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文献分享 | 间歇性禁食调节糖尿病脑损伤多组学研究

分类:
阿趣动态
发布时间:
2020/03/24 10:58
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糖尿病已经成为一个全球问题,国际糖尿病联盟(IDF)发布的全球糖尿病地图(第9版)[1]显示,全球糖尿病患者人数不断上升,全球平均增长率为51%,目前有4.63亿糖尿病患者,预测到2045年全球将有7亿糖尿病患者。糖尿病可引起多种并发症,其中包括神经疾病;其病因主要包括大脑胰岛素抵抗、大脑微血管损伤和神经炎症等。
 
间歇性禁食(IF)是一种周期性的禁食方法,研究发现IF可延长寿命、促进能量代谢和有效降低与年龄相关疾病的发生风险;也有研究发现IF能改善代谢、减轻胰岛素抵抗等T2D症状,在一些动物模型中也显示出神经保护和改善认知的作用,但对T2D相关认知障碍的影响仍缺乏研究。
 
西北农林科技大学刘志刚和刘学波等团队合作[2],以28天IF饮食小鼠模型为研究对象,基于肠道菌群、血浆代谢组和大脑转录组3个组学平台结合行为测试等方法,对微生物菌群-代谢物-脑轴改善认知障碍进行研究。
 
 
1
文章整体思路
 
整个文章研究思路清晰,以4批小鼠(分别为db/m正常对照+正常饮食,db/db二型糖尿病+正常饮食,db/db+IF二型糖尿病+间接性饮食3个group)为研究对象,收集血清、组织、粪便等样本,进行生理生化、多组学及微生物和代谢物验证研究;逐步揭晓菌群-代谢物-脑轴与认知障碍的关系以及IF如何改善认知障碍。
 
代谢组学
Fig1. 文章整体思路
 
 
2
IF对胰岛耐受、认知障碍和胰岛信号等的影响
 
研究发现,IF能在不改变小鼠总体能量摄入的情况下降低db/db小鼠体重,同时能减少db/db小鼠每日摄水量;胰岛耐受方面,IF能通过抑制空腹血糖和空腹血胰岛水平增加db/db小鼠的胰岛素敏感性,胰岛耐受性水平也有所降低;水迷宫实验表明,IF能减少小鼠逃避潜伏期,进而表明db/db小鼠的认知障碍有一定改善。此外,IF能增加PSD的长度和宽度;海马区胰岛素信号通路在进食后被激活,在维持神经生存和突触功能方面有重要作用的神经营养因子BDNF的表达也有所增加等。
 
代谢组学
Fig 2. IF与生理生化相关指标关系结果
 
 
3
IF对线粒体功能相关基因、肠道菌群和代谢物的影响
 
RNA-seq分析发现1181个在db/db-IF组中增加的基因,这些基因中大部分富集于线粒体相关的GO;KEGG通路分析发现,IF通过调节线粒体基因表达增加与氧化磷酸化相关基因的表达;进一步的WGCNA分析发现与IF相关的49个hub基因,而这些基因大部分富集于线粒体和代谢相关GO、氧化磷酸化相关的KEGG通路和一些神经性疾病(如亨廷顿氏舞蹈病和帕金森)相关的通路;之后的qPCR实验也进一步验证了IF能有效增加db/db小鼠线粒体和代谢相关基因的表达。
 
对肠道屏障完整性研究表明,IF能增加糖尿病小鼠肠壁绒毛长度和黏膜肌层厚度,但不影响杯状细胞;此外,IF也能有效阻止肠漏,从而降低血液中LPS含量。16S rRNA研究发现,28天间断性节食后,在保持OUT不变的情况下能显著增加肠道菌群α-多样性,同时也能改变菌的β-多样性;乳酸菌和丁酸盐产生菌Odoribacter在IF干预后升高,而肠球菌、链球菌和肠球菌科的某个未知菌均降低;同时也发现了一些与肥胖、血糖和体重相关的菌(如:Candidatus Arthromitus,某未知Enterococcaceae等)。PICRUSt分析发现11个与IF相关的KEGG基因通路,其中初级/次级胆汁酸生物合成在干预后升高。
 
非靶向代谢组学研究进一步发现干预后代谢物的改变,为研究IF干预与肠道菌群与代谢物的影响,选取23个与肠道菌相关的代谢物进行进一步研究,结果表明,血液中五羟色胺(5-HT)、色氨酸、p-羟基苯、N-乙酰色氨酸、3-吲哚丙酸(IPA)和胆汁酸等物质上升,而酪氨酸、苯乙基甘氨酸、p-甲酚和12-HEPE等几个物质降低;此外还对粪便样本中有保护肠道屏障功能和提高胰岛敏感性的短链脂肪酸含量进行研究,结果表明乙酸、丙酸盐和丁酸盐含量在IF干预后升高。
 
最后,将与IF相关的36个hub基因、17个OTUs和26个代谢物(包括23个与肠道菌群相关的代谢物和3个短链脂肪酸)进行关联分析,发现彼此相关性都较高的标志物(乳酸菌、拟杆菌、胆汁酸、IPA、5-HT、线粒体和核糖体相关的GO等)。
 
代谢组学
Fig3. 多组学关联分析结果
 
 
4
菌和代谢物验证
 
为验证微生物在介导糖尿病认知缺陷及IF干预中的作用,从正式开始干预前开始在饮用水中加入抗生素,并始终贯穿于整个实验过程。结果发现,抗生素处理IF干预在不影响eWAT体重的情况下降低小鼠的体重,增加肝脏和盲肠重量;IF和抗生素处理均能减少db/db小鼠的饮食和摄水量,但不影响IF干预对胰岛抵抗的有益影响;IF在改善认知方面的功能在抗生素处理后被破坏;同时IF小鼠能提升db/db小鼠线粒体合成功能在抗生素处理后也受到破坏。从而发现抗生素处理能降低IF对db/db小鼠认知缺陷的保护作用。此外,抗生物处理后,db/db小鼠血液中的IPA和粪便中的SCFAs含量均降低。
 
最后,为验证IPA和短链脂肪酸这些微生物来源的代谢物尤其是5-HT和TUDCA在认知缺陷中的作用,对db/db小鼠喂食干预这些代谢物一段时间,结果发现,db/db小鼠的认知功能和胰岛敏感性均得到改善,同时线粒体生物合成功能得到提升。
 
代谢组学
Fig 4. 部分验证结果
 
 
5
总结
 
文章首次创新性的发现28天间断性节食通过肠道菌群-代谢物-脑轴改善糖尿病小鼠的认知,为营养干预和改善代谢相关机体健康问题提供了新启示。但具体什么菌在改善小鼠认知方面有效果、间断性饮食改善小鼠认知功能的分子和通路机制及在人群中作用和临床效果仍需进一步的研究探讨。
 
参考文献:
[1] https://www.diabetesatlas.org/en/resources/
[2]Zhigang Liu, et al.Gut microbiota mediates intermittent-fasting alleviation of diabetes-induced cognitive impairment[J].Nat Commun 2020 Feb 18;11(1).
 
文献下载链接:
链接:https://pan.baidu.com/s/1aB8_wXYsjULa8nCECsxx4w
提取码:xqpi
 
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