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    公司公告

    喜讯!天昊微生物项目文章登陆国际顶尖期刊《Advanced Science》

    发稿时间:2021-03-05来源:天昊生物


    中南大学湘雅医院骨科谢辉教授团队的研究成果近期发表在国际顶尖期刊《Advanced Science》上,研究成果发现来自儿童肠道微生物群的细胞外囊泡进入骨骼从而可以保持骨量和强度,

    在这项研究中天昊生物有幸承担了样品的相对定量扩增子测序和生信分析工作。在恭喜客户发表文章同时,我们想跟大家分享一下文章的研究思路。

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

    中文题目:来自儿童肠道微生物群的细胞外囊泡进入骨骼以保持骨量和强度

    期刊名: Advanced Science

    影响因子:15.840

    最近,肠道微生物群(GM)已被证明是骨内稳态的调节者,肠道微生物群调节骨量的机制仍在研究中。在这里,我们发现来自儿童(CGM)而不是来自老年人(EGM)的肠道微生物群的定植阻止了传统饲养的卵巢切除(OVX)诱导的骨质疏松小鼠模型(绝经后骨质疏松症动物模型)的骨量和骨强度的降低。16S rRNA扩增子测序显示儿童肠道微生物群(CGM)逆转了OVX诱导的Akkermansia muciniphila (Akk)的减少;直接补充Akk足以纠正OVX引起的骨代谢失衡,预防骨质疏松;机制研究表明,细胞外囊泡(EVs)的分泌是CGMAkk诱导的骨?;ぷ饔盟匦璧?,这些纳米小泡可以通过增强成骨活性和抑制破骨细胞的形成而进入并积聚到骨组织中,从而减弱OVX诱导的骨质疏松表型。本研究表明,肠道细菌Akk介导儿童肠道微生物群(CGM)诱导的抗骨质疏松作用,并提出了肠道微生物群与宿主骨之间信号交换的新机制。

