客户案例 | 又双叒是UDCA!胆汁酸谱技术助力中国农业大学团队在猪肠道研究中取得新突破!-国内聚焦-资讯-生物在线

客户案例 | 又双叒是UDCA!胆汁酸谱技术助力中国农业大学团队在猪肠道研究中取得新突破!

作者:麦特绘谱生物科技(上海)有限公司 2023-06-01T16:24 (访问量:7998)

在生猪养殖过程中,宫内生长受限(IUGR)会导致仔猪低出生体重(LBW)以及继发的哺乳期高死亡率和全期低生长性能,此前有研究表明,IUGR导致的仔猪LBW与出生后肠道炎症状态密切相关。然而,关于LBW导致肠道炎症发生发展的分子机制尚不清楚。

2023年1月,中国农业大学王军军教授与团队在Microbiome(IF=16.874)期刊在线发表题为“Gut microbiota-derived ursodeoxycholic acid alleviates low birth weight‑induced colonic inflammation by enhancing M2 macrophage polarization”的论文,该研究综合运用胆汁酸谱靶向定量代谢组和微生物组学技术、粪菌移植和巨噬细胞清除等研究方法,揭示了一种胆汁酸(BAs)—熊脱氧胆酸(UDCA)通过与BAs受体法尼醇受体(FXR)结合、抑制巨噬细胞中NF-κB信号通路的活化,从而减少肠道炎性细胞因子的产生,以缓解IUGR猪肠道损伤的分子机制(麦特绘谱提供胆汁酸谱靶向定量检测分析服务)

1. 胆汁酸谱分析

收集出生后第2天正常体重仔猪(NBW)和LBW仔猪粪便样本进行胆汁酸谱靶向定量分析,结果显示NBW组中大部分BAs(75%)浓度高于LBW组,其中以猪胆酸(HCA)、猪去氧胆酸(HDCA)和UDCA为仔猪粪便主要BAs。与NBW组相比,LBW组初级、次级和总BAs浓度显著降低,主要有UDCA、HDCA、HCA、CDCA、7-Keto LCA和βUDCA。

图1. LBW与NBW仔猪粪便胆汁酸代谢差异分析

2. 粪菌移植试验(FMT)

用LBW仔猪和NBW仔猪的粪便制备粪菌,移植到无菌小鼠体内。24天后显示,与NBW-FMT小鼠相比,LBW-FMT小鼠体重显著降低,结肠炎症因子(IL-1β和TNF-α)的表达显著上调,粘蛋白-2 (MUC2)和BA受体(FXR)的表达显著下调。随后分别对两组仔猪的粪便和两组小鼠结肠内容物进行16S rRNA分析,结果显示两组仔猪之间菌群结构存在显著差异,两组FMT小鼠亦然。属水平上,LBW仔猪的Bacteroides, LactobacillusVeillonella丰度较高,Escherichia-Shigella, Clostridium sensu stricto 2Enterococcus丰度较低;而LBW-FMT小鼠LactobacillusEnterorhabdus丰度较高,AkkermansiaBacteroides丰度较低。这表明,FMT后小鼠肠道菌群模式与供体仔猪不同,提示微生物功能可能是引起LBW仔猪肠道炎症的关键因素

图2. FMT对肠道微生物组成和肠道健康的影响

功能分析显示,LBW仔猪的初级BA合成和次级BA合成功能发生改变。与NBW相比,LBW仔猪携带7α-羟基甾体脱氢酶(7α-HSDH)基因的细菌显著减少,而BA 7-去羟基化(baiJ)活性细菌显著增加。携带7α-HSDH基因的细菌丰度在LBW-FMT小鼠中也显著降低。此外,LBW仔猪中所有参与CDCA合成UDCA的BAs和微生物酶都显著减少。

上述结果说明LBW仔猪微生物胆汁酸代谢发生显著变化。进一步分析FMT小鼠胆汁酸谱,结果与仔猪相似,LBW-FMT组初级、次级和总BAs浓度显著降低,主要有UDCA、HCA和12-DHCA。此外,7α-HSDH和7β-HSDH的基因拷贝数与结肠中UDCA浓度显著相关,炎症因子(IL-1β和TNF-α)的表达水平与结肠中UDCA浓度呈负相关。因此,LBW仔猪的表型可通过种间FMT进行再现,且LBW仔猪的BA代谢和肠道炎症均与肠道微生物组有关。

图3. LBW与NBW两组分别FMT小鼠胆汁酸谱分析

3. UDCA的体内功能分析

基于上述发现,研究人员进一步探究UDCA是否会直接预防肠道炎症和肠屏障功能障碍。给DSS诱导的结肠炎小鼠模型口服UDCA,分析发现,UDCA处理显著改善DSS诱导的结肠炎(检测指标:小鼠体重、疾病活动指数评分、结肠长度、髓过氧物酶MPO以及炎症细胞浸润、上皮层破坏、杯状细胞数量、促炎细胞因子表达、BA受体FXR和TGR5的表达)。

