科研 | Molecular Psychiatry:宏基因组揭示了肠道微生物组可调节腹侧海马应激受损大鼠的抑郁行为及炎症过程
编译：国服王昭君，编辑：小菌菌、江舜尧。
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长期慢性压力暴露与抑郁症，广泛性焦虑症和创伤后应激障碍的发生率增加有关。然而，压力导致的对这些疾病的易感性仅出现在亚群体中，因为其他人可适应这种改变。炎症被认为是促成压力易感性的一个基础机制。先前的研究显示，使用社交失败的啮齿动物模型，其中短期失败延迟（SL /压力易感）的大鼠表现出焦虑和抑郁样行为增加，且这些行为是由腹侧海马炎症介导的。另一部分表现出长期失败延迟（LL /抗压）的大鼠，其行为学结果与对照组相似。
由于肠道微生物是炎症反应的重要激活剂，因此评估了肠道微生物组在调节反复社交失败压力易感性中的作用。使用宏基因组测序分析了对照组，SL /压力易感组和LL /抗压组大鼠的粪便微生物组，并观察到SL /压力易感组大鼠中免疫调节微生物群（如梭菌）的表达增加。
然后测试了肠道微生物群在SL /易感表型中的重要性。将SL /易感大鼠的微生物群移植到幼年大鼠中，结果发现相对于接受来自LL /抗压大鼠、非应激对照大鼠菌群的移植，接受SL /易感大鼠微生物的测试组显示出腹侧海马中小胶质细胞密度、IL-1β表达及抑郁样行为均增高。然而，焦虑样行为并未发生改变。结果表明肠道菌群在调控抑郁相关的行为模式和大脑炎症方面具有重要作用。
论文ID
原名：The gut microbiome regulates the increases in depressive-type behaviors and in inflammatory processes in the ventral hippocampus of stress vulnerable rats
译名：肠道微生物组可调节腹侧海马应激受损大鼠的抑郁行为及炎症过程
期刊：Molecular Psychiatry
IF：11.640
发表时间：2019.2
通讯作者：Seema Bhatnagar
作者单位：宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院
实验设计
研究1 对抵抗、敏感和对照组大鼠菌群的分析
DAY 0 : 采集粪便
DAY1-7 ：构建模型
DAY8 : 采集粪便，鉴定敏感及抵抗大鼠
实验设计见图1a
图1 SL组和LL组粪便微生物的差异
研究2 确定粪便移植是否可以将压力敏感和抵抗大鼠的行为和神经表型传递至对照组
抑郁行为指标：强迫游泳试验
焦虑行为指标：社交互动
实验设计见图2a
图2 粪便移植对肠道微生物群重构的影响
结果
研究 1
1 α多样性增加与压力易感相关
DAY0: 各组间无差异
DAY0-8: SL/敏感组增加（p=0.003），对照组和LL/抵抗组未增加（图1c）
DAY8: SL组相比对照组增加显著（p=0.001），SL组相比LL组有所增加，但无统计学差异（p=0.06）
这些数据表明SL /敏感大鼠在社交失败后的肠道微生物组表现出更多的多样性。LL /抵抗组和对照大鼠彼此没有显着差异。
2 社交失败显示β多样性增加
检测β多样性以确定菌群在样品之间的差异。方法：Bray Curtis distances
DAY0: 无显著性差异（图1d）
DAY0-8: SL组和LL组均增加（p = 0.02）
DAY8: SL组和LL组均显著改变（p = 0.022）
