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Neurociencias

자유롭게 움직이는 마우스에서 장 유래 미생물 대사 산물의 뇌실 내 전달

Published: June 02, 2022
doi:
10.3791/63972
, ,
1Institute of Basic Medical Sciences, College of Medicine,National Cheng Kung University, 2Department of Physiology, College of Medicine,National Cheng Kung University

Summary

장 유래 미생물 대사 산물은 동물에서 복잡한 행동으로 이어지는 다면적 효과가 있습니다. 우리는 가이드 캐뉼러를 통한 뇌실 내 전달을 통해 뇌에서 장 유래 미생물 대사 산물의 효과를 설명하는 단계별 방법을 제공하는 것을 목표로합니다.

Abstract

장내 미생물총과 그 대사 산물이 숙주 생리학 및 행동에 미치는 영향은 지난 10년 동안 광범위하게 조사되었습니다. 수많은 연구에 따르면 장내 미생물총에서 파생된 대사 산물은 숙주의 복잡한 장-뇌 경로를 통해 뇌 매개 생리 기능을 조절합니다. 단쇄 지방산(SCFA)은 장내 마이크로바이옴에 의해 식이 섬유 발효 중에 생성되는 주요 박테리아 유래 대사 산물입니다. 장에서 분비된 SCFA는 말초의 여러 부위에서 작용하여 SCFA 수용체의 광대한 분포로 인해 면역, 내분비 및 신경 반응에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 SCFA의 경구 및 복강 내 투여를 통해 SCFA의 중추 및 말초 효과를 구별하는 것은 어렵습니다. 이 논문은 자유롭게 움직이는 마우스에서 가이드 캐뉼러를 통해 뇌에서 SCFA의 기능적 역할을 조사하는 비디오 기반 방법을 제시합니다. 뇌에서 SCFA의 양과 유형은 주입량과 속도를 조절하여 조정할 수 있습니다. 이 방법은 과학자들에게 뇌에서 장 유래 대사 산물의 역할을 이해하는 방법을 제공 할 수 있습니다.

Introduction

인간의 위장관에는 숙주 1,2,3에 영향을 미치는 다양한 미생물이 있습니다. 이 장내 박테리아는 숙주 4,5가 소비하는식이 성분을 활용하는 동안 장 유래 대사 산물을 분비 할 수 있습니다. 흥미롭게도, 말초에서 대사되지 않은 장 대사 산물은 순환을 통해 다른 기관으로 운반 될 수 있습니다6. 참고로, 이러한 분비 된 대사 산물은 중추 신경계와 장7 사이의 양방향 통신으로 정의되는 장-뇌 축의 매개체 역할을 할 수 있습니다. 이전 연구에 따르면 장 유래 대사 산물은 동물의 복잡한 행동과 감정을 조절할 수 있습니다 8,9,10,11.

단쇄 지방산 (SCFA)은식이 섬유와 소화되지 않는 탄수화물의 발효 과정에서 장내 미생물에 의해 생성되는 주요 대사 산물입니다6. 아세테이트, 프로피오네이트 및 부티레이트는 장12에서 가장 풍부한 SCFA입니다. SCFA는 위장관에서 세포의 에너지 원 역할을합니다. 장에서 대사되지 않은 SCFA는 문맥을 통해 뇌로 운반되어 뇌와 행동을 조절할 수 있습니다 6,12. 이전 연구에서는 SCFA가 신경 정신 장애에서 중요한 역할을 할 수 있다고 제안했습니다 6,12. 예를 들어, 자폐 스펙트럼 장애(ASD)의 동물 모델인 BTBR T+ Itpr3tf/J(BTBR) 마우스에서 부티레이트를 복강 내 주사하여 사회적 결핍을 구제했습니다13. 우울증 피험자로부터 미생물총을 투여받은 항생제 처리된 쥐는 불안과 유사한 행동과 대변 SCFA의 증가를 보였다14. 임상 적으로, 대변 SCFA 수준의 변화는 일반적으로 발달하는 대조군15,16과 비교하여 ASD 환자에서 관찰되었습니다. 우울증이 있는 사람들은 건강한 피험자보다 대변 SCFA 수치가 낮습니다17,18. 이 연구는 SCFA가 다양한 경로를 통해 동물과 인간의 행동을 바꿀 수 있음을 시사했습니다.

