• 免費服務熱線
  • 400-065-6886
  • 電話:86(0)512-6295 9990
  • 傳真:86(0)512-6295 9995
公司公告

喜訊!天昊微生物項目文章登陸國際頂尖期刊《Advanced Science》

發稿時間:2021-03-05來源:天昊生物


中南大學湘雅醫院骨科謝輝教授團隊的研究成果近期發表在國際頂尖期刊《Advanced Science》上,研究成果發現來自兒童腸道微生物群的細胞外囊泡進入骨骼從而可以保持骨量和強度,

在這項研究中天昊生物有幸承擔了樣品的相對定量擴增子測序和生信分析工作。在恭喜客戶發表文章同時,我們想跟大家分享一下文章的研究思路。

英文題目:Extracellular Vesicles from Child Gut Microbiota Enter into Bone to Preserve Bone Mass and Strength

中文題目:來自兒童腸道微生物群的細胞外囊泡進入骨骼以保持骨量和強度

期刊名: Advanced Science

影響因子:15.840

最近,腸道微生物群(GM)已被證明是骨內穩態的調節者,腸道微生物群調節骨量的機制仍在研究中。在這里,我們發現來自兒童(CGM)而不是來自老年人(EGM)的腸道微生物群的定植阻止了傳統飼養的卵巢切除(OVX)誘導的骨質疏松小鼠模型(絕經后骨質疏松癥動物模型)的骨量和骨強度的降低。16S rRNA擴增子測序顯示兒童腸道微生物群(CGM)逆轉了OVX誘導的Akkermansia muciniphila (Akk)的減少;直接補充Akk足以糾正OVX引起的骨代謝失衡,預防骨質疏松;機制研究表明,細胞外囊泡(EVs)的分泌是CGMAkk誘導的骨保護作用所必需的,這些納米小泡可以通過增強成骨活性和抑制破骨細胞的形成而進入并積聚到骨組織中,從而減弱OVX誘導的骨質疏松表型。本研究表明,腸道細菌Akk介導兒童腸道微生物群(CGM)誘導的抗骨質疏松作用,并提出了腸道微生物群與宿主骨之間信號交換的新機制。

