Nature(IF 69.504)16S+代謝+轉(zhuǎn)錄揭示間歇性禁食促進(jìn)神經(jīng)損傷的修復(fù)

哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)損傷后，神經(jīng)元的再生能力因軸突再生緩慢而受到嚴(yán)重影響。已有研究表明，通過間歇性禁食（IF）可激活與突觸再生促進(jìn)相關(guān)的信號通路，包括基因轉(zhuǎn)錄、蛋白合成、線粒體代謝等，然而間歇性禁食是否能影響軸突的再生能力仍有待研究。

2022年6月22日，英國倫敦帝國理工學(xué)院腦科學(xué)系的Serger團(tuán)隊(duì)在Nature (IF 69.5042)雜志上發(fā)表題為“The gut metabolite indole-3 propionate promotes nerve regeneration and repair”的研究，通過建立小鼠坐骨損傷模型，運(yùn)用非靶代謝+靶向代謝聯(lián)合探究發(fā)現(xiàn)，間歇性禁食（IF）可引起血清中吲哚-3-丙酸（IPA）代謝物的升高，進(jìn)而促進(jìn)神經(jīng)的再生與修復(fù)。作者同時(shí)通過16S rDNA測序及糞便移植實(shí)驗(yàn)證明在促神經(jīng)再生時(shí)，起關(guān)鍵作用的微生物是革蘭氏陽性菌。轉(zhuǎn)錄組測序和抗體實(shí)驗(yàn)揭示IPA可通過中性粒細(xì)胞趨化作用參與神經(jīng)再生。

 

2. 鎖定菌群：IF依賴性軸突再生需要革蘭氏陽性菌

有研究表明萬古霉素可用于治療細(xì)菌感染。作者從IF組收集糞便移植到AL組，并加入萬古霉素處理。通過對四組小鼠損傷及恢復(fù)后的坐骨神經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)萬古霉素會消除IF對軸突再生的促進(jìn)作用。通過靶向代謝分析血清樣本，IPA與萬古霉素有最顯著的相關(guān)性，且萬古霉素可以抑制IPA的增加。
 

圖2 IF通過腸道革蘭氏陽性菌群產(chǎn)生IPA促進(jìn)軸突再生

 

3.  關(guān)鍵功能菌群探索：萬古霉素顯著降低了細(xì)菌多樣性

對四組小鼠盲腸進(jìn)行16S rDNA擴(kuò)增子測序，驗(yàn)證萬古霉素對不同處理組中菌群的影響。結(jié)果顯示萬古霉素顯著降低了細(xì)菌多樣性，擬桿菌和厚壁菌在萬古霉素的影響下豐度顯著降低，在IF干預(yù)后增加。IF干預(yù)后豐度增加最多的五種細(xì)菌也屬于梭狀芽孢桿菌目，這證實(shí)萬古霉素治療會影響依賴性通路。
 

圖3 萬古霉素和IF會影響微生物變化

 

4.  菌群代謝物功能分析：IPA促進(jìn)坐骨神經(jīng)損傷后DRG神經(jīng)元軸突再生

為研究軸突再生是否與由腸道微生物合成IPA相關(guān)，在萬古霉素去除小鼠腸道內(nèi)的革蘭氏陽性菌后，用不能產(chǎn)生IPA的C.s. fldC菌株和C.s. WT菌株侵染腸道，并在坐骨神經(jīng)損傷后72小時(shí)檢測軸突再生情況。結(jié)果證明C.s. fldC菌株組小鼠軸突再生顯著減少，且通過每日灌胃20mg kg-1 IPA可顯著增加小鼠坐骨神經(jīng)的軸突再生，表明血清IPA可能分別通過神經(jīng)元內(nèi)源性或神經(jīng)元外源性機(jī)制直接或間接影響背根神經(jīng)節(jié)（DRG）的神經(jīng)元生長。當(dāng)損傷后添加IPA時(shí)，免疫標(biāo)記物SCG-10和右旋糖酐的表達(dá)分布證明了軸突再生。
 

圖4 IPA促進(jìn)坐骨神經(jīng)損傷后DRG神經(jīng)元軸突再生

 

5.  菌群代謝物治療效果探索：IPA治療影響DRG基因表達(dá)程序和中性粒細(xì)胞數(shù)量

對健康小鼠DRG、接受IPA灌胃10天的小鼠坐骨神經(jīng)損傷后72小時(shí)、3天兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的DRG，以及對PBS口服灌胃小鼠DRG，進(jìn)行RNA測序分析和抗體實(shí)驗(yàn)。結(jié)果證明，IPA可能通過CXCR2介導(dǎo)促進(jìn)中性粒細(xì)胞數(shù)量變化，但這種變化僅發(fā)生在DRG區(qū)域，未發(fā)生在損傷區(qū)域。
 

圖5 IPA治療改變DRG基因表達(dá)并增加中性粒細(xì)胞數(shù)量

 

6.  菌群代謝物治療效果探索：IPA促進(jìn)修復(fù)和皮膚神經(jīng)支配

為了探究IPA是否可以加快損傷修復(fù)，通過熱刺激反應(yīng)和機(jī)械疼痛反應(yīng)來評估生理感受功能的恢復(fù)。結(jié)果表明IPA處理的小鼠從熱傷害中恢復(fù)得更快，即可通過改善表皮神經(jīng)分布而誘導(dǎo)感覺恢復(fù)，但不會引起神經(jīng)病理性疼痛。

圖6 IPA加快損傷修復(fù)且影響神經(jīng)支配

 小編小結(jié)

本研究通過建立小鼠坐骨損傷模型，采用不同飲食方法干預(yù)，并用抗生素進(jìn)行干擾驗(yàn)證。采用代謝組學(xué)+16S+轉(zhuǎn)錄組測序的多組學(xué)聯(lián)合模式，表明了一種依賴于間歇性禁食調(diào)控微生物菌群，進(jìn)而產(chǎn)生IPA代謝物變化的神經(jīng)再生機(jī)制。該研究為神經(jīng)損傷、促進(jìn)軸突再生和增強(qiáng)神經(jīng)恢復(fù)提供新的治療策略。