Bağırsak kaynaklı mikrobiyal metabolitler, hayvanlarda karmaşık davranışlara yol açan çok yönlü etkilere sahiptir. Bağırsak kaynaklı mikrobiyal metabolitlerin beyindeki etkilerini bir rehber kanül aracılığıyla intraserebroventriküler yolla tanımlamak için adım adım bir yöntem sunmayı amaçlıyoruz.
Bağırsak mikrobiyotasının ve metabolitlerinin konakçı fizyolojisi ve davranışı üzerindeki etkisi bu on yılda kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Çok sayıda çalışma, bağırsak mikrobiyotasından türetilmiş metabolitlerin, konakçıdaki karmaşık bağırsak-beyin yolları aracılığıyla beyin aracılı fizyolojik fonksiyonları modüle ettiğini ortaya koymuştur. Kısa zincirli yağ asitleri (SCFA’lar), bağırsak mikrobiyomu tarafından diyet lifi fermantasyonu sırasında üretilen başlıca bakteri kaynaklı metabolitlerdir. Bağırsaktan salgılanan SCFA’lar, SCFA reseptörlerinin geniş dağılımı nedeniyle bağışıklık, endokrin ve nöral yanıtları etkileyerek, periferdeki birden fazla bölgede hareket edebilir. Bu nedenle, SCFA’ların oral ve intraperitoneal uygulaması yoluyla SCFA’ların merkezi ve periferik etkilerini ayırt etmek zordur. Bu makale, SCFA’ların beyindeki işlevsel rolünü, serbestçe hareket eden farelerde bir rehber kanül aracılığıyla sorgulamak için video tabanlı bir yöntem sunmaktadır. Beyindeki SCFA’ların miktarı ve türü, infüzyon hacmi ve hızı kontrol edilerek ayarlanabilir. Bu yöntem, bilim insanlarına bağırsaktan türetilmiş metabolitlerin beyindeki rolünü takdir etmenin bir yolunu sağlayabilir.
İnsan gastrointestinal sistemi, konakçıyı etkileyen çeşitli mikroorganizmaları barındırır 1,2,3. Bu bağırsak bakterileri, konakçıtarafından tüketilen diyet bileşenlerinin kullanımı sırasında bağırsak kaynaklı metabolitleri salgılayabilir 4,5. İlginçtir ki, çevrede metabolize edilmeyen bağırsak metabolitleri, dolaşım yoluyla diğer organlarataşınabilir6. Not olarak, bu salgılanan metabolitler, merkezi sinir sistemi ile bağırsak arasındaki çift yönlü iletişim olarak tanımlanan bağırsak-beyin ekseni için aracılar olarak hizmet edebilir7. Önceki çalışmalar, bağırsak kaynaklı metabolitlerin hayvanlarda karmaşık davranış ve duyguları modüle edebileceğini göstermiştir 8,9,10,11.
Kısa zincirli yağ asitleri (SCFA’lar), diyet lifi ve sindirilemeyen karbonhidratların fermantasyonu sırasında bağırsak mikrobiyotası tarafından üretilen ana metabolitlerdir6. Asetat, propiyonat ve bütirat, bağırsaktaki en bol SCFA’lardır12. SCFA’lar gastrointestinal sistemdeki hücreler için enerji kaynağı görevi görür. Bağırsaktaki metabolize edilmemiş SCFA’lar portal ven yoluyla beyne taşınabilir, böylece beyin ve davranışmodüle edilir 6,12. Önceki çalışmalar, SCFA’ların nöropsikiyatrik bozukluklarda kritik bir rol oynayabileceğini öne sürmüştür 6,12. Örneğin, otizm spektrum bozukluğunun (ASD) bir hayvan modeli olan BTBR T + Itpr3tf / J (BTBR) farelerinde intraperitoneal bütirat enjeksiyonu, sosyal eksikliklerini kurtardı13. Depresif deneklerden mikrobiyota alan antibiyotik tedavisi görmüş sıçanlar, anksiyete benzeri davranışlarda ve dışkı SCFA’larında bir artış göstermiştir14. Klinik olarak, OSB’li kişilerde fekal SCFA düzeylerindeki değişiklikler, tipik olarak gelişmekte olan kontrollere kıyaslagözlenmiştir 15,16. Depresyonu olan kişiler, sağlıklı deneklerden daha düşük dışkı SCFA seviyelerine sahiptir17,18. Bu çalışmalar, SCFA’ların hayvanlardaki ve insanlardaki davranışları çeşitli yollarla değiştirebileceğini öne sürdü.
Mikrobiyal metabolitler, gastrointestinal sistem, vagus siniri ve sempatik sinir dahil olmak üzere konakçı fizyolojisini ve davranışlarını 4,19 etkileyerek vücudun birçok bölgesi üzerinde çeşitli etkiler gösterir. Metabolitleri periferik yollarla uygularken bağırsaktan türetilmiş metabolitlerin beyindeki kesin rolünü belirlemek zordur. Bu makale, serbestçe hareket eden bir farenin beynindeki bağırsak kaynaklı metabolitlerin etkilerini araştırmak için video tabanlı bir protokol sunmaktadır (Şekil 1). SCFA’ların davranış testleri sırasında rehber kanül yoluyla akut olarak verilebileceğini gösterdik. Metabolitlerin tipi, hacmi ve infüzyon hızı amaca bağlı olarak değiştirilebilir. Kanülizasyon bölgesi, bağırsak metabolitlerinin belirli bir beyin bölgesindeki etkisini araştırmak için ayarlanabilir. Bilim insanlarına, bağırsaktan türetilmiş mikrobiyal metabolitlerin beyin ve davranış üzerindeki potansiyel etkisini araştırmak için bir yöntem sunmayı amaçlıyoruz.
Bağırsak kaynaklı metabolitler, kısmen vücuttaki çoklu bağlanma bölgelerinden dolayı, çok kesin bir mekanizma olmadan, beyin aracılı hastalıklarla ilişkilendirilmiştir 6,12,24. Önceki raporlar, SCFA’ların G proteinine bağlı reseptörler, epigenetik düzenleyiciler ve vücudun birden fazla bölgesinde enerji üretimi için kaynaklar için ligandlar olarak hizmet edebileceğini gösterdi …
The authors have nothing to disclose.
Ulusal Cheng Kung Üniversitesi’ndeki (NCKU) Laboratuvar Hayvanları Merkezi personeline hayvanlara baktıkları için teşekkür ederiz. Bu çalışma, CHENG-HSING Tıp Vakfı’nın Prof. Kun-Yen Huang Eğitim Fonu’ndan C.-W.L.’ye verilen bursla desteklenmiştir; Tayvan’daki Bilim ve Teknoloji Bakanlığı’ndan (MOST) gelen fonlar: (Lisans Araştırması MOST 109-2813-C-006-095-B) T.-H.Y.’ye; (ÇOĞU 107-2320-B-006-072-MY3; 109-2314-B-006-046; 110-2314-B-006-114; 110-2320-B-006-018-MY3) W.-L.W.’ye; ve Yüksek Öğrenim Filizi Projesi, Eğitim Bakanlığı’ndan NCKU’daki Üniversite İlerleme Merkezi’ne W.-L.W.’ye
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 |