代謝組學+16s研究Tempol對PCOS的潛在治療效果
發表期刊：Redox Biology
發表時間：2021 February
影響因子：9.986
合作客戶：北京婦產醫院
百趣生物提供服務：非靶標代謝組學+16s+關聯分析
多囊卵巢綜合征(PCOS)是一種復雜的內分泌和代謝障礙，常伴有氧化應激。Tempol是一種超氧化物歧化酶模擬物，可以防止氧化應激引起的幾種疾病。然而，Tempol對PCOS的影響還沒有被研究。因此，本文通過代謝組學和16s研究Tempol對PCOS的潛在治療效果。
1.研究概覽
- 課題方向：Tempol通過減輕腸道氧化應激和調節腸道微生物組成-血清代謝產物相互作用改善多囊卵巢綜合征
- 組學平臺：LC-MS（血清n=8~9），16sRNA（糞便n=5~6），WB
- 分組情況：Oil + PBS組 , DHEA + PBS組 , 和 DHEA + Tempol組
- 分析圖：PCA圖、熱圖、相關性熱圖、PCoA圖、NMDS圖、相似性分析圖等
2.研究結果
1. Tempol能降低DHEA誘導的PCOS大鼠的卵巢功能障礙和細胞凋亡
圖1 Tempol可緩解脫氫表雄酮(DHEA)誘導的PCOS大鼠的卵巢功能障礙
作者使用3周大的雌性青春期前斯普拉格氏大鼠每天皮下注射60mg/kgDHEA來誘導PCOS。
如圖1所示，分別構建三組模型小鼠，分別為Oil + PBS（對照組）, DHEA + PBS（PCOS大鼠）, DHEA + Tempol（Tempol干預治療組）。通過對小鼠發情周期、卵巢組織病理切片、黃體和囊性卵巢數量、五種血清中性激素含量、血清膽汁酸、裂解半胱甘蛋白酶-3含量及大鼠細胞凋亡比例等指標的測定表明Tempo改善了PCOS大鼠卵巢功能障礙和卵巢組織的病理損傷。
2. Tempol能適度改善DHEA誘導的PCOS大鼠的葡萄糖耐量
圖2 Tempol對PCOS大鼠葡萄糖耐量和胰島素敏感性的影響
由于PCOS與代謝紊亂密切相關，作者評估了不同組的胰島素敏感性和葡萄糖穩態。雖然空腹血糖水平無顯著差異，但DHEA+PBS組的大鼠比Oil + PBS組顯示出更高的空腹血清胰島素水平和HOMA-IR值。Tempol顯著降低了空腹胰島素水平，而研究發現它對PCOS大鼠的空腹血糖水平和HOMA-IR值無顯著影響(圖2A-C)。OGTTs顯示，PCOS大鼠的葡萄糖清除率延遲和曲線下的面積增加，這表明DHEA誘導會降低葡萄糖的排泄能力。Tempol用藥對葡萄糖耐量的損害有所改善(圖2D)。ITTs表明，這三組的大鼠對胰島素的反應都是一樣的(圖2E)。
3. Tempol可改善PCOS大鼠系統和腸道的氧化應激反應
圖3 Tempol對PCOS大鼠全身、卵巢和腸道氧化應激的影響
如圖3所示，通過對大鼠全身、卵巢和腸道氧化應激指標的測定表明Tempol可以顯著降低PCOS大鼠的腸道氧化應激反應。
4. Tempol對腸道微生物群多樣性的影響
圖4. Tempol對腸道微生物群多樣性的影響
前期實驗表明Tempol對腸道氧化應激有深遠的影響，因此作者利用糞便樣本進行了16SRDNA測序，以測定Tempol對PCOS大鼠腸道微生物群組成和水平的影響。有趣的是，稀薄曲線和香農曲線以及四個α多樣性指數的結果在不同的組中沒有顯示出差異(圖4A-F)。這表明DHEA處理或Tempol干預對腸道微生物群的α多樣性沒有明顯的影響。接下來通過聚類分析、PCoA和NMDS等分析進一步顯示，三個大鼠組的整體腸道微生物組成不同(圖4G-J)。這些結果共同表明，腸道微生物群的β多樣性受到DHEA和Tempol治療的影響。
5. 腸道微生物群落在門和屬級微生物群落組成的變化
圖5 腸道微生物群落在門和屬級微生物群落組成的變化
為了篩選出經過DHEA和Tempol處理發生顯著變化的腸道菌群，作者通過LDA和LEfSe方法對所有菌群進行分析，結果表明Desulfovibrionaceae在Oil + PBS豐富，而Muribaculaceae and Alloprevotella在DHEA + PBS和DHEA + Tempol豐富，這表明Tempol可以重塑大鼠腸道微生物組成。DHEA治療增加了放線菌、細菌、錐菌、錐桿菌和疣菌的豐度，減少了表皮桿菌和變形桿菌的數量（圖5D）。在屬水平上，Lachnospiraceae_NK4A136_group和Mutibaculaceae是優勢屬。具體來說，DHEA處理顯著增加了Thauera、Staphylococcus、Ideonella、Corynebacterium andRuminococcus_2的豐度，降低了Ruminococcus_1的豐度。這些變化會被Tempol治療所抵消。
6. Tempol治療對血清代謝組的影響
圖6 Tempol治療對血清代謝的影響
隨后，作者通過對三組大鼠血清代謝進行非靶檢測，并研究腸道微生物組與宿主中循環代謝物之間的關系。PCA和OPLS-DA分析顯示三組大鼠出現明顯的分離，表明三組大鼠血清代謝狀態有顯著差異(圖6A-B)。三組樣本中52種血清代謝物呈現顯著差異，其中28種由DHEA處理導致的差異代謝物在Tempol治療后變化減弱(圖6C)。
7. 腸道微生物與代謝物之間的關系
通過相關性分析，測試33種菌和52種代謝物之間的關系，研究了三組循環代謝物與腸道微生物群之間的聯系。此外，使用散點圖進一步觀察血清水蘇糖與Ruminococcus_1或Ruminococcus_2之間的相關性(圖7A)。結果表明，PCOS大鼠的Ruminococcus_1豐度的下降和Ruminococcus_2豐度的增加與血清水蘇糖水平的降低有關。當Tempol干預改變Ruminococcus_1和Ruminococcus_2豐度時，PCOS大鼠血清水蘇糖水平升高(圖7B-C)。
8. 水蘇糖改善了DHEA誘導的PCOS大鼠的卵巢功能障礙
圖8 水蘇糖改善了DHEA誘導的PCOS大鼠的卵巢功能障礙
為了確定水蘇糖是否能對PCOS大鼠產生有益作用，給DHEA處理的大鼠服用200mg/kg水蘇糖12天。結果表明服用水蘇糖對體重沒有顯著影響，但是改善了PCOS大鼠的發情周期障礙。(圖8A-B)。H&E染色進一步表明，服用水蘇糖可減少囊性囊泡的數量，并增加卵巢中黃體的形成(圖8C–E)。此外，水蘇糖也顯著減少了PCOS大鼠血清睪酮水平的增加(圖8F)。
3.研究小結
本研究有兩個主要的新發現。首先，Tempol能有效降低DHEA誘導的PCOS大鼠卵巢功能障礙。其次，Tempol對PCOS大鼠的治療作用與改善腸氧化應激、減輕腸道發育失調和循環代謝物恢復有關，表明Tempol主要通過清除超氧化物和調節腸道微生物群來改善大鼠PCOS。這些結果表明，使用Tempol是PCOS的一種潛在的治療策略。
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