骨質疏松癥是老年人尤其是絕經后婦女常見的骨病。改善骨骼健康和預防骨質疏松癥仍需要更理想的干預措施。腸道微生物群(GM)是宿主胃腸道內的微生物群落(細菌、真菌、病毒等)。宿主腸道為GM的生長提供了一個環境,GM中的一些成員,如一些腸道細菌,通過調節腸道發育、營養物質消化、免疫狀態和大腦等各種生理過程,參與維持宿主體內平衡。最近的研究也將GM與骨骼健康聯系起來。Sj?gren等人發現,7周齡的無菌雌性C57BL/6小鼠的破骨細胞數量較少,骨量也高于年齡和性別匹配的常規飼養小鼠;無菌小鼠1個月的細菌定植使骨量正常化,這表明GM對骨骼有負面影響。然而,Quach等人最近的一項研究表明,在4周大的無菌雄性和雌性瑞士Webster小鼠和C57BL/6小鼠中,用小鼠或人類來源的GM定植不會導致骨丟失。Schwarzer等人發現,8周齡的無菌雄性BALB/c小鼠的骨生長速度比傳統飼養的小鼠慢。Yan等人報道,2個月大的無菌雌性和雄性CB6F1小鼠長期定植3個月大的特異性無病原體(SPF)雄性小鼠的糞便微生物群,導致股骨長度顯著增加,骨小梁微結構有改善的趨勢,因此,GM對骨骼也有積極作用。關于GM對骨影響的不同結果可能是由于小鼠的品系、年齡、性別或定植時間的不同,另一個可能決定GM對骨影響的關鍵變量是微生物的群落組成,有證據表明,常規雌性C57BL/6小鼠在斷奶或出生時接受抗生素治療320周后,骨密度(BMD)增加。抗生素暴露不會降低腸道微生物豐度,但顯著改變了腸道微生物群落組成,增加了腸道微生物群的系統發育多樣性,提示某些腸道微生物豐度的變化可能與抗生素治療對骨量的積極作用有關。以往的研究已經證實了許多益生菌對骨骼健康的有益作用,提示GM對骨骼的影響是具有微生物特定性的。GM可能由有益或有害于骨骼健康的微生物組成,群落結構的改變可能導致GM對骨骼的不同影響。GM組成會受到各種因素的影響,如雌激素缺乏和衰老。骨骼老化和雌激素缺乏可導致骨重塑失衡,其特征是骨吸收大于骨形成,從而導致骨丟失甚至骨質疏松。考慮到不同的研究表明GM對骨健康有不同的影響,這種差異可能與GM組成的改變有關,我們推測某些微生物豐度的變化可能是導致骨重建失衡和隨后骨丟失的關鍵因素,因此,識別調節這一過程的微生物以及如何恢復平衡的GM以預防骨質疏松變得尤為重要。據報道,用瘦人糞便微生物群移植可減少肥胖受體小鼠的肥胖癥增加;用馬拉維飲食的小鼠在接受營養不良的馬拉維嬰兒/兒童糞便微生物群后變得營養不良,提示GM具有將某些表型從供體轉移到受體的潛力。由于兒童時期是一個快速生長的時期,我們推測健康兒童的GM可能含有有益于骨健康的特定微生物,與兒童GM或有益微生物一起移植可能能夠恢復骨質疏松患者的骨重建平衡并誘導健康的骨表型。鑒于GM在調節骨健康方面的重要性,探討GM與宿主骨的通訊機制具有重要意義。近年來,在原核生物和高等真核生物中,細胞間的生物信號交換主要是通過胞外囊泡的分泌來實現的。在革蘭氏陰性菌和某些革蘭氏陽性菌中普遍存在EVs產生。GM衍生的EV20-400 nm)使細菌能夠以集中和保護的方式將多種效應分子傳遞到遠處的靶細胞,從而調節受體細胞的功能。2013年,Kang等人對糞便來源的EV進行了鑒定,發現糞便細菌Akkermansia muciniphilaAkk)的EV可以抑制大腸桿菌來源的EV誘導的結腸上皮細胞炎癥,并保護小鼠免受實驗性結腸炎的影響,這表明來自GM特定成員的EV具有功能作用。最近,Choi等人報道,口服高脂飲食喂養的小鼠糞便來源的EV或腸道共生的Pseudomonas panacis來源的EV可誘導受體老鼠產生胰島素抵抗和葡萄糖不耐受。此外,他們還發現,Pseudomonas panacis來源的EV可穿過小鼠腸上皮屏障,進入肝臟、脂肪組織和骨骼肌等胰島素敏感組織,這意味著GM可以通過EV與靶細胞的直接相互作用來調節宿主遠端器官的功能,這提示我們探討功能性EVs從特定微生物向骨組織的轉移是否是GM誘導的骨健康調控的關鍵機制。在這里,我們探討了常規飼養的卵巢切除(OVX)誘導的骨質疏松C57BL/6小鼠接受來自健康兒童的GM的定植是否可以通過逆轉有益于骨健康的特定腸道微生物水平來誘導骨生長和預防骨質疏松,我們還確定了功能性EVs從這些特定微生物向骨細胞的遠端轉移是否是GM調節骨量的關鍵機制。


