Van de darm afgeleide microbiële metabolieten hebben veelzijdige effecten die leiden tot complex gedrag bij dieren. We streven ernaar om een stapsgewijze methode te bieden om de effecten van van de darm afgeleide microbiële metabolieten in de hersenen af te bakenen via intracerebroventriculaire toediening via een gidscanule.
De impact van darmmicrobiota en hun metabolieten op de fysiologie en het gedrag van de gastheer is in dit decennium uitgebreid onderzocht. Talrijke studies hebben aangetoond dat van darmmicrobiota afgeleide metabolieten hersengemedieerde fysiologische functies moduleren via ingewikkelde darm-hersenroutes in de gastheer. Korte keten vetzuren (SCFA’s) zijn de belangrijkste van bacteriën afgeleide metabolieten die worden geproduceerd tijdens de fermentatie van voedingsvezels door het darmmicrobioom. Uitgescheiden SCFA’s uit de darm kunnen op meerdere plaatsen in de periferie werken en de immuun-, endocriene en neurale reacties beïnvloeden vanwege de enorme distributie van SCFA-receptoren. Daarom is het een uitdaging om de centrale en perifere effecten van SCFA’s te differentiëren door orale en intraperitoneale toediening van SCFA’s. Dit artikel presenteert een op video gebaseerde methode om de functionele rol van SCFA’s in de hersenen te ondervragen via een gidscanule bij vrij bewegende muizen. De hoeveelheid en het type SCFA’s in de hersenen kunnen worden aangepast door het infusievolume en de snelheid te regelen. Deze methode kan wetenschappers een manier bieden om de rol van darm-afgeleide metabolieten in de hersenen te waarderen.
Het menselijke maagdarmkanaal herbergt diverse micro-organismen die de gastheerbeïnvloeden 1,2,3. Deze darmbacteriën kunnen darm-afgeleide metabolieten afscheiden tijdens hun gebruik van voedingscomponenten die door de gastheer worden geconsumeerd 4,5. Interessant is dat de darmmetabolieten die niet in de periferie worden gemetaboliseerd, via circulatie naar andere organen kunnen worden getransporteerd6. Van belang is dat deze uitgescheiden metabolieten kunnen dienen als mediatoren voor de darm-hersenas, gedefinieerd als de bidirectionele communicatie tussen het centrale zenuwstelsel en de darm7. Eerdere studies hebben aangetoond dat van de darm afgeleide metabolieten complex gedrag en emotie bij dieren kunnen moduleren 8,9,10,11.
Korte keten vetzuren (SCFA’s) zijn de belangrijkste metabolieten geproduceerd door darmmicrobiota tijdens de fermentatie van voedingsvezels en onverteerbare koolhydraten6. Acetaat, propionaat en butyraat zijn de meest voorkomende SCFA’s in de darm12. SCFA’s dienen als de energiebron voor cellen in het maagdarmkanaal. Niet-gemetaboliseerde SCFA’s in de darm kunnen via de poortader naar de hersenen worden getransporteerd, waardoor hersenen en gedrag worden gemoduleerd 6,12. Eerdere studies hebben gesuggereerd dat SCFA’s een cruciale rol kunnen spelen bij neuropsychiatrischeaandoeningen 6,12. Bijvoorbeeld, intraperitoneale injectie van butyraat in BTBR T + Itpr3tf / J (BTBR) muizen, een diermodel van autismespectrumstoornis (ASS), redde hun sociale tekorten13. Met antibiotica behandelde ratten die microbiota kregen van depressieve proefpersonen vertoonden een toename van angstachtig gedrag en fecale SCFA’s14. Klinisch werden veranderingen in fecale SCFA’s waargenomen bij mensen met ASS in vergelijking met typisch ontwikkelende controles15,16. Mensen met een depressie hebben lagere fecale SCFA’s dan gezonde proefpersonen 17,18. Deze studies suggereerden dat SCFA’s het gedrag bij dieren en mensen via verschillende routes kunnen veranderen.
Microbiële metabolieten oefenen verschillende effecten uit op meerdere plaatsen in het lichaam, met invloed op de fysiologie en het gedrag van de gastheer 4,19, waaronder het maagdarmkanaal, de nervus vagus en de sympathische zenuw. Het is moeilijk om de precieze rol van darm-afgeleide metabolieten in de hersenen te bepalen bij het toedienen van de metabolieten via perifere routes. Dit artikel presenteert een op video gebaseerd protocol om de effecten van darm-afgeleide metabolieten in de hersenen van een vrij bewegende muis te onderzoeken (figuur 1). We toonden aan dat SCFA’s acuut konden worden gegeven via de gidscanule tijdens gedragstests. Het type, het volume en de infusiesnelheid van metabolieten kunnen worden gewijzigd afhankelijk van het doel. De plaats van cannulisatie kan worden aangepast om de impact van darmmetabolieten in een specifiek hersengebied te onderzoeken. We willen wetenschappers een methode bieden om de potentiële impact van van de darm afgeleide microbiële metabolieten op de hersenen en het gedrag te onderzoeken.
Van de darm afgeleide metabolieten zijn in verband gebracht met hersengemedieerde ziekten zonder veel nauwkeurig mechanisme, gedeeltelijk vanwege hun meerdere bindingsplaatsen in het lichaam 6,12,24. Eerdere rapporten gaven aan dat SCFA’s kunnen dienen als liganden voor G-eiwitgekoppelde receptoren, epigenetische regulatoren en bronnen voor energieproductie op meerdere locaties in het lichaam 6,12</s…
The authors have nothing to disclose.
