸/磷酸肌酸和牛磺酸的相对浓度降低以及肌醇相对浓度增高有关。由OPLS-DA分析确定的前额叶皮层和纹状体的代谢变化总结在图4F中。

图4 通过核磁共振氢谱图确定的HFD饮食对小鼠脑代谢组的影响
 
 
4、 HFD饮食降低下丘脑和海马中的NPY表达
HFD饮食减弱了海马和下丘脑中NPY mRNA的相对表达(图5A和B),但对纹状体和前额叶皮质无影响。相反,在所有检测的脑区域中,HFD组的Y1和Y2受体mRNA的表达保持不变。在肽水平的NPY系统的分析显示,HFD组小鼠下丘脑中NPY浓度相对于对照组小鼠显著降低(图 5E)。 同样,在HFD组小鼠的海马中NPY浓度较低,但是这种差异在统计学上不显著(图5D)。
 
图5 对照和HFD饮食8周的小鼠脑和血浆中的分子浓度
 
 
5、 HFD饮食增加血浆中NPY和DPP-4酶的活性,西他列汀逆转HFD诱导的血浆中DPP-4酶活性的升高
相对于对照组,HFD饮食增加血浆中NPY和DPP-4酶活性(图4C和F),而结肠组织中DPP-4酶活性没有差异。在HFD组小鼠中,血浆中皮质酮的浓度保持不变。
 
通过单因素方差分析显示,对照组小鼠血浆中DPP-4酶活性与用西他列汀或丙米嗪处理的HFD饮食及单纯HFD饮食小鼠之间存在显著不同。Dunnett’s post hoc检验显示,西他列汀可逆转HFD诱发的血浆DPP-4酶活性升高,但是丙咪嗪处理没有此现象(图6A)。 Dunnett’s post hoc检验显示HFD组小鼠的毛发指数显著高于对照组小鼠,而用西他列汀或丙咪嗪处理后的小鼠没有发现显着变化。
 
图6 对照组,单纯HFD饮食8周的小鼠,添加西格列汀或丙咪嗪饮食4周的HFD小鼠的DPP-4酶活性(A)和行为读数(B-F)
 
 
6、西他列汀和丙咪嗪不能改变HFD饮食诱导的行为紊乱
ANOVA分析揭示,对照组小鼠与HFD组小鼠及西他列汀或丙咪嗪处理的HFD小鼠,蔗糖摄入量、蔗糖偏好、卡路里摄入量和水平活动存在显著差异(图6B-E)。Dunnett’s post hoc检验显示,西他列汀和丙咪嗪改变HFD诱导的蔗糖摄入量的减少,但蔗糖偏好,热量摄入和水平活性保持不变(图6B-E)。在垂直活动中,ANOVA分析显示组间差异显著,但Dunnett’s post hoc检验(图6F)没有显著差异。
 
 
研究结论
HFD诱导小鼠抑郁样表型,例如社交性和蔗糖偏好降低。
1、 在盲肠中,HFD饮食减少了拟杆菌的相对丰度并增加了厚壁菌和蓝细菌的相对丰度。
2、 在大脑中,HFD修饰前额叶皮层和纹状体的代谢组,改变参与能量代谢(例如乳酸)和神经元信号传导(例如γ-氨基丁酸)的分子相对浓度。
3、 HFD饮食使下丘脑和海马中NPY表达量降低,而血浆NPY表达量和DPP-4酶活性增加。
4、 丙咪嗪和西他列汀对HFD诱导的快感没有明显的改变。
 
 
亮点
尽管本篇文章对饮食诱导的肠道微生物群紊乱与抑郁表型之间的因果关系尚待探索,但肠道微生物群落,NPY系统,脑代谢组学和行为扰动之间的关联分析,为HFD诱导的信号通路和神经行为病理方面的研究提供了重要的线索。

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