Gut-härledda mikrobiella metaboliter har mångfacetterade effekter som leder till komplext beteende hos djur. Vi strävar efter att tillhandahålla en steg-för-steg-metod för att avgränsa effekterna av tarm-härledda mikrobiella metaboliter i hjärnan via intracerebroventrikulär leverans via en guidekanyl.
Effekten av tarmmikrobiota och deras metaboliter på värdens fysiologi och beteende har undersökts omfattande under detta decennium. Många studier har visat att tarmmikrobiota-härledda metaboliter modulerar hjärnmedierade fysiologiska funktioner genom invecklade tarm-hjärnvägar i värden. Kortkedjiga fettsyror (SCFA) är de viktigaste bakteriebaserade metaboliterna som produceras under kostfiberjäsning av tarmmikrobiomet. Utsöndrade SCFA från tarmen kan verka på flera platser i periferin, vilket påverkar immun-, endokrina och neurala svar på grund av den stora fördelningen av SCFA-receptorer. Därför är det utmanande att skilja de centrala och perifera effekterna av SCFA genom oral och intraperitoneal administrering av SCFA. Denna artikel presenterar en videobaserad metod för att förhöra SCFA: s funktionella roll i hjärnan via en guidekanyl i fritt rörliga möss. Mängden och typen av SCFA i hjärnan kan justeras genom att kontrollera infusionsvolymen och hastigheten. Denna metod kan ge forskare ett sätt att uppskatta rollen av gut-derived metaboliter i hjärnan.
Den mänskliga mag-tarmkanalen har olika mikroorganismer som påverkar värden 1,2,3. Dessa tarmbakterier kan utsöndra gut-härledda metaboliter under deras utnyttjande av kostkomponenter som konsumeras av värden 4,5. Intressant nog kan tarmmetaboliterna som inte metaboliseras i periferin transporteras till andra organ via cirkulation6. Observera att dessa utsöndrade metaboliter kan fungera som mediatorer för tarm-hjärnaxeln, definierad som den dubbelriktade kommunikationen mellan centrala nervsystemet och tarmen7. Tidigare studier har visat att tarmbaserade metaboliter kan modulera komplext beteende och känslor hos djur 8,9,10,11.
Kortkedjiga fettsyror (SCFA) är de viktigaste metaboliterna som produceras av tarmmikrobiota under jäsning av kostfiber och svårsmälta kolhydrater6. Acetat, propionat och butyrat är de vanligaste SCFA i tarmen12. SCFA fungerar som energikälla för celler i mag-tarmkanalen. Ometaboliserade SCFA i tarmen kan transporteras till hjärnan genom portalvenen, vilket modulerar hjärnan och beteendet 6,12. Tidigare studier har föreslagit att SCFA kan spela en kritisk roll vid neuropsykiatriska störningar 6,12. Till exempel räddade intraperitoneal injektion av butyrat i BTBR T + Itpr3tf / J (BTBR) -möss, en djurmodell av autismspektrumstörning (ASD), deras sociala underskott13. Antibiotikabehandlade råttor som fick mikrobiota från depressiva personer visade en ökning av ångestliknande beteenden och fekala SCFA14. Kliniskt observerades förändringar i fekala SCFA-nivåer hos personer med ASD jämfört med typiskt utvecklande kontroller15,16. Personer med depression har lägre fekala SCFA-nivåer än friska försökspersoner17,18. Dessa studier föreslog att SCFA kan förändra beteende hos djur och människor genom olika vägar.
Mikrobiella metaboliter utövar olika effekter på flera platser i kroppen, vilket påverkar värdens fysiologi och beteenden 4,19, inklusive mag-tarmkanalen, vagusnerven och sympatisk nerv. Det är svårt att fastställa den exakta rollen av gut-härledda metaboliter i hjärnan när administrera metaboliterna via perifera vägar. Detta dokument presenterar ett videobaserat protokoll för att undersöka effekterna av tarm-härledda metaboliter i hjärnan hos en fritt rörlig mus (figur 1). Vi visade att SCFA kunde ges akut genom guidekanylen under beteendetester. Metaboliternas typ, volym och infusionshastighet kan modifieras beroende på syftet. Platsen för kanylisering kan justeras för att utforska effekterna av tarmmetaboliter i en specifik hjärnregion. Vi strävar efter att ge forskare en metod för att utforska den potentiella effekten av tarm-härledda mikrobiella metaboliter på hjärnan och beteendet.
Gut-härledda metaboliter har associerats med hjärnmedierade sjukdomar utan mycket exakt mekanism, delvis på grund av deras flera bindningsställen i kroppen 6,12,24. Tidigare rapporter indikerade att SCFA kunde fungera som ligander för G-proteinkopplade receptorer, epigenetiska regulatorer och källor för energiproduktion på flera platser i kroppen 6,12. För att k…
The authors have nothing to disclose.
Vi erkänner laboratoriedjurcentrets personal vid National Cheng Kung University (NCKU) för att ta hand om djuren. Detta arbete stöddes av stipendiet från Prof. Kun-Yen Huang Education Fund of CHENG-HSING Medical Foundation till C.-W.L.; medel från ministeriet för vetenskap och teknik (MOST) i Taiwan: (Grundutbildning MOST 109-2813-C-006-095-B) till T.-H.Y.; (MEST 107-2320-B-006-072-MY3; 109-2314-B-006-046; 110-2314-B-006-114; 110-2320-B-006-018-MY3) till W.-L.W.; och Higher Education Sprout Project, utbildningsministeriet till huvudkontoret för universitetsutveckling vid NCKU till W.-L.W.
