文摘
客观的。肠道微生物群,肠脑轴的关键中介,可以产生和运输刺激神经组织的物质,因此在抑郁症的发病机制中扮演重要角色。尽管可循规律的体育锻炼是一个重要的抗抑郁药,其特定的效应机制尚不清楚。方法。老鼠被随机分成4个不同组(n为每个组= 10)如下:正常组(G1),抑郁组(G2),氟西汀治疗组(G3),和有规律的运动治疗组(G4)。所有的老鼠接受强迫游泳测试,尾巴暂停测试,开放的实地测试,高架plus-maze检测行为学测试。然后,肾上腺酮水平被ELISA检测。此外,分类分析肠道微生物群的老鼠进行定期锻炼后60天。结果。与G1组相比,老鼠在G2组显示显著的类似抑郁行为,增加血清皮质酮水平。的比例拟杆菌、放线菌、变形菌门酿酒,蓝藻在G2组的老鼠在G1组,低于体内壁厚菌门的微生物的比例,Tenicotte, Deferrobacteria, Fusobacteria也增加了。此外,经常锻炼治疗后,大鼠的肠道微生物群是有效地改善,几乎回到G1组的水平,和抑郁行为和皮质甾酮水平也恢复了,这几乎是与氟西汀治疗的效果。结论。有规律的体育锻炼可以缓解则行为调节肠道微生物群的物种和功能。
1。介绍
抑郁症是一种严重的精神障碍,可伴有强烈的罪恶感,无助,食欲和睡眠,变化和损伤器官功能。严重的抑郁症甚至可以导致自残和自杀1]。最近的研究表明,肠道之间的双向通路和中枢神经系统,也被称为肠脑轴,这是密切相关的复杂的相声自主神经系统,神经内分泌系统和免疫系统(2,3]。
一方面,越来越多的证据表明,肠道微生物群是一个关键的环境因素。它可以产生和运输刺激神经组织的物质,被认为是肠脑轴的关键调解人和抑郁症的机制发挥重要作用[4]。过去的研究表明,移植MDD病人的肠道微生物群在无菌鼠导致抑郁行为(5),移植肠道微生物群从抑郁病人接受抗生素治疗的老鼠也复制抑郁行为(6]。这些结果都证明了肠道微生物群组成的变化可能是导致抑郁症的一个重要因素。进一步的研究表明,肠道微生物群可以生成一个病态的前馈回路,导致行为则通过中枢神经(eCB)系统(7]。中介通过宿主肠道微生物群的代谢也可以诱发则行为(5]。
另一方面,有规律的体育锻炼是一个很重要的去造成抗抑郁药物的方法,但其具体机制仍不清楚8,9]。因此,本文打算使用抑郁模型大鼠作为对象动态观察是否有规律的体育锻炼可以改善大鼠的肠道微生物群的患病率和成分,从而发挥抗抑郁药物的效果,目的是提供相关理论参考抑郁的治疗疾病。
2。材料和方法
2.1。动物研究
四十SD大鼠(女,180 g)提供的江苏大学实验动物中心(镇江、中国)被用于这项研究。动物们被安置在标准条件下(室温22±1°C,湿度55%±1%,和12 h光/暗周期)在常规的笼子里,允许自由获取食物和水。所有动物实验进行的护理和使用指南由美国国立卫生研究院的实验动物。批准的研究获得江苏大学的医学院伦理委员会(镇江、中国)。
2.2。研究设计
老鼠被随机分为四组(每组10大鼠):正常组(G1),抑郁组(G2),氟西汀治疗组(G3),和一个有规律的运动治疗组(G4),每组10个老鼠。在G2、G3、G4、慢性不可预知的轻微压力(和)用于4周。短暂的刺激包括尾巴捏1分钟的剪辑(8点到10点,直到老鼠发牢骚说,没有皮肤损伤),在6°C冷水游泳5分钟(8点到11点,使用一个高25厘米的塑料滚筒直径15厘米,与水深由老鼠的脚趾到达底部的容器),2小时,安置在一个空的猫笼15小时(下午5点到第二天早上8点)、光照一夜之间,和缺乏食物或水24小时(8点到第二天早上8点)。这些压力在1天以随机的顺序应用。每个压力在四周压力期间重复两到三次。G3给予氟西汀3毫克/公斤每天3周填喂法,G4, Sierakowiak et al。使用协议(10]。抑郁模型大鼠被置于35厘米电动轮和锻炼1小时每天早上9点和下午3点。