미생물 대사 산물은 신체의 여러 부위에 다양한 효과를 발휘하여 위장관, 미주 신경 및 교감 신경을 포함한 숙주 생리학및 행동 4,19에 영향을 미칩니다. 말초 경로를 통해 대사 산물을 투여 할 때 뇌에서 장 유래 대사 산물의 정확한 역할을 정확히 찾아내는 것은 어렵습니다. 이 논문은 자유롭게 움직이는 마우스의 뇌에서 장 유래 대사 산물의 영향을 조사하기위한 비디오 기반 프로토콜을 제시합니다 (그림 1). 우리는 SCFA가 행동 테스트 중에 가이드 캐뉼러를 통해 급격하게 주어질 수 있음을 보여주었습니다. 대사 산물의 유형, 부피 및 주입 속도는 목적에 따라 변형 될 수 있습니다. 캐뉼라이제이션 부위는 특정 뇌 영역에서 장 대사 산물의 영향을 탐색하도록 조정할 수 있습니다. 우리는 과학자들에게 장 유래 미생물 대사 산물이 뇌와 행동에 미치는 잠재적 영향을 탐구 할 수있는 방법을 제공하는 것을 목표로합니다.

Protocol

모든 실험 프로토콜과 동물 관리는 국립 쳉쿵 대학교 (NCKU) 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)의 승인을 받았습니다. 1. 실험동물에 대한 준비 공급 업체로부터 6-8 주 된 야생형 C57BL / 6JNarl 수컷 마우스를 구하십시오. 표준 마우스 케이지에 마우스를 수용하고 표준 마우스 차우와 멸균 된 물을 자유롭게 만듭니다.참고: NCKU 실험실 동물 센?…

Representative Results

마우스를 가이드 캐뉼라 이식으로부터 회복된 지 1주일 후에 SCFA를 주입하여 신규한 케이지에서 운동 활성을 평가하였다. 마우스를 새로운 케이지에 넣고 뇌의 측면 심실에 이식 된 상업용 가이드 캐뉼라를 통해 처음 5 분 동안 2,100nL의 SCFA 또는 ACSF (7nL / s의 전달 속도)를 뇌에 주입했습니다. 새로운 케이지에서의 운동 활동은 주입 후 추가로 30 분 동안 기록되었습니다. SCFAs와 ACSF의 주입 사이의 신…

Discussion

장 유래 대사 산물은부분적으로 신체의 여러 결합 부위 6,12,24로 인해 많은 정확한 메커니즘없이 뇌 매개 질환과 관련이 있습니다. 이전 보고서에 따르면 SCFA는 G 단백질 결합 수용체, 후성 유전 조절자 및 신체의 여러 부위에서 에너지 생산 원을위한 리간드 역할을 할 수 있습니다 6,12</sup…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

우리는 동물을 돌보는 국립 쳉쿵 대학교 (NCKU)의 실험실 동물 센터 직원을 인정합니다. 이 작업은 CHENG-HSING 의료 재단의 Kun-Yen Huang 교수 교육 기금에서 C.-WL에 대한 장학금으로 지원되었습니다. 대만 과학 기술부 (MOST)의 기금 : (학부 연구 MOST 109-2813-C-006-095-B) TO T.-H.Y.; (대부분 107-2320-B-006-072-MY3; 109-2314-B-006-046; 110-2314-B-006-114; 110-2320-B-006-018-MY3)에서 W.-L.W.로; 그리고 고등 교육 새싹 프로젝트, 교육부에서 NCKU에서 W.-L.W까지의 대학 진흥 본부에

Materials

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
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Liou, C., Yao, T., Wu, W. Intracerebroventricular Delivery of Gut-Derived Microbial Metabolites in Freely Moving Mice. J. Vis. Exp. (184), e63972, doi:10.3791/63972 (2022).
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