Material | |||
Advil Liqui-Gels Solubilized Ibuprofen A2:D41 | Pfizer | n/a | |
Alexa Fluor 488 donkey anti-rabbit | ThermoFisher Scientific | A-21206 | |
Anti-Fluorescent Gold (rabbit polyclonal) | Millipore | AB153-I | |
Bottle Top Vacuum Filter, 500 mL, 0.22 μm, PES, Sterile | NEST | 121921LA01 | |
CaCl2 | Sigma-Aldrich | C1016 | ACSF: 0.14 g/L |
Chlorhexidine scrub 2% | Phoenix | NDC 57319-611-09 | |
Chlorhexidine solution | Phoenix | NDC 57319-599-09 | |
Commercial dummy | RWD Life Science | 62004 | Single_OD 0.20 mm/ M3.5/G = 0.5 mm |
Commercial guide cannul | RWD Life Science | 62104 | Single_OD 0.41 mm-27G/ M3.5/C = 2.5 mm |
Commercial injector | RWD Life Science | 62204 | Single_OD 0.21 mm-33G/ Mates with M3.5/C = 3.5 mm/G = 0.5 mm |
D-(+)-Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | ACSF: 0.61 g/L |
Dental acrylic | HYGENIC | n/a | |
Fixing screws | RWD Life Science | 62521 | |
Fluoroshield mounting medium with DAPI | Abcam | AB104139 | |
Horse serum | ThermoFisher Scientific | 16050130 | |
Insulin syringes | BBraun | XG-LBB-9151133S-1BX | 1 mL |
Isoflurane | Panion & BF biotech | DG-4900-250D | |
KCl | Sigma-Aldrich | P3911 | ACSF: 0.19 g/L |
Ketoprofen | Swiss Pharmaceutical | n/a | |
Lidocaine | AstraZeneca | n/a | |
Low melting point agarose | Invitrogen | 16520 | |
MgCl2 | Sigma-Aldrich | M8266 | ACSF: 0.19 g/L |
Microscope cover slips | MARIENFELD | 101242 | |
Microscope slides | ThermoFisher Scientific | 4951PLUS-001E | |
Mineral oil light, white NF | Macron Fine Chemicals | MA-6358-04 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | ACSF: 7.46 g/L |
NaH2PO4 | Sigma-Aldrich | S8282 | ACSF: 0.18 g/L |
NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S5761 | ACSF: 1.76 g/L |
n-butyl cyanoacrylate adhesive (tissue adhesive glue) | 3M | 1469SB | 3M Vetbond |
Neural tracer | Santa Cruz | SC-358883 | FluoroGold |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | P6148 | |
Polyethylene tube | RWD Life Science | 62329 | OD 1.50, I.D 0.50 mm and OD 1.09, I.D 0.38 mm |
Puralube Vet (eye) Ointment | Dechra | 12920060 | |
Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S2889 | SCFAs: 13.5 mM |
Sodium azide | Sigma-Aldrich | S2002 | |
Sodium butyrate | Sigma-Aldrich | B5887 | SCFAs: 8 mM |
Sodium propionate | Sigma-Aldrich | P1880 | SCFAs: 5.18 mM |
Stainless guide cannula | Chun Ta stainless steel enterprise CO., LTD. | n/a | OD 0.63 mm; Local vendor |
Stainless injector | Chun Ta stainless steel enterprise CO., LTD. | n/a | OD 0.3 mm; dummy is made from injector; local vendor |
Superglue | Krazy Glue | KG94548R | |
Triton X-100 | Merck | 1.08603.1000 | |
Equipment | |||
Cannula holder | RWD Life Science | B485-68217 | |
Ceiling camera | FOSCAM | R2 | |
Digital stereotaxic instruments | Stoelting | 51730D | |
Dissecting microscope | INNOVIEW | SEM-HT/TW | |
Glass Bead Sterilizer | RWD Life Science | RS1501 | |
Heating pad | Stoelting | 53800M | |
Leica microscope | Leica | DM2500 | |
Micro Dissecting Forceps | ROBOZ | RS-5136 | Serrated, Slight Curve; Extra Delicate; 0.5mm Tip Width; 4" Length |
Micro Dissecting Scissors | ROBOZ | RS-5918 | 4.5" Angled Sharp |
Microinjection controller | World Precision Instruments (WPI) | MICRO2T | SMARTouch Controller |
Microinjection syringe pump | World Precision Instruments (WPI) | UMP3T-1 | UltraMicroPump3 |
Microliter syringe | Hamilton | 80014 | 10 µL |
Optical Fiber Cold Light with double Fiber | Step | LGY-150 | Local vendor |
Pet trimmer | WAHL | 09962-2018 | |
Vaporiser for Isoflurane | Step | AS-01 | Local vendor |
Vibratome | Leica | VT1000S | |
Software | |||
Animal behavior video tracking software | Noldus | EthoVision | Version: 15.0.1416 |
Leica Application Suite X software | Leica | LASX | Version: 3.7.2.22383 |