这些数据表明各组之间预先不存在差异，但是反复社交失败后，SL 组和LL组大鼠均表现出显著不同的菌群改变。另外对LE大鼠的β多样性检测显示（图中未显示），在第0天，LE组相对于对照、SL 和LL 组大鼠有显著性差异。在第8天使用Adonis检验显示LE组与SL 组（p = 0.005）、LE组与LL组（p = 0.004）之间存在显著性差异，表明社交失败大鼠的微生物群与普通大鼠的微生物不一致。这些数据表明，社交失败大鼠中细菌群落的变化不是由于暴露于普通大鼠的微生物群中而导致的。
3 微生物纲（class）水平差异
从DAY0到DAY8，在SL大鼠中有四个纲显著改变（图1e）：芽孢杆菌纲显着增加（p=0.01），梭菌纲有增加趋势（p = 0.1），拟杆菌纲显著减少（p = 0.007）。在LL大鼠中，芽孢杆菌纲有增加趋势（p = 0.1）。虽然在第0天没有观察到组间差异，但在第8天，SL 组大鼠的放线菌纲显着高于对照组（p = 0.04）和LL 组大鼠（p = 0.05），SL组相对于对照组芽孢杆菌纲及梭菌纲都显著增加（p = 0.0004，p=0.05），SL大鼠的拟杆菌纲显著低于对照大鼠（p = 0.004）。LL和对照大鼠第8天在纲水平上没有观察到显著差异。
4 微生物属（genus）水平差异
第0天和第8天之间有13个显着的时间效应，在第0天和第8天之间，SL组有7个属显著改变，LL 组中有6个属显著改变。在第8天，有18个显著的组效应。其中14个存在于SL和对照大鼠之间，4个在LL和对照大鼠之间（图1f）。SL组（p = 0.008）和LL组（p = 0.02）中最强烈的变化是拟杆菌（Bacteroides Bacteroides）的减少（图1f）。第0天到第8天，厚壁菌门的乳杆菌属在SL组（p = 0.008）和LL组（p = 0.04）中均增加。厚壁菌门的乳杆菌属的平均相对丰度在SL组：DAY0的0.006增加0.05，在LL 组大鼠中，从0.006增加到0.08。正如预期的那样，此类改变与SL大鼠中发现的梭菌纲的细菌增加，如厚壁菌门的梭菌属（P = 0.02;图1g）和厚壁梭菌目（P = 0.06;图中未显示）。
5 微生物种（Species）水平差异
SL组与对照组中共有24个种改变，LL组与对照组中共16个种改变。SL和LL组间无差异。从时间效应来看，DAY0到DAY8，SL和LL组分别有17个种改变。在动物模型中发现有抗抑郁作用的罗伊氏乳杆菌在LL组中增加（图1h）平均相对丰度= 0.06; p = 0.0004)，在SL中有较少的增加（平均相对丰度=0.03; p = 0.0001）。总之，宏基因结果显示，压力对于微生物构成的改变在SL组较LL组明显。
6 芽孢杆菌纲和梭菌纲的比值
较低水平的厚壁菌门和拟杆菌门（F/B比值）的比值被认为是健康正常的肠道菌群。在本研究中，DAY0-DAY8期间SL和LL组均表现出升高的F/B比值(p < 0.05)，在DAY8时SL组和LL组相比对照组比值更高(p < 0.05;Fig. 1i)。我们也检测了芽孢杆菌纲和梭菌纲的比值（B/C），因为芽孢杆菌纲包含许多有抗炎作用的细菌，如Lactobacillus rahmnosus，嗜酸乳杆菌及罗伊氏乳杆菌，而梭菌纲的升高经常伴随着炎性改变和较高水平的致病菌。DAY0-DAY8，LL组B/C显著升高(p = 0.02)，而SL组无显著性改变。这些数据表明，B/C比值是一种新的反应压力影响的指数，并且B/C比值增加可能表明对压力的炎症效应有保护作用。
研究2
1 粪便移植可以显著改变无压力受体的菌群
