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科研动态

Scientific Reports : 吗啡诱导肠道中吗啡依赖型微生物组和代谢组的变化
发布时间:2018-03-24 10:55   点击率:
导读
阿片类止痛药在美国和全世界都经常使用。然而,严重的并发症如机体对药物的依赖性和耐受性,引发免疫抑制和胃肠道损伤等限制了它的长期使用。在本研究中,通过吗啡模型鼠,研究阿片类药物使用对肠道微生物组和代谢组产生负作用的潜在机制,旨在维持阿片类药物使用期间微生物群落的稳态,减少与阿片类药物使用相关的并发症。
 
 
文献ID
题目:Morphine induces changes in the gut microbiome and metabolome in a morphine dependence model
译名:吗啡诱导肠道中吗啡依赖型微生物组和代谢组的变化
期刊:Scientific Reports          IF=4.259
发表时间:2018年2月
通讯作者:Sabita Roy
通讯单位:明尼苏达大学
 
 
材料与方法
实验设计
研究对象:皮下注射给药(吗啡—阿片类药物、安慰剂—对照组、纳曲酮—阿片受体纯拮抗剂)的野生型小鼠
样本类型:小鼠粪便
采样时间:给药处理后的第0天、第1天、第2天、第3天、第4天、第5天、第6天
 
测序区域及平台
16S rDNA特异性引物,Illumina平台
 
 
研究成果
1、吗啡处理导致肠道微生物组的变化
采集给药处理后的第0天,第1天,第2天和第3天小鼠的粪便样品,进行微生物组成测定,并对测序结果进行主坐标分析(图1),结果表明所有处理组的第0天样本微生物组成相似;在第1天,吗啡给药组明显聚集于其他处理组之外,并且在吗啡给药的第3天,所有样品组内聚集得更紧密,处理组间不同的聚类更明显。此外,结果表明纳曲酮拮抗吗啡诱导的肠道微生物组改变(图1和图2)。
 
 
 
图1. 给药处理3天内肠道微生物组的变化
野生型小鼠皮下注射安慰剂(P),25mg吗啡(M),30mg纳曲酮(N),吗啡和纳曲酮(MN)(每组n = 4);使用OTU级别的UniFrac度量对第0天(A),第1天(B),第2天(C)和第3天(D)的样品进行主坐标分析(PCoA)。
 
将研究扩展到给药后6天内,第4天,第5天和第6天的数据显示出与第3天实验相同的趋势(图2)。
 
 
图2. 给药处理后6天内肠道微生物组变化
 
使用chao1指数来评估α多样性,并使用未加权的UniFrac距离来评估β多样性。在给药后第3天,与安慰剂给药组的粪便微生物组相比,吗啡给药导致α多样性显著地降低(图3A,B,C,D);使用多重假设检验(q-value < 0.05)分析发现,吗啡给药导致潜在致病细菌(属水平)的相对丰度显著地增加,增加的代表性病原菌包括黄杆菌属、肠球菌属、梭杆菌属、萨特氏菌属、梭菌属(图3E)。
 
 
图3. 吗啡处理引起肠道微生物组的显著变化
(A)使用chao1指数评估α多样性;(B)对chao1进行t检验指数,**表示有显著地差异;(C)在OTU级使用UniFrac度量,进行主坐标分析(PCoA);(D)使用QIIME进行UniFrac距离显著性T检验,*代表p值<0.05,**代表p值<0.01;(E)吗啡给药导致致病细菌显著地增加。
 
 
2、在物种水平上鉴定肠道微生物失调和吗啡处理之间的关联
使用实时荧光定量PCR进行特异性物种16S rRNA基因的表达谱测定,研究结果表明,与安慰剂处理组相比,吗啡处理组粪肠球菌物种显著地增加(图4A);在给药后第3天,吗啡给药组粪便中粪肠球菌16S rRNA基因丰度扩增100倍(图4B),其中在给药第1天就观察到吗啡对粪肠球菌丰度的影响,并且在给药后的几天都有持续(图4C)。 纳曲酮给药拮抗吗啡对肠道微生物组粪肠球菌丰度的影响(图4B,C)。
 
