Mol Neurobiol︱哈尔滨医科大学李文志/曾宪章发现1型糖尿病小鼠肠道菌群影响小胶质细胞加重缺血性脑损伤的新机制

学术   2024-10-08 00:00   上海  

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末


撰文曾宪章,李文志

责编︱王思珍


糖尿病是缺血性脑卒中和脑卒中复发的主要风险因素,并与较差的预后相关。1型糖尿病Type 1 diabetesT1D)患者人数不断增加,其发生脑卒中的风险也显著升高。有关2型糖尿病患者缺血性脑损伤的研究较多,然而与T1D相关的研究较少,且T1D加重缺血性脑损伤的机制仍不明确。近年来研究发现,缺血性脑卒中与肠道菌群之间存在关联,而T1D患者存在肠道菌群改变且这一改变可影响T1D的发病率及病情进展,这提示肠道菌群可能在T1D加重缺血性脑损伤过程中发挥一定作用。此外,神经炎症是影响缺血性脑损伤的重要机制,肠道菌群代谢产物短链脂肪酸Short Chain Fatty AcidSCFAs)可调节神经炎症,提示T1D相关的肠道菌群改变可能通过影响SCFAs的代谢调节神经炎症进而加重缺血性脑损伤。小胶质细胞是脑内的一种重要炎性细胞,与缺血性脑卒中后脑内神经炎症的发生密切相关,研究发现肠道细菌能够通过产生 SCFAs 调节小胶质细胞的成熟和功能,且髓样分化因子88(Myeloid Differentiation Factor88, MyD88)在这一过程中可能发挥重要作用。基于以上背景,本研究旨在探讨T1D相关的肠道菌群改变对缺血性脑损伤的影响及其相关机制。

哈尔滨医科大学附属第二医院麻醉科李文志/曾宪章教授课题组于近日在神经科学领域著名期刊 Molecular Neurobiology发表题为" Changes in Type I Diabetes - Associated Gut Microbiota Aggravate Brain Ischemia Injury by Affecting Microglial Polarization Via the Butyrate -MyD88 Pathway in Mice " 的研究论文,该研究表明T1D小鼠的肠道菌群发生改变,此改变会导致T1D小鼠缺血性脑卒中后的神经功能损伤及炎症反应加重,SCFAs丁酸在这一过程中发挥着重要作用,肠道菌群-丁酸-MyD88通路介导的小胶质细胞表型极化是加重T1D小鼠缺血性脑卒中后神经功能损伤的重要机制之一。哈尔滨医科大学附属第二医院麻醉科李文志教授为论文通讯作者,曾宪章教授为论文的第一作者。



首先,为探讨T1D对脑缺血后神经功能的影响,研究者通过腹腔注射链脲佐菌素建立T1D小鼠模型,利用大脑中动脉栓塞(Middle Cerebral Artery OcclusionMCAO)构建T1D小鼠及对照小鼠的脑缺血模型,结果发现T1D组小鼠表现出更大的脑梗塞体积,更高的神经功能缺失评分,在转棒实验和平衡木实验中的表现更差(图1B-F,脑组织中的炎症反应更重(图1G-J这些结果表明T1D小鼠缺血性脑卒中后的神经功能损伤及炎症反应加重。


1. T1D小鼠脑缺血后神经功能损伤及炎症反应加重


为确定肠道菌群在上述过程中的作用,研究人员首先对两组小鼠的粪便进行了16S rRNA分析,发现T1D组小鼠肠道菌群的α多样性显著下降,且产乙菌、丁酸和戊酸的细菌的丰度明显下降,同时粪便中乙酸和丁酸的浓度显著降低(图2A-D。粪菌移植实验成功的复制了上述结果(图2E-H这些结果说明T1D小鼠存在肠道菌群改变,并且导致其体内乙酸和丁酸含量降低。


2.各组小鼠之间肠道菌群特征和相对丰度以及粪便中乙酸和丁酸浓度的差异


随后,研究人员进一步发现移植了T1D小鼠粪菌的类无菌小鼠在缺血性脑卒中后脑梗死体积更大,神经功能缺损评分更高,在转棒实验和平衡木测试中的表现更差(图3B-I这些结果说明T1D相关的肠道菌群改变在缺血性脑损伤加重这一病理过程中发挥重要作用。同时作者还在接受 T1D 小鼠粪菌移植的小鼠中观察到其脑组织缺血半暗带区域 Iba1阳性细胞数增加(图3K-P这提示小胶质细胞很可能在上述过程发挥重要作用。 