2.3。大鼠行为测试
2.3.1。强迫游泳测试(置)
测试大鼠单独放置在一个有机玻璃筒高25厘米,直径15厘米的水深10厘米,水温25±1°C。预试了3天15分钟后,老鼠的游泳时间,苦苦挣扎的时候,和静态在水中漂浮的时间在5分钟内被记录下来。
2.3.2。尾部测试(TST)
表上面测试老鼠被停职40厘米磁带,磁带是放置约1厘米从尾巴的尖端。在6分钟测试中,老鼠的休息时间,这是总时间的老鼠表现出没有肢体或身体动作,被记录。
2.3.3。开放的现场试验(OFT)
开放现场试验的装置是一盒(60 cm×60 cm×30厘米)。老鼠暴露在黑暗或昏暗的条件和单独饲养在一个盒子里。老鼠在容器的运动是由运动距离和被一个S-Mart电脑视频监控跟踪系统。越界的次数和距离走进容器都被记录下来。
2.3.4。高架Plus-Maze测试(EPM)
测试装置由两个面对面放置张开双臂(50厘米×10厘米)和两个面对面放置关闭武器(50厘米×10厘米×20厘米)连接由一个中央平台(10厘米×10厘米)。迷宫是离地面50厘米的黑色树脂玻璃。迷宫的老鼠被放置在中心面临关闭的手臂,和老鼠进入开放臂的频率和时间的百分比在开放的手臂都被记录下来。
2.4。皮质甾酮水平的评估
收集血液样本离心机在4°C 3000 RPM 15分钟收集血清,和血清是存储在一个冰箱−80°C,供以后使用。酶联免疫试剂盒是用来测量皮质甾酮的水平使用double-antibody夹心酶联免疫吸附试验(ELISA)检测大鼠的血清皮质酮含量在每组根据设备的操作指令。吸光度测量在450 nm,颜色反应的强度直接与靶蛋白的浓度成比例的样本。
2.5。DNA提取和16 s rRNA基因的测序
分类和分析微生物分布,从每组5老鼠收集粪便样本后60天的运动和储存在冰箱−70°C。FastDNA旋转工具的土壤被用来提取细菌基因组DNA从100到200毫克的凳子上根据制造商的指示。NanoDrop方法被用来检测提取的基因组DNA的纯度,量子位dsDNA BR工具包是用来检测基因组DNA的浓度。基因测序的16 s rRNA基于Illumina公司16 s宏基因组测序图书馆准备指南。V4的正向引物区域(CCA GCM GCC GCG侠盗猎车手自动白平衡C)和反向引物的V5地区(CC GTC AAT TYY TTT抹布TTT)被用来放大V4-V5地区细菌16 s rRNA的基因。放大测序库是使用AMPure XP磁珠纯化的,和图书馆的质量检查2100生物分析仪。测序图书馆在克分子数相等的混合浓度来生成一个4海里库池和当时测序与250个基点paired-end MiSeq系统读取使用MiSeq v2工具包。
2.6。测序数据的分析
QIIME (v1.9.1)是用于数据质量控制和原始序列分析。首先,原始序列预处理和集群到辣子鸡UCLUST软件一致性为97%。基于绿色煤电数据库(V13_8)、分类进行97%一致的聚类,生成一个OTU表和分类汇总提供的代表类群的比例在每个样本。分析细菌的多样性,辣子鸡的代表序列与PyNAST相比,和种系发生树与FastTree构造。一个简化的OTU表是用来计算α基于观察到的物种多样性参数和Chao1,香农,辛普森参数。未加权的UniFrac算法用于计算β多样性和代表主坐标分析(PCoA)图。
