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烈冰助力||16s rRNA測序揭示神經肽Y1受體拮抗劑調節大鼠腸道菌群并緩解骨質疏松癥 時間:2020-01-16

絕經后骨質疏松癥(Postmenopausal osteoporosis ,PMO)是最常見的原發性骨質疏松癥,是由于絕經后雌激素缺乏導致的骨強度降低和骨脆性增加。腸道菌群與骨代謝密切相關,腸道細菌過度生長的患者骨密度明顯降低。而神經肽Y(Neuropeptide Y,NPY)可以通過Y1受體(Y1R)對腸道直接起到抗菌的作用。那么,NPY能否通過調節大鼠腸道菌群,發揮抗骨質疏松作用呢?腸道菌群與骨代謝之間是如何進行作用的呢?

2019年12月6日,上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院李展春課題組和肖潔課題組利用去卵巢(OVX)大鼠模型,應用Y1R拮抗劑治療,觀察到Y1R拮抗劑能通過調節腸道菌群,發揮抗骨質疏松作用。烈冰科技在該工作中提供了16S rRNA測序數據分析技術支持。該研究成果以“Neuropeptide Y1 Receptor Antagonist Alters Gut Microbiota and Alleviates the Ovariectomy?Induced Osteoporosis in Rats”為題發表于Calcified Tissue International雜志。

——研究思路——


實驗方法:

測序方案:

實驗分組:

分析思路:

——研究結果——

1. Y1R拮抗劑對OVX大鼠的體重和血清生化指標的影響

圖1結果顯示,相比較SHAM組,OVX組大鼠體重顯著增加,血清E2濃度明顯降低,并且表現出更低的Ca2+濃度和更高的Pi濃度水平。經Y1R拮抗劑治療后,OVX+BIBO3304組大鼠體重明顯減輕,與SHAM組相差無異,而且Ca2+和Pi濃度水平均有所改善。

圖1 Y1R拮抗劑對OVX大鼠的體重和血清生化指標的影響


2. Y1R拮抗劑改善OVX大鼠骨量和骨顯微結構

通過對大鼠右側脛骨顯微CT成像以及HE染色進行組織學分析,發現OVX組大鼠松質骨變薄,失去規則的網狀結構,參數BMD、BV/Tv顯著降低,SMI升高。而OVX+BIBO3304組大鼠經Y1R拮抗劑治療后,松質骨結構及各項指標均有所改善。

圖2 Y1R拮抗劑改善OVX大鼠的骨量和骨顯微結構


3. Y1R拮抗劑調節OVX大鼠體內的微生物多樣性

采用Chao1和Shannon曲線分析腸道菌群α多樣性(圖3a、b),發現三組間微生物物種豐富度(Chao1)和多樣性(Shannon)均無顯著差異。采用PCoA方析對微生物群落結構(β多樣性)進行分析(圖3c、d),發現三組腸道細菌結構明顯分離,表明卵巢切除和Y1R拮抗劑治療都是腸道微生物群落結構的關鍵因素。

圖3 Y1R拮抗劑對OVX大鼠微生物多樣性的調節作用


4. Y1R拮抗劑改變OVX大鼠腸道微生物群落組成

圖4a-c分別介紹了三個群組在門、綱、屬分類水平上的微生物組成,發現菌群主要集中于厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)。OVX組大鼠血清中F/B比值(4.05)明顯高于SHAM組(2.18),經Y1R拮抗劑治療后,F/B比值(2.61)得到明顯改善,而且乳酸菌的豐度也發生變化(SHAM: 4.4%,OVX: 2.4%,OVX+BIBO3304:3.6%)。

圖4 Y1R拮抗劑改變OVX大鼠腸道菌群組成

進一步通過PICRUST分析三組大鼠之間微生物代謝功能的相關性,發現OVX組丁酸代謝功能明顯強于OVX+BIBO3304組,離子通道功能低于OVX+BIBO3304組(圖5a)。而OVX+BIBO3304組與SHAM組的丁酸代謝和離子通道功能無明顯差異(圖5b)。結果表明,Y1R拮抗劑參與調節丁酸代謝和離子通道在內的微生物代謝功能。

圖5 微生物代謝功能預測和功能差異分析


5. 腸道菌群與骨代謝相關參數的相關性

進一步分析研究微生物群與骨代謝相關參數之間的相關性,圖6可以看出,Firmicutes與骨微結構參數(BV/TV、BMD、Tb.N和BS/TV)、血清E2濃度均呈現負相關,而Bacteroidetes與骨微結構參數和血清E2濃度顯著正相關。F/B比值也與骨微結構參數呈顯著負相關,揭示該值在一定程度上代表各種生物過程失調的程度。


圖6 腸道菌群與骨代謝參數的相關性分析


綜上所述,Y1R拮抗劑可能通過下調腸道菌群中F/B比值和上調益生菌的含量來改善OVX大鼠的骨質疏松的骨微結構。同時該研究指出Y1R拮抗劑可能是治療PMO的一種新型潛在策略。


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