3. 接受T1D小鼠的粪菌移植加重脑缺血后的神经功能损伤和小胶质细胞反应


接下来,为确定T1D小鼠肠道菌群对缺血性脑卒中后MyD88表达和小胶质细胞极化的影响,研究人员对MyD88蛋白水平进行了检测,发现T1D小鼠和接受T1D小鼠粪菌移植的小鼠缺血半暗带区域脑组织中MyD88蛋白表达显著上调(图4A-E,小胶质细胞极化的标记物iNOS表达增多而TREM2表达减少,并且TREM2阳性的小胶质细胞数量显著减少(图5A-F这些结果表明 T1D 小鼠肠道菌群增加了MyD88表达,进而可能促进缺血性脑卒中后后小胶质细胞向促炎表型极化。

 
4 . T1D 小鼠的肠道菌群改变增加缺血半暗带区域小胶质细胞中MyD88的表达


5. T1D小鼠的肠道菌群改变促进缺血性脑卒中后小胶质细胞向促炎表型极化


为研究乙酸和丁酸对小胶质细胞极化的影响以及MyD88 在此过程中的作用,作者利用小鼠小胶质细胞系(BV2)建立了氧糖剥夺-复氧糖模型(OGD-R(图6A。结果发现,OGD-R能明显增加MyD88iNOSTrem2的表达,补充丁酸能明显抑制MyD88iNOS的增加,并进一步增加Trem2的表达,而补充乙酸无此作用(图6B-D,相关炎症因子的变化也变现出类似趋势(图6E-H这些结果表明,丁酸抑制了小胶质细胞OGD-RMyD88的表达,诱导更多的小胶质细胞极化为抗炎表型。此外还发现,OGD-R同样促进了BV2ROS的生成,而丁酸可以显著抑制ROS的产生(图6I

6. 丁酸抑制小胶质细胞MyD88 的表达并诱导其向抗炎表型极化,减少炎症因子和活性氧的产生


至此,作者推测丁酸可能在抑制小胶质细胞产生炎性因子和ROS方面起着重要作用,而这些作用可能与其降低MyD88的表达有关。作者进一步利用siRNA技术在体外敲减小胶质细胞MyD88 的表达后建立OGD-R模型,结果验证了上述猜想(7A-J


为进一步证明丁酸缺乏是导致T1D小鼠缺血性脑损伤加重的重要原因,作者对T1D 小鼠补充外源性丁酸盐,并通过对其粪便中的丁酸浓度检测证明了补充丁酸盐可以将T1D小鼠体内丁酸的浓度提高至正常小鼠水平(图7K-L。同时,丁酸盐可以显著降低T1D小鼠的脑梗塞体积和神经功能缺损评分,改善小鼠在转棒实验和平衡木实验中的表现(图7M-Q

7. MyD88介导丁酸对小胶质细胞OGD-R后表型极化的影响,补充丁酸能减轻T1D小鼠缺血性脑卒中后的神经损伤


为进一步明确MyD88T1D相关的肠道菌群改变加重缺血性脑卒中后神经功能损伤及炎症反应过程中的作用,研究人员通过对小鼠脑内转染rAAV9-shRNA-MyD88敲减MyD88,发现敲减MyD88可以显著改善T1D小鼠缺血性脑卒中后的神经功能,减轻炎症反应,同时消除了T1D小鼠粪菌移植对缺血性脑卒中后神经功能损伤和炎症反应等方面的影响,证明MyD88T1D相关的肠道菌群改变加重缺血性脑损伤过程中的关键作用(图8C-K

8. 敲减MyD88可减轻T1D小鼠肠道菌群改变所导致的神经功能损伤加重 


文章结论与讨论,启发与展望

与正常小鼠相比,T1D小鼠在缺血性脑卒中后的神经功能损伤及炎症反应加重,这可能与肠道菌群-丁酸-MyD88通路介导的小胶质细胞极化有关(图8L。针对该通路的干预措施有望减轻T1D小鼠缺血性脑卒中后的神经损伤。


原文链接:https://doi.org/10.1007/s12035-024-04514-9

李文志 教授(左);曾宪章 教授(右)

通讯作者简介:李文志,二级教授、主任医师、博士研究生导师,2002年荣获卫生部有突出贡献中青年专家,2005年获得黑龙江省“龙江学者”特聘教授,2005年享受国务院特殊津贴2015年获得第二届“中国杰出麻醉医师”称号,现任全国高等医学教育学会麻醉学教育研究学组副组长、中国老年医学学会麻醉学分会副会长、黑龙江省麻醉专业领军人才梯队带头人、省重点实验室主任。
 
第一作者简介:曾宪章,主任医师,教授,硕士研究生导师,中国医师协会麻醉学医师分会青年委员,中国整形协会麻醉与镇痛专业委员会委员,中国研究型医院学会麻醉专业委员会青年委员,中国抗癌学会麻醉与镇痛专业委员会委员,黑龙江省医师协会麻醉专业委员会委员,哈尔滨市医师协会麻醉医师分会常务理事,国家自然科学基金及中国博士后科学基金评审专家,Anesthesiology中文版》青年编委,《国际麻醉学与复苏杂志》第五届青年特邀编委


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