2.7。数据分析
定量数据与正态分布表示为±标准差(SD)的手段。的Mann-Whitney非参数测试被用来分析所有数据。所有统计测试是双向的,< 0.05被认为是重要的。统计分析的数据使用SPSS和GraphPad Prism 6.0进行。
3所示。结果
3.1。定期锻炼显著影响了大鼠的行为
与G2的老鼠,老鼠在G4显示更频繁的陷入困境的行为(图1(一))。老鼠在G4和G3的游泳行为有显著改善(图1 (b))。置,G2组大鼠的休息时间增加,而老鼠G3、G4的休息时间都显著降低(图1 (c))。体育锻炼的老鼠也减少了休息时间在结核菌素(图1 (d))。开放领域的实验中,大鼠在G1活跃在整个地区,包括外围和中心区域,在G2是显著降低大鼠的运动在外围和中心区域(图2(一个))。与G2的老鼠相比,总G3显著增加大鼠的运动距离,和总运动距离G4的老鼠也增加(图2 (b))。此外,运动距离的老鼠在G4和G3的周边地区是比老鼠在G2(图2 (c))。老鼠的运动距离G4中部地区相比显著增加大鼠的G2,与大鼠的运动距离G3中部地区同样也增加了(图2 (d))。在高架plus-maze测试中,与G2的老鼠相比,老鼠在G3、G4花更少的时间在封闭的武器和更多的时间在张开双臂(数字2 (e)和2(f))。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
3.2。规律的运动有效地降低血清皮质酮水平
与G1相比,G2的血清皮质酮水平显著提高。此外,G4血清皮质酮水平明显低于G2。此外,G3的血清皮质酮水平也显著降低。这些结果表明,有规律的锻炼可以有效地降低大鼠血清皮质酮的生产(图3)。
3.3。经常锻炼会影响肠道微生物群的多样性
的粪便样本被MiSeq和QIIME测序和分析。每个样本的16 s rRNA基因测序产生120000多读,和QIIME处理超过7700个辣子鸡。评估这些四组细菌的生态特性,我们使用不同的参数评价的多样性。在α多样性,参数和Chao1参数观察到的物种,物种丰富度的估计价值,只是轻微的上涨在G2的老鼠,和香农·辛普森参数,物种多样性的估计价值,也表现出类似的趋势(表1)。关于β多样性,老鼠在G1和G2的微生物菌群组成明显不同,微生物菌群组成的老鼠在G3、G4相似的老鼠在G1(图4)。
3.4。经常锻炼会影响不同的肠道微生物组成
微生物组成门级别的分类分析表明,肠道微生物群的构成是重塑由于压力(图5(一个))。在肠道的G2老鼠,的比例拟杆菌放线菌,变形菌门、TM2和蓝藻细菌减少,体内壁厚菌门的微生物的比例,拟杆菌、Deferrobacteria Fusobacteria增加(图5 (b))。有规律的锻炼有助于恢复放线菌和蓝细菌的微生物组成改变的压力通过调节肠道微生物群。在属级,105属鼠的肠道G2显示比例增加或减少,但在老鼠在G3、G4, 85%的肠道微生物群的恢复。也就是说,S24-7_unclassified细菌,乳酸菌、旅游芽孢杆菌,双歧杆菌属,脱磷孤菌属相对丰度降低,而拟杆菌,普氏菌,Parabacteria,不保密的芽孢杆菌,Rumenococcus,多利亚,振荡螺旋藻,不保密的Rumenococcus,棒状杆菌属,梭状芽胞杆菌在G2增加肠道内的老鼠。然而,老鼠G4组显示复苏的肠道微生物群在属级,也就是说,S24-7_unclassified细菌的比例,乳酸菌,双歧杆菌属,脱磷孤菌属减少(图6)。
(一)
(b)
4所示。讨论