    骨质疏松症是老年人尤其是绝经后妇女常见的骨病。改善骨骼健康和预防骨质疏松症仍需要更理想的干预措施。肠道微生物群(GM)是宿主胃肠道内的微生物群落(细菌、真菌、病毒等)。宿主肠道为GM的生长提供了一个环境,GM中的一些成员,如一些肠道细菌,通过调节肠道发育、营养物质消化、免疫状态和大脑等各种生理过程,参与维持宿主体内平衡。最近的研究也将GM与骨骼健康联系起来。Sj?gren等人发现,7周龄的无菌雌性C57BL/6小鼠的破骨细胞数量较少,骨量也高于年龄和性别匹配的常规饲养小鼠;无菌小鼠1个月的细菌定植使骨量正?;?,这表明GM对骨骼有负面影响。然而,Quach等人最近的一项研究表明,在4周大的无菌雄性和雌性瑞士Webster小鼠和C57BL/6小鼠中,用小鼠或人类来源的GM定植不会导致骨丢失。Schwarzer等人发现,8周龄的无菌雄性BALB/c小鼠的骨生长速度比传统饲养的小鼠慢。Yan等人报道,2个月大的无菌雌性和雄性CB6F1小鼠长期定植3个月大的特异性无病原体(SPF)雄性小鼠的粪便微生物群,导致股骨长度显著增加,骨小梁微结构有改善的趋势,因此,GM对骨骼也有积极作用。关于GM对骨影响的不同结果可能是由于小鼠的品系、年龄、性别或定植时间的不同,另一个可能决定GM对骨影响的关键变量是微生物的群落组成,有证据表明,常规雌性C57BL/6小鼠在断奶或出生时接受抗生素治疗320周后,骨密度(BMD)增加??股乇┞恫换峤档统Φ牢⑸锓岫?,但显著改变了肠道微生物群落组成,增加了肠道微生物群的系统发育多样性,提示某些肠道微生物丰度的变化可能与抗生素治疗对骨量的积极作用有关。以往的研究已经证实了许多益生菌对骨骼健康的有益作用,提示GM对骨骼的影响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组成,群落结构的改变可能导致GM对骨骼的不同影响。GM组成会受到各种因素的影响,如雌激素缺乏和衰老。骨骼老化和雌激素缺乏可导致骨重塑失衡,其特征是骨吸收大于骨形成,从而导致骨丢失甚至骨质疏松??悸堑讲煌难芯勘砻?/span>GM对骨健康有不同的影响,这种差异可能与GM组成的改变有关,我们推测某些微生物丰度的变化可能是导致骨重建失衡和随后骨丢失的关键因素,因此,识别调节这一过程的微生物以及如何恢复平衡的GM以预防骨质疏松变得尤为重要。据报道,用瘦人粪便微生物群移植可减少肥胖受体小鼠的肥胖症增加;用马拉维饮食的小鼠在接受营养不良的马拉维婴儿/儿童粪便微生物群后变得营养不良,提示GM具有将某些表型从供体转移到受体的潜力。由于儿童时期是一个快速生长的时期,我们推测健康儿童的GM可能含有有益于骨健康的特定微生物,与儿童GM或有益微生物一起移植可能能够恢复骨质疏松患者的骨重建平衡并诱导健康的骨表型。鉴于GM在调节骨健康方面的重要性,探讨GM与宿主骨的通讯机制具有重要意义。近年来,在原核生物和高等真核生物中,细胞间的生物信号交换主要是通过胞外囊泡的分泌来实现的。在革兰氏阴性菌和某些革兰氏阳性菌中普遍存在EVs产生。GM衍生的EV20-400 nm)使细菌能够以集中和?;さ姆绞浇嘀中вΨ肿哟莸皆洞Φ陌邢赴?,从而调节受体细胞的功能。2013年,Kang等人对粪便来源的EV进行了鉴定,发现粪便细菌Akkermansia muciniphilaAkk)的EV可以抑制大肠杆菌来源的EV诱导的结肠上皮细胞炎症,并?;ば∈竺馐苁笛樾越岢ρ椎挠跋?,这表明来自GM特定成员的EV具有功能作用。最近,Choi等人报道,口服高脂饮食喂养的小鼠粪便来源的EV或肠道共生的Pseudomonas panacis来源的EV可诱导受体老鼠产生胰岛素抵抗和葡萄糖不耐受。此外,他们还发现,Pseudomonas panacis来源的EV可穿过小鼠肠上皮屏障,进入肝脏、脂肪组织和骨骼肌等胰岛素敏感组织,这意味着GM可以通过EV与靶细胞的直接相互作用来调节宿主远端器官的功能,这提示我们探讨功能性EVs从特定微生物向骨组织的转移是否是GM诱导的骨健康调控的关键机制。在这里,我们探讨了常规饲养的卵巢切除(OVX)诱导的骨质疏松C57BL/6小鼠接受来自健康儿童的GM的定植是否可以通过逆转有益于骨健康的特定肠道微生物水平来诱导骨生长和预防骨质疏松,我们还确定了功能性EVs从这些特定微生物向骨细胞的远端转移是否是GM调节骨量的关键机制。