如前所述，在第0天时各组间菌群无差异。但在第6天（5天灌胃后）发现SL组和LL组的菌群均存在显著性改变（图2b）。Sourcetracker分析证实了这些发现：接受口服灌胃载体（PBS）的大鼠粪便菌群或来自非应激对照的菌群从第0天到第6天没有变化，而接受SL组和LL组粪便移植的大鼠从第0天开始发生显着变化（图2c）。我们评估了从第6天到第9天（行为测试后）微生物组是否有变化。在第6天和第9天之间微生物群的唯一显著差异是用来自对照大鼠的样品处理的大鼠（p = 0.04）。在实验过程中各组的体重增加没有显着差异，表明与PBS灌胃相比，粪便移植没有副作用（图3a）。总之，这些数据表明灌胃法粪便移植有效地改变了非应激大鼠的微生物群落结构。
图3 粪便移植对普通大鼠行为表型的促进作用
2 从SL粪便移植至普通大鼠促使压力敏感的行为指标的产生
在受者组间的社交互动试验中花费的时间没有差异（图3b）。这表明受者组间的焦虑样行为没有差异（图3b）。这一发现很有趣，因为之前的研究显示SL大鼠的社交互动减少。在FST中，用SL大鼠的微生物群处理的大鼠不动性潜伏期降低（图3c）和不动时间增加（图3d），这表明抑郁样行为增加。用SL微生物群处理的大鼠游泳时间显着减少（图3e）。最后，SL大鼠攀爬的时间较少，但这种影响没有达到统计学意义（图3f）。
3 从SL粪便移植至普通大鼠促使vHPC中的促炎表型的产生
被SL大鼠的微生物群处理后的大鼠的vHPC中Iba1阳性细胞的数量和面积增加（图4a-c），表明小胶质细胞激活增加。通过对各组的VWF染色评估，其血管重塑没有显著差异（图4d，e）。接受来自SL微生物群的大鼠中，促炎细胞因子IL-1β的表达显著增加（图4f）。在接受来自SL和LL 大鼠的微生物群的大鼠中，抗炎细胞因子IL-10显著增加（图4g）。接受来自SL微生物群的大鼠血浆中BBB通透性标记物S100β显着增加（图4h），与之前的数据一致，表明SL大鼠中由炎症诱导的BBB通透性增加。接受SL微生物群的大鼠血浆中的皮质酮显着增加（图4i）。
图4 接受SL组粪便移植的非应激大鼠中，腹侧海马（vHPC）和血浆中炎症标志物增加
4 炎症细胞因子的血浆水平没有变化
Luminex测定的结果显示炎性细胞因子蛋白浓度在任何条件下都没有变化。在一些情况下，细胞因子的浓度低于测定的检测极限。在测试的44个样品中，仅有16个受试者具有可检测的IL-1β水平，以及4个受试者具有可检测的IL-6水平。我们使用ELISAs确认了这些低水平。低血浆浓度的炎性细胞因子表明，无论接受何种状态大鼠的粪便移植，其外周炎症没有增加。
结论
总的来说，这项研究的结果表明肠道微生物组在压力易感和抗压动物中组成结构不同。无论压力易感或是抗压型，压力均会改变大鼠中某些细菌的增殖。此外，在SL组和LL组中均有特定的细菌种类改变，特别是免疫调节类梭菌。压力易感大鼠的肠道微生物群可以驱动vHPC中的炎症过程，例如小胶质细胞活性增加和vHPC中IL-1β增加，以及BBB通透性增加。重要的是，SL大鼠的肠道微生物群可以促使产生抑郁样表型。然而，肠道的驱动作用过程并没有增加血管重塑或促进社交互动期间的焦虑样行为。这些数据表明大脑产生压力效应需要在社会交互过程中产生血管重塑和焦虑样行为，而肠道微生物正是大鼠vHPC炎症过程和抑郁样行为的重要驱动力量。未来需要使用更广泛的行为研究来确认这些发现。未来的工作将着力于发现vHPC中的炎症过程是否是肠道微生物群促使用抑郁样行为所必需的。总之，这项研究表明肠道菌群在调控抑郁相关的行为模式方面具有重要作用，并确定了vHPC的炎症过程与肠道微生物介导的抑郁样行为有关，可促进对焦虑和抑郁行为机制的研究以及开发相应的治疗措施。
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