Neurogastroenterology透露之间有直接的生化信号传输的胃肠道和中枢神经系统被称为肠脑轴(11]。一些报道表明,肠道微生物群可以影响和调节情绪的行为,这表明摄入益生菌可能提供有效成分以缓解抑郁症状(12]。益生菌对精神症状的影响与肠脑轴,和肠脑轴可以减少系统性炎症和调节神经传递(13]。虽然有些抑郁动物模型模拟表型的诱导神经元变化与人类相似,新疗法的发展和生物机制的抑郁症可能并不适用于人类。然而,在动物模型的前提下,可以提供适合人类的治疗策略,发现抑郁症状的分子和细胞机制在控制环境中是可靠的。
一些报道显示有规律的体育锻炼的效果在缓解心理症状(14,15]。在大鼠模型中,有氧运动可以通过调节肾上腺皮质轴反向抑郁症(16- - - - - -18]。在另一个老鼠模型中,有规律的体育锻炼可以提高等离子体的色氨酸水平,减少额叶皮质中5 -羟色胺的水平,从而减轻抑郁症的症状(19,20.]。此外,有规律的体育锻炼的中低负荷可以直接改变身体状况通过增加鼠李糖的比例JB-1和增强其效果γ酸氨基丁酸受体表达减少抑郁症的行为(21]。根据我们的观察,在大鼠模型中,同样的有规律的体育锻炼可以降低类似抑郁行为,如定期游泳。最近的一份报告也显示,慢性温和应激引起的焦虑和抑郁样行为三个有规律的体育锻炼可以提高:游泳、跑步机跑步,和负重梯子爬(22,23]。此外,有规律的体育锻炼也可以减轻抑郁和焦虑。定期慢跑和游泳治疗组、心理疼痛显著降低(24]。同时,慢性疲劳综合症患者的焦虑症状进行有氧体育锻炼均明显低于对照组。这些积极的发现表明体育锻炼疗法很有前景的策略25]。在这样的策略,有规律的体育锻炼可能成为治疗抑郁症的目标(26]。
虽然有规律的体育锻炼的作用在改善肠道微生物群的类型和功能改善抑郁症并没有精确探测,我们的研究表明,肠道微生物群失衡的特征在分类G1和G2之间明显不同。在门级,在G2放线菌的比例显著下降,而放线菌的比例在G4显著增加。造成以上差异的原因可能是,有规律的体育锻炼可以提高送货的效率Bifidobacteria-containing肠道益生菌,这反过来会增加丰富的放线菌在四国集团(27]。据报道,在放线菌的比例有显著差异和壁厚菌门之间的肠道微生物群的构成严重的抑郁症患者和健康的人28- - - - - -30.]。然而,在这项研究中,体内壁厚菌门的微生物的比例没有定期体育锻炼后的恢复。此外,肠道炎症可能参与抑郁症的发病机理(31日]。尽管这项研究的结果并不表明,有规律的体育锻炼可以缓解肠道炎症的老鼠,我们推测,有规律的体育锻炼能促进肠道益生菌的抗炎活性,保护肠道屏障功能,调节炎症介质,从而减少抑郁症的症状(32]。
总之,在老鼠身上有规律的体育锻炼可以调节与压力相关的行为。因为有规律的体育运动改变肠道微生物群的分布,本研究基于肠道菌群可能支持干预可以减少与压力相关的抑郁症状。还需要进一步的广泛的研究结合宏基因组和代谢组学来解释抑郁症和有规律的体育锻炼之间的关系。然而,根据我们的观察,我们可以澄清部分类型和功能之间的关系引起的肠道菌群的变化有规律的体育锻炼和抑郁症。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
呆在盛和宇轩王的贡献同样工作,他们的设计和运行实验。宇轩王,燕周,江泽民写道,回顾了手稿。周在香港提供了技术支持。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(81301194)。作者感谢该基金的支持。