למטבוליטים מיקרוביאליים שמקורם במעיים יש השפעות רבות פנים המובילות להתנהגות מורכבת אצל בעלי חיים. אנו שואפים לספק שיטה שלב אחר שלב כדי להגדיר את ההשפעות של מטבוליטים מיקרוביאליים שמקורם במעיים במוח באמצעות העברה תוך-חדרית באמצעות צינורית מנחה.
ההשפעה של מיקרוביוטה של המעיים והמטבוליטים שלהם על הפיזיולוגיה וההתנהגות של המארחים נחקרה בהרחבה בעשור זה. מחקרים רבים גילו כי מטבוליטים שמקורם במיקרוביוטה של המעיים מווסתים תפקודים פיזיולוגיים בתיווך המוח באמצעות מסלולים מורכבים בין המעי למוח אצל הפונדקאי. חומצות שומן קצרות שרשרת (SCFAs) הן המטבוליטים העיקריים שמקורם בחיידקים המיוצרים במהלך תסיסת סיבים תזונתיים על-ידי המיקרוביום של המעי. SCFAs מופרשים מהמעיים יכולים לפעול באתרים רבים בפריפריה, ולהשפיע על התגובה החיסונית, האנדוקרינית והעצבית עקב התפוצה העצומה של קולטני SCFAs. לכן, מאתגר להבדיל בין ההשפעות המרכזיות וההיקפיות של SCFAs באמצעות מתן פומי ותוך-צפקי של SCFAs. מאמר זה מציג שיטה מבוססת וידאו לחקור את התפקיד התפקודי של SCFAs במוח באמצעות צינורית מנחה בעכברים הנעים בחופשיות. ניתן להתאים את כמות וסוג ה-SCFAs במוח על ידי שליטה בנפח ובקצב העירוי. שיטה זו יכולה לספק למדענים דרך להעריך את תפקידם של מטבוליטים שמקורם במעיים במוח.
מערכת העיכול האנושית מכילה מיקרואורגניזמים מגוונים המשפיעים על המארח 1,2,3. חיידקי המעיים האלה יכולים להפריש מטבוליטים שמקורם במעיים במהלך השימוש שלהם ברכיבים תזונתיים הנצרכים על-ידי המארח 4,5. באופן מעניין, מטבוליטים של המעיים שאינם מטבוליסטים בפריפריה יכולים להיות מועברים לאיברים אחרים דרך מחזור6. שימו לב שהמטבוליטים המופרשים האלה יכולים לשמש כמתווכים לציר המעי-מוח, המוגדר כתקשורת דו-כיוונית בין מערכת העצבים המרכזית למעי7. מחקרים קודמים הראו כי מטבוליטים שמקורם במעיים יכולים לווסת התנהגות ורגש מורכבים אצל בעלי חיים 8,9,10,11.
חומצות שומן קצרות שרשרת (SCFAs) הן המטבוליטים העיקריים המיוצרים על-ידי מיקרוביוטה של המעיים במהלך תסיסה של סיבים תזונתיים ופחמימות בלתי ניתנות לעיכול6. אצטט, פרופיונאט ובוטיראט הם ה-SCFAs הנפוצים ביותר במעיים12. SCFAs משמשים כמקור אנרגיה לתאים במערכת העיכול. SCFAs לא מטבוליים במעיים יכולים להיות מועברים למוח דרך וריד הפורטל, ובכך לווסת את המוח ואת ההתנהגות 6,12. מחקרים קודמים הציעו כי SCFAs עשויים למלא תפקיד קריטי בהפרעות נוירופסיכיאטריות 6,12. לדוגמה, הזרקה תוך-צפקית של בוטיראט בעכברי BTBR T+ Itpr3tf/J (BTBR), מודל חייתי של הפרעת ספקטרום האוטיזם (ASD), הצילה את הגירעונות החברתיים שלהם13. חולדות שטופלו באנטיביוטיקה וקיבלו מיקרוביוטה מנבדקים דיכאוניים הראו עלייה בהתנהגויות דמויות חרדה וב-SCFAs צואתיים14. מבחינה קלינית, שינויים ברמות SCFAs בצואה נצפו אצל אנשים עם ASD בהשוואה לקבוצת הביקורתהמתפתחת בדרך כלל 15,16. לאנשים עם דיכאון יש רמות נמוכות יותר של SCFAs בצואה מאשרלנבדקים בריאים 17,18. מחקרים אלה הציעו כי SCFAs יכולים לשנות התנהגות אצל בעלי חיים ובני אדם באמצעות מסלולים שונים.
מטבוליטים מיקרוביאליים מפעילים השפעות מגוונות על אתרים רבים בגוף, ומשפיעים על הפיזיולוגיה וההתנהגויות של המארח 4,19, כולל מערכת העיכול, עצב הוואגוס והעצב הסימפתטי. קשה להצביע על התפקיד המדויק של מטבוליטים שמקורם במעיים במוח בעת מתן המטבוליטים דרך נתיבים היקפיים. המאמר הזה מציג פרוטוקול מבוסס וידאו כדי לחקור את ההשפעות של מטבוליטים שמקורם במעיים במוחו של עכבר שנע בחופשיות (איור 1). הראינו כי ניתן לתת SCFAs באופן חריף דרך צינורית המדריך במהלך מבחנים התנהגותיים. ניתן לשנות את הסוג, הנפח וקצב העירוי של מטבוליטים בהתאם למטרה. ניתן לכוונן את אתר הקנוליזציה כדי לחקור את ההשפעה של מטבוליטים במעיים באזור מסוים במוח. אנו שואפים לספק למדענים שיטה לחקור את ההשפעה הפוטנציאלית של מטבוליטים מיקרוביאליים שמקורם במעיים על המוח ועל ההתנהגות.
מטבוליטים שמקורם במעיים נקשרו למחלות המתווכות על ידי המוח ללא מנגנון מדויק רב, בין היתר בשל אתרי הקשירה המרובים שלהם בגוף 6,12,24. דיווחים קודמים הצביעו על כך ש-SCFAs יכולים לשמש כליגנדים לקולטנים מצומדים לחלבון G, לווסתים אפיגנטיים ולמקורות ל?…
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים לצוות מרכז חיות המעבדה באוניברסיטת נשיונל צ’נג קונג (NCKU) על הטיפול בבעלי החיים. עבודה זו נתמכה על ידי מלגה מקרן החינוך של פרופ’ קון-ין הואנג מקרן צ’נג-סינג לרפואה ל- C.-W.L.; הכספים ממשרד המדע והטכנולוגיה (MOST) בטייוואן: (מחקר לתואר ראשון MOST 109-2813-C-006-095-B) ל- T.-H.Y.; (רוב 107-2320-B-006-072-MY3; 109-2314-B-006-046; 110-2314-B-006-114; 110-2320-B-006-018-MY3) ל W.-L.W.; ופרויקט נבטי ההשכלה הגבוהה, משרד החינוך למטה קידום האוניברסיטה ב- NCKU ל- 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 |