 
图4. 粪肠球菌是吗啡诱导的肠道微生物组改变的生物标志物
(A)使用qPCR测定安慰剂处理和吗啡处理小鼠粪便样品的特异性物种16S rRNA基因的表达(每组n = 8); 通过qPCR数据的对数转换生成热图,qPCR数据显示为ΔCT(CT_species-CT_universal_16S rRNA),红色表示增加;(B)在不同给药的第3天粪肠球菌16S rRNA基因增加倍数(每组中n = 4); (C)随短期研究粪肠球菌16S rRNA基因(每组8只)在不同给药中的倍数变化。
 
通过来自辐射热源的尾部甩尾测量,证明粪肠球菌感染增强对吗啡镇痛的耐受性(图5A,B)。基于这些结果,建议粪肠球菌丰度的增加可用作吗啡处理后肠道微生物失调的潜在生物标志物。
 

图5. 粪肠球菌感染加速了对吗啡镇痛的耐受性
(A)通过小鼠对热的反应来评价吗啡的镇痛效果; (B)在吗啡处理8天时间中的每日伤害性行为和吗啡抗伤害感受:通过甩尾的抗伤害行为。
 
 
3、吗啡逐渐改变肠道代谢组学,并使代谢产物发生差异性转换
给药后第3天,代谢物的偏最小二乘判别分析(PLS-DA)(图6A)和主要组分的负荷图,其中每个点代表单个分子代谢物(图6B),表明与安慰剂组相比,吗啡给药诱导了肠代谢组学明显地变化。对吗啡和安慰剂给药的小鼠在处理后第0天,第1天,第2天和第3天的粪便样品代谢组学特征谱,进行偏最小二乘判别分析(PLS-DA)(图6C),发现在每个测试时间点吗啡处理组的代谢组学特征明显聚集,表明吗啡处理导致代谢产物以时间依赖性方式逐渐差异性的转换(图6C,D)。
 
 
图6. 粪便代谢组学分析鉴定吗啡给药后肠道代谢组显著地变化
 
 
4、纳曲酮拮抗吗啡诱导的肠道代谢组学转变并逆转吗啡对胆汁酸代谢的影响
 纳洛酮处理完全拮抗吗啡对肠代谢组学的影响,并逆转吗啡对胆汁酸代谢的影响(图6E,F)。 特别是,纳曲酮拮抗吗啡诱导的胆汁酸和脱氧胆酸的丰度增加,导致这些次级代谢产物显著地降低(图6E,F)。并且吗啡诱导的磷脂酰乙醇胺(PE)丰度增加,表明细胞损伤增加,通过纳曲酮给药也可逆转吗啡诱导的上述情况的增加(图6F)。
 
 
5、吗啡诱导的失调进一步阻碍吗啡代谢及其肝肠再循环
实验证明,在治疗后第1天和第2天,肠腔中吗啡-3-葡糖苷酸(M3G) / 吗啡(MS)浓度的比率增加(图7E),并且在吗啡处理后的第1天和第6天在血清中比率也增加,表明在肠道中吗啡转化为M3G而解离(图7F)。
 
图7. 吗啡处理后血清和粪便中的M3G / MS浓度比增加
 
 
研究结论
与安慰剂给药相比,吗啡给药后1天肠道微生物组和代谢组显着改变。吗啡诱导肠道微生物失调,包括与致病功能相关的菌群显著地增加,与应激反应相关的群落显著地减少,以及肠道中吗啡代谢转化为胆汁酸和吗啡-3-葡糖苷酸显著地增加。此外,粪肠球菌的增加与吗啡给药后的肠道失调密切相关,脱氧胆酸(DCA)和磷脂酰乙醇胺(PEs)的改变与阿片类药物诱导的代谢组学改变有关。
 
 
亮点
本研究将代谢组和特定微生物组进行关联分析,从不同组学解析阿片类药物吗啡给药后,引发并发症的作用机制,为给药后失调的肠道微生物和代谢标志物的发现,以及维持阿片类药物合理使用提供了相关依据。
 
 

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