随后,研究人员利用LBW仔猪验证添加UDCA是否有相似作用。给新生LBW仔猪口服UDCA 7天(50 mg/kg/d),结果显示,第8天的体重显著高于对照组,并且UDCA明显改善了粘膜上皮的完整性,增加了结肠中组织学评分显著降低的杯状细胞的频率,促炎因子(IL-1β和TNF-α)表达水平降低。提示UDCA可能具有改善LBW仔猪肠道健康和产后发育的临床实用价值

图4. 口服UDCA减轻LBW仔猪结肠炎症

4. UDCA作用机制探究

由于巨噬细胞在结肠炎的发生发展中非常关键,研究人员随后评估巨噬细胞在UDCA介导的结肠炎和肠道炎症缓解中的作用。给小鼠DSS处理的小鼠(添加或不添加UDCA)腹腔注射含氯膦酸脂质体,巨噬细胞消失(如下图)。分析发现,巨噬细胞的耗竭消除了UDCA对DSS诱导的结肠炎的缓解以及UDCA介导的DSS处理小鼠结肠中IL-1β和TNF-α的抑制。进一步利用LBW-FMT小鼠得到了证实,即UDCA在结肠中发挥抗炎作用主要是受巨噬细胞的调控。对巨噬细胞极化分析显示,DSS处理导致MI巨噬细胞(炎性)百分比增加,M2巨噬细胞(抗炎)减少,而UDCA给药逆转了这一趋势。这表明UDCA至少部分通过调节巨噬细胞极化发挥抗炎作用

图5. 巨噬细胞耗竭对UDCA介导的DSS引起的小鼠肠道炎症缓解的影响

NF-κB和MAPK信号通路是促炎细胞因子产生的关键通路。DSS处理的小鼠结肠中检测发现UDCA在NF-κB和MAPK通路激活中的作用。UDCA处理后p65 NF-κB磷酸化显著降低,而在DSS或UDCA处理中,未观察到MAPK (p38, JNK和ERK)信号通路的显著差异。进一步转录组学分析显示,在LPS刺激的J774A.1细胞中,UDCA导致1948个基因显著上调,2099个基因显著下调,包括TNF信号通路、细胞因子受体相互作用、toll样受体信号通路和NF-κB信号通路在内的多条差异通路下调。

另外,FXR和TGR5如何介导UDCA的抗炎反应呢?分析发现,LPS处理的J774A.1细胞中,UDCA诱导了FXR,增加了FXR的蛋白表达。通过FXR siRNA干扰后,FXR表达明显下调;LPS诱导的NF-κB p65磷酸化被UDCA抑制;而使用FXR特异性siRNA敲除FXR部分消除了这种抑制作用。此外,FXR的下调也部分逆转了UDCA介导的IL-1β表达的抑制,并完全恢复了TNF-α的表达。这些结果表明,FXR参与了UDCA介导的LPS诱导的NF-κB激活和促炎细胞因子产生的抑制

图6. FXR参与UDCA介导的LPS处理的J774A.1细胞抗炎作用

小结

本研究建立了LBW仔猪肠道炎症与肠道微生态失调,尤其是胆汁酸代谢异常之间的因果关系,并从巨噬细胞分型调控的角度揭示了关键胆汁酸UDCA的作用机制,为通过靶向肠道微生物和胆汁酸代谢调控改善LBW新生仔猪发育和肠道健康进行营养干预措施提供了理论依据。

参考文献

Pi et al., Gut microbiota-derived ursodeoxycholic acid alleviates low birth weigh-induced colonic inflammation by enhancing M2 macrophage Polarization. Microbiome. 2023.

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本研究粪便胆汁酸靶向定量代谢组由麦特绘谱提供检测服务。胆汁酸作为一类具有特殊生理作用的小分子,近年来被证实参与机体糖类、脂肪代谢等重要的生理生化过程,并在多种疾病的发生发展中起重要作用。针对胆汁酸谱,麦特绘谱拥有两套绝对定量检测方法:胆汁酸简谱和65+种胆汁酸全谱。目前已协助客户在Cell Metabolism, Diabetes Care, Nature Communications, Advanced Science, Science Advances, Microbiome等国际学术期刊发表40余篇胆汁酸相关研究成果,平均IF>9。

麦特绘谱专注于代谢组学与转化医学疾病研究领域,拥有成熟的代谢组学检测平台,以全定量靶向代谢组学技术为核心,包括全球独有技术Q1000,Q500、Q300、Q200和各类小分子代谢物单独检测方法共20+系列,兼顾非靶和广靶。同时还有菌群16S测序、宏基因组学、转录组学和蛋白质组学等多组学及联合分析等全套解决方案。独家的检测技术、全面的数据报告及专业科研级别的售后探讨,助您科研探索之路不断创新和突破。欢迎联系获取详细资料!

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