Tarmafledte mikrobielle metabolitter har mangesidede virkninger, der fører til kompleks adfærd hos dyr. Vi sigter mod at give en trinvis metode til at afgrænse virkningerne af tarmafledte mikrobielle metabolitter i hjernen via intracerebroventrikulær levering via en guidekanyle.
Virkningen af tarmmikrobiota og deres metabolitter på værtsfysiologi og adfærd er blevet grundigt undersøgt i dette årti. Talrige undersøgelser har afsløret, at tarmmikrobiota-afledte metabolitter modulerer hjernemedierede fysiologiske funktioner gennem indviklede tarm-hjerneveje i værten. Kortkædede fedtsyrer (SCFA’er) er de vigtigste bakterieafledte metabolitter, der produceres under kostfiberfermentering af tarmmikrobiomet. Udskillede SCFA’er fra tarmen kan virke på flere steder i periferien, hvilket påvirker immun-, endokrine og neurale reaktioner på grund af den store fordeling af SCFA-receptorer. Derfor er det udfordrende at differentiere de centrale og perifere virkninger af SCFA’er gennem oral og intraperitoneal administration af SCFA’er. Dette papir præsenterer en videobaseret metode til at forhøre SCFA’ers funktionelle rolle i hjernen via en guidekanyle i frit bevægelige mus. Mængden og typen af SCFA’er i hjernen kan justeres ved at kontrollere infusionsvolumen og -hastighed. Denne metode kan give forskere en måde at værdsætte den rolle, som tarmafledte metabolitter spiller i hjernen.
Den menneskelige mave-tarmkanal har forskellige mikroorganismer, der påvirker værten 1,2,3. Disse tarmbakterier kan udskille tarmafledte metabolitter under deres udnyttelse af diætkomponenter, der forbruges af værten 4,5. Interessant nok kan tarmmetabolitterne, der ikke metaboliseres i periferien, transporteres til andre organer via cirkulation6. Bemærk, at disse udskillede metabolitter kan tjene som mediatorer for tarm-hjerneaksen, defineret som tovejskommunikationen mellem centralnervesystemet og tarmen7. Tidligere undersøgelser har vist, at tarmafledte metabolitter kan modulere kompleks adfærd og følelser hos dyr 8,9,10,11.
Kortkædede fedtsyrer (SCFA’er) er de vigtigste metabolitter, der produceres af tarmmikrobiota under fermentering af kostfibre og ufordøjelige kulhydrater6. Acetat, propionat og butyrat er de mest rigelige SCFA’er i tarmen12. SCFA’er tjener som energikilde for celler i mave-tarmkanalen. Umetaboliserede SCFA’er i tarmen kan transporteres til hjernen gennem portalvenen og dermed modulere hjerne og adfærd 6,12. Tidligere undersøgelser har antydet, at SCFA’er kan spille en kritisk rolle i neuropsykiatriske lidelser 6,12. For eksempel reddede intraperitoneal injektion af butyrat i BTBR T + Itpr3tf / J (BTBR) mus, en dyremodel for autismespektrumforstyrrelse (ASD), deres sociale underskud13. Antibiotikabehandlede rotter, der modtog mikrobiota fra depressive forsøgspersoner, viste en stigning i angstlignende adfærd og fækale SCFA’er14. Klinisk blev ændringer i fækale SCFA-niveauer observeret hos mennesker med ASD sammenlignet med typisk udviklende kontroller15,16. Mennesker med depression har lavere fækale SCFAs niveauer end raske forsøgspersoner17,18. Disse undersøgelser antydede, at SCFA’er kan ændre adfærd hos dyr og mennesker gennem forskellige ruter.
Mikrobielle metabolitter udøver forskellige virkninger på flere steder i kroppen, hvilket påvirker værtsfysiologi og adfærd 4,19, herunder mave-tarmkanalen, vagusnerven og sympatisk nerve. Det er vanskeligt at fastslå den præcise rolle, som tarmafledte metabolitter spiller i hjernen, når metabolitterne administreres via perifere veje. Dette papir præsenterer en videobaseret protokol til at undersøge virkningerne af tarmafledte metabolitter i hjernen hos en frit bevægende mus (figur 1). Vi viste, at SCFA’er kunne gives akut gennem guidekanylen under adfærdstest. Typen, volumen og infusionshastigheden af metabolitter kan ændres afhængigt af formålet. Stedet for kanylering kan justeres for at undersøge virkningen af tarmmetabolitter i en bestemt hjerneregion. Vi sigter mod at give forskere en metode til at udforske den potentielle indvirkning af tarmafledte mikrobielle metabolitter på hjernen og adfærd.
Tarmafledte metabolitter har været forbundet med hjernemedierede sygdomme uden meget præcis mekanisme, delvis på grund af deres flere bindingssteder i kroppen 6,12,24. Tidligere rapporter viste, at SCFA’er kunne tjene som ligander for G-proteinkoblede receptorer, epigenetiske regulatorer og kilder til energiproduktion på flere steder i kroppen 6,12. For at omgå de f…
The authors have nothing to disclose.
Vi anerkender laboratoriet dyr center personale på National Cheng Kung University (NCKU) for at passe dyrene. Dette arbejde blev støttet af stipendiet fra Prof. Kun-Yen Huang Education Fund fra CHENG-HSING Medical Foundation til C.-W.L.; midlerne fra ministeriet for videnskab og teknologi (MOST) i Taiwan: (Undergraduate Research MOST 109-2813-C-006-095-B) til 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) til W.-L.W.; og Higher Education Sprout Project, Undervisningsministeriet til hovedkvarteret for University Advancement på NCKU til 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 |