健康兒童GMCGM)預防OVX小鼠骨丟失并改變骨代謝

了探討GM是否能預防骨質疏松癥患者的骨丟失,我們在常規飼養的C57BL/6小鼠上通過OVX手術建立了絕經后骨質疏松癥動物模型。我們分別從三個不同家庭(每個家庭一個CGM供體和一個EGM供體)的三名健康兒童和三名健康老人身上采集兒童腸道菌群(CGM)和老年人腸道菌群(EGM)樣本。表S1顯示了顯示供體受試者代謝狀態的參數水平,包括體重、身高、體重指數(BMI)、血糖、血清總蛋白、白蛋白、球蛋白、白蛋白/球蛋白比率、總膽固醇和甘油三酯。CGMEGM供體的這些參數主要在正常水平范圍內波動(表S1),表明所有CGMEGM供體都處于健康的代謝狀態。與CGM供體相比,EGM供體的血糖、血清總蛋白、球蛋白、總膽固醇和甘油三酯的平均值較高,血清白蛋白和白蛋白/球蛋白比值較低,但僅呈趨勢(表S1)。我們將不同供者來源的CGMEGM混合均勻,觀察其對骨代謝的影響。S1A顯示,與假手術(Sham)小鼠相比,所有OVX小鼠的體重均增加,與先前研究的結果一致。與假手術小鼠相比,所有OVX小鼠的子宮重量和子宮大小均減少,證實了OVX的成功(圖S1BC)。股骨顯微計算機斷層掃描(μCT)分析顯示,與假手術小鼠相比,溶媒(vehicle)處理的OVX小鼠表現出明顯的骨量減少和骨微結構受損,表現為BMD,小梁骨體積分數(Tb. BV/TV),小梁數(Tb.N),小梁厚度(Tb.Th),皮質骨面積分數(Ct. Ar/Tt. Ar)和皮質厚度(Ct.Th)降低,皮質骨面積(Ct.Ar)具有減少趨勢;而溶媒處理的OVX小鼠的小梁間距(Tb.Sp)明顯高于假手術小鼠小鼠(圖1A-G;圖S1D-F)。經過8周每周兩次口服合并CGM(而非EGM)后,大多數顯示骨量或骨微結構改變的參數顯著逆轉(圖1A-G;圖S1D-F)。與骨量和骨微結構恢復一致,股骨長度分析和三點彎曲試驗表明,合并CGM的定植導致OVX小鼠股骨長度進一步增加,并阻斷股骨最大彎曲負荷的降低,然而,EGM移植導致骨長度和強度下降(圖1HI)。為了排除個體差異的可能性,我們隨后從上述供體獲得新鮮的CGMEGM樣品,并且不混合來自不同供體的CGMEGM樣品。與假手術小鼠相比,在所有OVX小鼠中觀察到體重顯著增加(圖S2A)和子宮重量減少(圖S2B),進行了動物實驗來評估來自這些供體的CGMEGM對骨健康的影響,結果顯示,所有兒童供體來源的GM,與來自不同兒童供體的混合GM相似,能夠獨立抑制OVX小鼠的骨量損失,但上述供體的EGM均未誘導顯著的骨保護作用(圖1J-P;圖S2C-E)。此外,與溶媒(vehicle)處理的OVX小鼠相比,用供體2-和供體3-衍生的CGMCGM2CGM3)處理的OVX小鼠顯示出明顯增加的股骨長度,但是在用不同供體的每種EGM處理的OVX小鼠中未檢測到這種效應(圖1Q)。所有CGM(非任何一種EGM)也顯著逆轉了OVX引起的股骨最大彎曲負荷的減少(圖1R)。這些結果表明,年輕供體移植GM可以抑制OVX小鼠的骨丟失,促進骨生長,維持骨強度,并且GM的抗骨質疏松作用隨著供體年齡的增長而喪失。

然后我們測試了不同來源的CGMEGMOVX小鼠成骨和破骨細胞生成的影響。OCN免疫組化染色顯示,與假手術小鼠相比,溶媒處理的OVX小鼠的小梁骨表面上有更多的成骨細胞,并且上述每種兒童供體來源的GM的定植到OVX小鼠進一步增加了成骨細胞的數量(圖2AB),然而,在用任何一種獲得的EGM治療的OVX小鼠中均未觀察到促成骨作用(圖2AB)。同樣地,酶聯免疫吸附試驗(ELISA)顯示,不同供體來源的CGM(而非EGM)的定植進一步增加了OVX小鼠的血清骨鈣素水平(OCN,成骨分化的標志物)(圖2C)。抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)染色表明,OVX誘導破骨細胞的數量和大小顯著增加,但通過不同供體來源的CGM的定植作用,這種作用完全逆轉(圖2DE),在所有EGM定植的OVX小鼠中未觀察到破骨細胞數量和大小的顯著變化(圖2DE;圖S2F)。ELISA顯示,所有供體來源的CGM顯著抑制OVX誘導的I型膠原C末端末端肽(CTX-I)血清水平的增加,而EGM處理的OVX小鼠與溶媒處理的OVX小鼠相比,該骨吸收標記物的血清水平表現出進一步增加的趨勢(圖2F),這表明EGM對骨分解代謝的影響。鈣黃綠素雙標顯示,不同來源的CGM移植可以挽救OVX小鼠新骨形成和礦化的損傷,而所有來源的EGM均不影響這一過程,如每個骨表面的骨形成率(BFR/BS)和礦物沉積率(MAR)值所示(圖2G-I)。這些結果表明,CGM在骨質疏松小鼠體內的定植通過促進成骨細胞骨形成和抑制破骨細胞骨吸收來逆轉骨代謝失衡,最終增加骨量和強度。