We erkennen het personeel van het Laboratory Animal Center van de National Cheng Kung University (NCKU) voor de zorg voor de dieren. Dit werk werd ondersteund door de beurs van Prof. Kun-Yen Huang Education Fund van CHENG-HSING Medical Foundation aan C.-W.L.; de fondsen van het Ministerie van Wetenschap en Technologie (MOST) in Taiwan: (Undergraduate Research MOST 109-2813-C-006-095-B) aan T.-H.Y.; (MOST 107-2320-B-006-072-MY3; 109-2314-B-006-046; 110-2314-B-006-114; 110-2320-B-006-018-MY3) naar W.-L.W.; en het Higher Education Sprout Project, Ministerie van Onderwijs aan het hoofdkantoor van University Advancement bij NCKU naar W.-L.W.
Material | |||
Advil Liqui-Gels Solubilized Ibuprofen A2:D41 | Pfizer | n/a | |
Alexa Fluor 488 donkey anti-rabbit | ThermoFisher Scientific | A-21206 | |
Anti-Fluorescent Gold (rabbit polyclonal) | Millipore | AB153-I | |
Bottle Top Vacuum Filter, 500 mL, 0.22 μm, PES, Sterile | NEST | 121921LA01 | |
CaCl2 | Sigma-Aldrich | C1016 | ACSF: 0.14 g/L |
Chlorhexidine scrub 2% | Phoenix | NDC 57319-611-09 | |
Chlorhexidine solution | Phoenix | NDC 57319-599-09 | |
Commercial dummy | RWD Life Science | 62004 | Single_OD 0.20 mm/ M3.5/G = 0.5 mm |
Commercial guide cannul | RWD Life Science | 62104 | Single_OD 0.41 mm-27G/ M3.5/C = 2.5 mm |
Commercial injector | RWD Life Science | 62204 | Single_OD 0.21 mm-33G/ Mates with M3.5/C = 3.5 mm/G = 0.5 mm |
D-(+)-Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | ACSF: 0.61 g/L |
Dental acrylic | HYGENIC | n/a | |
Fixing screws | RWD Life Science | 62521 | |
Fluoroshield mounting medium with DAPI | Abcam | AB104139 | |
Horse serum | ThermoFisher Scientific | 16050130 | |
Insulin syringes | BBraun | XG-LBB-9151133S-1BX | 1 mL |
Isoflurane | Panion & BF biotech | DG-4900-250D | |
KCl | Sigma-Aldrich | P3911 | ACSF: 0.19 g/L |
Ketoprofen | Swiss Pharmaceutical | n/a | |
Lidocaine | AstraZeneca | n/a | |
Low melting point agarose | Invitrogen | 16520 | |
MgCl2 | Sigma-Aldrich | M8266 | ACSF: 0.19 g/L |
Microscope cover slips | MARIENFELD | 101242 | |
Microscope slides | ThermoFisher Scientific | 4951PLUS-001E | |
Mineral oil light, white NF | Macron Fine Chemicals | MA-6358-04 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | ACSF: 7.46 g/L |
NaH2PO4 | Sigma-Aldrich | S8282 | ACSF: 0.18 g/L |
NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S5761 | ACSF: 1.76 g/L |
n-butyl cyanoacrylate adhesive (tissue adhesive glue) | 3M | 1469SB | 3M Vetbond |
Neural tracer | Santa Cruz | SC-358883 | FluoroGold |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | P6148 | |
Polyethylene tube | RWD Life Science | 62329 | OD 1.50, I.D 0.50 mm and OD 1.09, I.D 0.38 mm |
Puralube Vet (eye) Ointment | Dechra | 12920060 | |
Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S2889 | SCFAs: 13.5 mM |
Sodium azide | Sigma-Aldrich | S2002 | |
Sodium butyrate | Sigma-Aldrich | B5887 | SCFAs: 8 mM |
Sodium propionate | Sigma-Aldrich | P1880 | SCFAs: 5.18 mM |
Stainless guide cannula | Chun Ta stainless steel enterprise CO., LTD. | n/a | OD 0.63 mm; Local vendor |
Stainless injector | Chun Ta stainless steel enterprise CO., LTD. | n/a | OD 0.3 mm; dummy is made from injector; local vendor |
Superglue | Krazy Glue | KG94548R | |
Triton X-100 | Merck | 1.08603.1000 | |
Equipment | |||
Cannula holder | RWD Life Science | B485-68217 | |
Ceiling camera | FOSCAM | R2 | |
Digital stereotaxic instruments | Stoelting | 51730D | |
Dissecting microscope | INNOVIEW | SEM-HT/TW | |
Glass Bead Sterilizer | RWD Life Science | RS1501 | |
Heating pad | Stoelting | 53800M | |
Leica microscope | Leica | DM2500 | |
Micro Dissecting Forceps | ROBOZ | RS-5136 | Serrated, Slight Curve; Extra Delicate; 0.5mm Tip Width; 4" Length |
Micro Dissecting Scissors | ROBOZ | RS-5918 | 4.5" Angled Sharp |
Microinjection controller | World Precision Instruments (WPI) | MICRO2T | SMARTouch Controller |
Microinjection syringe pump | World Precision Instruments (WPI) | UMP3T-1 | UltraMicroPump3 |
Microliter syringe | Hamilton | 80014 | 10 µL |
Optical Fiber Cold Light with double Fiber | Step | LGY-150 | Local vendor |
Pet trimmer | WAHL | 09962-2018 | |
Vaporiser for Isoflurane | Step | AS-01 | Local vendor |
Vibratome | Leica | VT1000S | |
Software | |||
Animal behavior video tracking software | Noldus | EthoVision | Version: 15.0.1416 |
Leica Application Suite X software | Leica | LASX | Version: 3.7.2.22383 |