啮齿类柠檬酸杆菌感染损害多巴胺代谢并加剧小鼠帕金森病病理

Citrobacter rodentium infection impairs dopamine metabolism and exacerbates the pathology of Parkinson's disease in mice

作者信息Yongtao He, Jiayin Zhao, Yuanyuan Ma, Xin Yan, Yufei Duan, Xiaoshuang Zhang, Hongtian Dong, Rong Fang, Yunhe Zhang, Qing Li, Ping Yang, Mei Yu, Jian Fei, Fang Huang
PMID38849869
发布时间2024-06-07
DOI10.1186/s12974-024-03145-0

实验完整度

高

包括肠道炎症模型、行为学测试、免疫组化、蛋白免疫印迹、HPLC检测、微生物组测序等多层级验证,涵盖体内模型、功能验证和机制探索。

主要模型

C57BL/6J小鼠 MPTP诱导的帕金森病小鼠模型 啮齿类柠檬酸杆菌感染的结肠炎模型

重点核对

C.R感染剂量:4×10^8 CFU/200 μL灌胃 MPTP给药剂量:单次40 mg/kg腹腔注射 MPTP给药时间:C.R感染后6天 行为学测试时间:MPTP给药后3天 样本量:每组7-12只小鼠

摘要

帕金森病(PD)是一种常见的神经退行性疾病,病因不明,病理生理学定义不清。肠道炎症参与PD的发病机制,但其潜在机制尚未完全明了。啮齿类柠檬酸杆菌(C.R)是一种革兰氏阴性菌,可用于在小鼠中诱导人类炎症性肠病。在此,我们研究了C.R感染引起的促炎效应是否启动PD样损伤和/或加剧PD病理,并深入探讨了其潜在机制。小鼠经口灌胃一次C.R,并在感染后9天监测多种病理特征。结果表明,C.R给药诱导小鼠出现IBD样症状,包括显著体重下降、粪便含水量增加、肠道屏障受损、肠道通透性增加和炎症,以及肠道微生物群紊乱。值得注意的是,C.R感染改变了雄性和雌性小鼠大脑中的多巴胺(DA)代谢。随后,在感染后6天给予单次高剂量MPTP或生理盐水。MPTP给药后3天,收集粪便进行16S rRNA分析,并系统分析PD样表型和机制。与单独C.R或MPTP注射相比,C.R和MPTP联合注射恶化了行为表现。此外,这种联合处理在小鼠的黑质纹状体通路中引发了更严重的多巴胺能变性和胶质细胞过度活化。机制上,C.R和MPTP联合处理增加了结肠和纹状体中TLR4和NF-κB p65的表达,并上调了促炎细胞因子的表达。因此,C.R感染诱导的肠道炎症可损害多巴胺代谢并加剧PD病理过程。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
C.R感染诱导的肠道炎症是否损害多巴胺代谢并加剧MPTP诱导的帕金森病小鼠的病理过程?其潜在机制是什么?
核心机制
C.R感染引起的肠道炎症通过激活TLR4-NF-κB信号通路,加重神经炎症,损害多巴胺代谢,加剧帕金森病病理。
主要证据
行为学测试显示联合处理组运动功能障碍加重;免疫组化和蛋白印迹显示多巴胺能神经元丢失增加,胶质细胞活化增强;HPLC显示多巴胺及其代谢物改变;16S rRNA测序显示肠道菌群失调;蛋白印迹和免疫荧光显示TLR4和NF-κB p65表达上调。
研究意义
本研究阐明C.R感染影响PD的机制,即感染诱导的微生物失衡扰乱多巴胺代谢,且IBD样症状加剧MPTP诱导的PD病理,表明C.R感染诱导的IBD样模型是研究肠道炎症与PD关系的理想模型。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