    健康儿童GMCGM)预防OVX小鼠骨丢失并改变骨代谢

    了探讨GM是否能预防骨质疏松症患者的骨丢失,我们在常规饲养的C57BL/6小鼠上通过OVX手术建立了绝经后骨质疏松症动物模型。我们分别从三个不同家庭(每个家庭一个CGM供体和一个EGM供体)的三名健康儿童和三名健康老人身上采集儿童肠道菌群(CGM)和老年人肠道菌群(EGM)样本。表S1显示了显示供体受试者代谢状态的参数水平,包括体重、身高、体重指数(BMI)、血糖、血清总蛋白、白蛋白、球蛋白、白蛋白/球蛋白比率、总胆固醇和甘油三酯。CGMEGM供体的这些参数主要在正常水平范围内波动(表S1),表明所有CGMEGM供体都处于健康的代谢状态。与CGM供体相比,EGM供体的血糖、血清总蛋白、球蛋白、总胆固醇和甘油三酯的平均值较高,血清白蛋白和白蛋白/球蛋白比值较低,但仅呈趋势(表S1)。我们将不同供者来源的CGMEGM混合均匀,观察其对骨代谢的影响。S1A显示,与假手术(Sham)小鼠相比,所有OVX小鼠的体重均增加,与先前研究的结果一致。与假手术小鼠相比,所有OVX小鼠的子宫重量和子宫大小均减少,证实了OVX的成功(图S1B,C)。股骨显微计算机断层扫描(μCT)分析显示,与假手术小鼠相比,溶媒(vehicle)处理的OVX小鼠表现出明显的骨量减少和骨微结构受损,表现为BMD,小梁骨体积分数(Tb. BV/TV),小梁数(Tb.N),小梁厚度(Tb.Th),皮质骨面积分数(Ct. Ar/Tt. Ar)和皮质厚度(Ct.Th)降低,皮质骨面积(Ct.Ar)具有减少趋势;而溶媒处理的OVX小鼠的小梁间距(Tb.Sp)明显高于假手术小鼠小鼠(图1A-G;图S1D-F)。经过8周每周两次口服合并CGM(而非EGM)后,大多数显示骨量或骨微结构改变的参数显著逆转(图1A-G;图S1D-F)。与骨量和骨微结构恢复一致,股骨长度分析和三点弯曲试验表明,合并CGM的定植导致OVX小鼠股骨长度进一步增加,并阻断股骨最大弯曲负荷的降低,然而,EGM移植导致骨长度和强度下降(图1H,I)。为了排除个体差异的可能性,我们随后从上述供体获得新鲜的CGMEGM样品,并且不混合来自不同供体的CGMEGM样品。与假手术小鼠相比,在所有OVX小鼠中观察到体重显著增加(图S2A)和子宫重量减少(图S2B),进行了动物实验来评估来自这些供体的CGMEGM对骨健康的影响,结果显示,所有儿童供体来源的GM,与来自不同儿童供体的混合GM相似,能够独立抑制OVX小鼠的骨量损失,但上述供体的EGM均未诱导显著的骨?;ぷ饔茫ㄍ?/span>1J-P;图S2C-E)。此外,与溶媒(vehicle)处理的OVX小鼠相比,用供体2-和供体3-衍生的CGMCGM2CGM3)处理的OVX小鼠显示出明显增加的股骨长度,但是在用不同供体的每种EGM处理的OVX小鼠中未检测到这种效应(图1Q)。所有CGM(非任何一种EGM)也显著逆转了OVX引起的股骨最大弯曲负荷的减少(图1R)。这些结果表明,年轻供体移植GM可以抑制OVX小鼠的骨丢失,促进骨生长,维持骨强度,并且GM的抗骨质疏松作用随着供体年龄的增长而丧失。

    然后我们测试了不同来源的CGMEGMOVX小鼠成骨和破骨细胞生成的影响。OCN免疫组化染色显示,与假手术小鼠相比,溶媒处理的OVX小鼠的小梁骨表面上有更多的成骨细胞,并且上述每种儿童供体来源的GM的定植到OVX小鼠进一步增加了成骨细胞的数量(图2A,B),然而,在用任何一种获得的EGM治疗的OVX小鼠中均未观察到促成骨作用(图2A,B)。同样地,酶联免疫吸附试验(ELISA)显示,不同供体来源的CGM(而非EGM)的定植进一步增加了OVX小鼠的血清骨钙素水平(OCN,成骨分化的标志物)(图2C)??咕剖崴嵝粤姿崦福?/span>TRAP)染色表明,OVX诱导破骨细胞的数量和大小显著增加,但通过不同供体来源的CGM的定植作用,这种作用完全逆转(图2D,E),在所有EGM定植的OVX小鼠中未观察到破骨细胞数量和大小的显著变化(图2D,E;图S2F)。ELISA显示,所有供体来源的CGM显著抑制OVX诱导的I型胶原C末端末端肽(CTX-I)血清水平的增加,而EGM处理的OVX小鼠与溶媒处理的OVX小鼠相比,该骨吸收标记物的血清水平表现出进一步增加的趋势(图2F),这表明EGM对骨分解代谢的影响。钙黄绿素双标显示,不同来源的CGM移植可以挽救OVX小鼠新骨形成和矿化的损伤,而所有来源的EGM均不影响这一过程,如每个骨表面的骨形成率(BFR/BS)和矿物沉积率(MAR)值所示(图2G-I)。这些结果表明,CGM在骨质疏松小鼠体内的定植通过促进成骨细胞骨形成和抑制破骨细胞骨吸收来逆转骨代谢失衡,最终增加骨量和强度。