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淺析腸道微生物對交感神經元的調控機製
點擊次數:117 發布時間:2021-03-17

原始文獻:

Muller, P.A., Schneeberger, M., Matheis, F.et al.Microbiota modulate sympathetic neurons via a gut–brain circuit.Nature583,441–446 (2020). doi.org/10.1038/s41586-

腸腦軸(gut-brain axis)在近年來是神經科學領域的一個熱門課題,腸道神經係統和中樞神經係統的緊密關聯,使得腦和胃腸係統能夠相互影響並導致生理、行為上的變化。腸道微生物(microbiota)在腦腸軸中起著重要的作用,腸道微生物的變化能夠通過腦腸軸引起宿主腸道生理乃至行為的變化,今年的Nature上就已經刊登了好幾篇此領域內的文章。本文以小鼠為實驗動物,重點探討了腸道微生物對外在腸道神經元(extrinsic enteric-associated neurons,eEANs,胞體在腸道外的神經元)的調控作用。

研究人員首先通過向腸道的不同區段注射CTB(霍亂毒素β亞基,一種逆行示蹤劑)來定位eEANs的胞體,然後特別分析了以下三個投射到腸道的神經節:感覺節狀神經節(sensory nodose ganglion,SNG),背根神經節(dorsal root ganglia,DRG),以及交感神經腹腔-腸係膜上神經節(sympathetic coeliac-superior mesenteric ganglia,CG-SMG)。前兩者被認為負責傳遞信息給中樞,而CG-SMG為交感神經係統的一部分,負責調控腸道的生理活動。CTB示蹤胞體的結果顯示出了腸道與這些神經節的一些連接特征,同時也顯示腸道的不同區段是由神經節中不同的神經元群體控製的(無論是傳入還是傳出)。

摘自原文Fig1,用CTB示蹤eEANs的胞體

研究人員接下來用TRAP-seq分析並比較了SPF小鼠(specific-pathogen-free,有腸道微生物)和無菌小鼠(germ-free,無腸道微生物)中,上述三個神經節中神經元的轉錄情況。TRAP(translating ribosomal affinity purification)通過雜交獲得特定基因上帶有RiboTag的動物,可以再通過免疫化學法純化得到特定類型細胞內正在翻譯的mRNA,這一實驗中使用的是Snap25-RiboTag小鼠。分析結果顯示,DRG的基因表達在兩組小鼠中沒有明顯差別;無菌小鼠的SNG中,與突觸信號和神經元活性有關的基因表達上升。更為重要的是,無菌小鼠的CG-SMG中,Fos的表達水平顯著上升,而免疫熒光實驗也進一步證明了Fos在無菌小鼠中的高表達。這些結果表明,腸道微生物的缺失提高了腸道交感神經的活性。

在進一步的實驗中研究人員發現,將SPF小鼠的糞便移植到無菌小鼠的腸道中可以有效地抑製腸道交感神經的活性,向無菌小鼠中移植特定的細菌組合(而非單一種類的細菌)也能達到同樣的效果。而給SPF小鼠喂食廣譜抗生素或部分類型的抗生素也能激活腸道交感神經。為了證明這些激活的交感神經元的確投射到了腸道,研究人員向Fos-GFP小鼠的腸道中注射了CTB,小鼠服用廣譜抗生素後被激活的交感神經元中,的確有一些投射到了腸道(見下圖)。交感神經係統的激活會抑製胃腸係統的生理活性。服用廣譜抗生素或特定類型抗生素的SPF小鼠胃腸蠕動顯著減緩(transit時間增加,詳細見原文的Methods),而阻斷兒茶酚胺類神經遞質的釋放則可以逆轉這一效果。這些實驗結果表明一些腸道微生物可以抑製腸道交感神經元的活性,可能以此促進腸道蠕動。

摘自原文Fig2,服用廣譜抗生素後小鼠腸道蠕動變緩,而用Guanethidine阻斷兒茶酚胺類神經遞質可以逆轉這一效果;Splenda和Saline都屬於對照

從上述實驗中已經可以看出,可能是部分種類的腸道微生物而非全部,起到了抑製交感神經的作用。研究人員發現,這些特定種類的微生物能夠提高短鏈脂肪酸(SCFAs)水平。讓小鼠服用外源的短鏈脂肪酸可以抑製因為服用抗生素而被激活的交感神經元。向小鼠的腦室中注射短鏈脂肪酸並不能起到同樣的效果,這表明短鏈脂肪酸更有可能在外周——也就是腸道係統中發揮作用。除了短鏈脂肪酸以外,研究人員還發現其他一些受到腸道微生物調節的物質水平的變化也可以影響到交感神經的活性,如膽酸、GLP-1(glucagon-like peptide 1)、PYY(peptide tyrosine tyrosine)。這些結果表明腸道微生物可能通過調節短鏈脂肪酸等物質的水平,影響腸道交感神經元的活性。

目前為止的實驗並不能證明交感神經元可以直接感知到腸道微生物的影響,研究人員接下來開始研究腸道交感神經元上遊的神經結構。研究人員在Slc32a1-GFP(綠色熒光標記表達VGAT的抑製型神經元,即GABA能)和Slc17a6-GFP(綠色熒光標記表達VGLUT2的興奮型神經元,即穀氨酸能)小鼠的回腸中注射了表達mRFP的偽狂犬病毒(可以跨突觸逆行,使感染的神經元表達紅色熒光)。對腦幹的觀察顯示,與腸道交感神經相連的抑製型神經元主要為Gi(gigantocellular)神經元,興奮型神經元主要位於LPGi/RVLM(Gi旁外側核/前腹外側延髓)。研究人員利用DREADD(designer receptors exclusively activated by designer drugs,向特定的Cre小鼠中注射帶有配體門控通道的病毒,之後可以通過注射特定的配體控製某一類型神經元的活性)方法分別激活Gi和LPGi/RVLM的神經元,發現隻有激活LPGi/RVLM可以顯著激活腸道交感神經元並且減緩腸道蠕動,而Gi神經元對腸道交感神經無明顯影響。此外,研究人員也發現無菌小鼠中LPGi/RVLM神經元的活性有顯著提高(cFos表達)。這些結果證明腦幹LPGi/RVLM的穀氨酸能神經元可以激活腸道交感神經元。

之前的研究表明腦幹的另外兩個區域NTS(孤束核)和area postrema(AP,極後區)可以整合來自迷走神經和循環係統的腸道信息並投射給LPGi/RVLM。研究人員發現服用抗生素後,小鼠NTS和AP的cFos的確顯著上升了。開始的示蹤實驗標記的SNG和DRG是重要的接收來自腸道信息的神經結構,研究人員用DREADD方法抑製SNG和DRG的神經元能夠激活NTS和AP的神經元以及腸道交感神經元(CG-SMG)。進一步的實驗還表明SNG而非DRG在調控交感神經中起著更重要的作用,TRAP-seq分析還顯示SNG中的Nav1.5+神經元在此過程中起著重要作用。至此,研究人員構建出了一個腸道微生物調控腸道交感神經活性的一個神經環路:腸道——SNG——NTS/AP——LPGi/RVLM——CG-SMG——腸道。

摘自原文extended data Fig10,作者給出的簡單總結

本文轉載於知乎文章@Wang xy

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