C.R感染模型建立与验证

建立并验证C.R感染诱导的肠道炎症模型。

小鼠经口灌胃C.R(4×10^8 CFU),在感染后第9天评估体重、粪便含水量、肠道传输距离、结肠长度、肠道通透性、组织病理和炎症因子表达。

2

肠道微生物群分析

评估C.R感染对肠道微生物群多样性和组成的影响。

收集粪便样本,提取DNA,扩增16S rRNA V3-V4区域,进行Illumina MiSeq测序,分析α多样性和β多样性,并比较各分类水平的相对丰度。

3

短链脂肪酸和神经递质代谢检测

检测C.R感染对肠道短链脂肪酸和纹状体神经递质代谢的影响。

采用HPLC检测粪便中乙酸、丙酸和丁酸浓度,以及纹状体中DA、DOPAC、HVA、5-HT和5-HIAA水平。

4

MPTP诱导的PD模型建立与行为学评估

建立MPTP诱导的PD小鼠模型,并评估C.R感染对MPTP引起的运动功能障碍的影响。

在C.R感染后6天,腹腔注射MPTP(40 mg/kg)或生理盐水,3天后进行行为学测试(杆测试、旋转杆测试、钢丝悬挂测试、旷场测试、站立测试)。

5

多巴胺能神经元和胶质细胞病理评估

评估C.R感染对MPTP诱导的多巴胺能神经元变性和胶质细胞活化的影响。

通过免疫组化、免疫荧光、Western blotting和体视学计数检测黑质和纹状体中TH阳性神经元、Iba1阳性小胶质细胞和GFAP阳性星形胶质细胞的变化。

6

TLR4信号通路分析

探究C.R感染对TLR4-NF-κB信号通路的影响。

通过qPCR、Western blotting和免疫荧光检测结肠和纹状体中TLR4、NF-κB p65及其磷酸化水平。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
麦康凯琼脂平板Solarbio life sciencesLA8200
LB肉汤----
1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶Sigma-AldrichM0896
FITC-葡聚糖Sigma-AldrichFD4
活性炭Sigma-Aldrich934674
阿拉伯胶Sigma-AldrichG9752
小鼠IL-6 ELISA试剂盒NeobioscienceEMC004.96
钙卫蛋白ELISA试剂盒KeboruiKBR-hlk7175
RIPA裂解液Thermo Fisher ScientificP0013B
蛋白酶和磷酸酶抑制剂Thermo Fisher Scientific78425
BCA蛋白定量试剂盒Thermo Fisher Scientific23227
IRDye 800CW山羊抗小鼠IgGLI-COR92632210
IRDye 800CW山羊抗兔IgGLI-COR92632211
小鼠抗TH抗体Sigma-AldrichT2928
兔抗GFAP抗体Proteintech16825-1-AP
兔抗Iba1抗体Abcamab178846
兔抗COX2抗体Abcamab179800
小鼠抗β-actin抗体Santa Cruzsc-47778
兔抗DAT抗体Abcamab184451
兔抗MAOA抗体Abcamab12675
兔抗MAOB抗体Proteintech12602-1-AP
小鼠抗TLR4抗体Santa Cruzsc-293072
小鼠抗NF-κB p65抗体Abcamab32536
兔抗磷酸化NF-κB p65 (Ser536)抗体Cell Signaling Technology93H1
异硫氰酸荧光素-葡聚糖Sigma-AldrichFD4
Alexa Fluor 488偶联二抗InvitrogenA-11008
Alexa Fluor 594偶联二抗InvitrogenA-11012
Cy3偶联二抗InvitrogenA10522
生物素化山羊抗兔IgGVector LaboratoriesPK-6101
生物素化山羊抗小鼠IgGVector LaboratoriesPK-6102
DAB底物试剂盒Vector LaboratoriesSK-4100
小鼠抗TH抗体Sigma-AldrichT2928
兔抗GFAP抗体Proteintech16825-1-AP
兔抗Iba1抗体Abcamab178846
兔抗C3抗体Abcamab200999
大鼠抗CD16/32抗体BD Pharmingen553142
兔抗ZO-1抗体Santa Cruzsc-33725
兔抗Occludin抗体Santa Cruzsc-133256
兔抗Claudin 1抗体Santa Cruzsc-166338
小鼠抗TLR4抗体Santa Cruzsc-293072
TRIzol RNA提取试剂TiangenDP424
高效cDNA反转录试剂盒TiangenKR116
SYBR Green荧光染料CWBIOCW3008M
QuantStudio 3实时荧光定量PCR仪Applied Biosystems--
Acclaim 120 C18色谱柱Thermo Fisher Scientific--
高效液相色谱系统ESA--
电化学检测器ESA5014B
QIAamp快速粪便DNA迷你试剂盒QIAGEN--
Equalbit双链DNA高灵敏度检测试剂盒----
Illumina MiSeq测序平台Illumina--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
C.R感染
C.R菌株(DBS770,氯霉素抗性)、感染剂量(4×10^8 CFU/200 μL)、灌胃前禁食8-12小时、感染后监测天数
阅读提示:参见Materials and Methods中的Bacterial culture and infection of mice部分。
MPTP处理
MPTP剂量(40 mg/kg,单次腹腔注射)、注射时间(C.R感染后6天)、溶剂(0.9%生理盐水)、浓度(5 mg/mL)
阅读提示:参见Materials and Methods中的Establishment of Parkinson’s disease mouse model部分。
行为学测试
测试时间(MPTP后3天)、测试项目(杆测试、旋转杆测试、钢丝悬挂测试、旷场测试、站立测试)、具体参数(如旋转杆转速32 rpm,测试时间300秒等)
阅读提示:参见Materials and Methods中的Behavioral tests部分。
神经递质检测
纹状体组织样本、HPLC条件(C18柱、电化学检测)、检测时间点(9、15、21、30天)
阅读提示:参见Materials and Methods中的Measurement of neurotransmitters and SCFAs by high-performance liquid chromatography (HPLC)部分。
肠道微生物组分析
粪便样本收集时间点、DNA提取方法、16S rRNA V3-V4区域扩增、测序平台(Illumina MiSeq)、生物信息学分析(QIIME等)
阅读提示:参见Materials and Methods中的Gut microbe 16 S rRNA sequencing and data analysis部分。