丁酸钠调节糖尿病小鼠肠道菌群进而缓解脑缺血再灌注损伤的机制探究

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背景:二型糖尿病(Type2diabetes,T2D)是急性缺血性脑卒中(Acuteischemic stroke,AIS)的主要危险因素之一,并且与脑损伤的加重相关,但机制未明。近期研究报道,肠道菌群可影响脑缺血再灌注损伤的病理过程;T2D的肠道菌群紊乱特征为产丁酸菌丰度的降低。然而,T2D患者的肠道菌群紊乱是否加重AIS损伤及改善其肠道菌群是否可缓解脑损伤,目前仍不清楚。目的:对比合并和不合并T2D的AIS患者的肠道菌群及丁酸水平的差异,进一步通过动物实验探究T2D小鼠的肠道菌群是否加重AIS损伤及使用丁酸钠(Sodium butyrate,SB)改善其肠道菌群是否可缓解脑损伤并探究其中可能的机制。方法:收集合并或不合并T2D的AIS患者入院72小时内的粪便标本及入院后首次空腹血液样本,比较两组患者肠道菌群、肠道丁酸水平及血液中脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)、D-乳酸(D-lactic acids,DLA)差异。使用 SB 或氯化钠干预野生型小鼠或T2D小鼠,比较干预期间两组小鼠T2D相关代谢指标及干预完成后肠道菌群及丁酸水平,最后进行大脑中动脉阻塞(Middle cerebral artery occlusion,MCAO)造模,比较脑梗死体积大小。使用野生型小鼠作为粪菌移植(Fecal microbiota transplantation,FMT)受体,在经过2周的抗生素干预后,移植SB或氯化钠干预后小鼠的肠道菌群,FMT后进行MCAO造模,对比小鼠脑梗死体积、肠屏障功能、脑部黏附分子的表达及血脑屏障损伤指标。结果:与不合并T2D的AIS患者相比,合并T2D的AIS患者肠道菌群紊乱,表现为肠道产丁酸菌丰度的降低,伴随粪便中丁酸浓度的降低,而血液中LPS及DLA水平更高。动物实验也发现T2D小鼠肠道存在与T2D患者相似的肠菌构成。通过使用SB干预T2D小鼠,可改善其糖尿病相关指标如空服血糖、血脂、饮水进食量、血清中的炎症因子如IL-6、TNF-α及IL-1β水平,并且改善其肠道菌群,增加肠道中产丁酸菌丰度及丁酸水平。此外,SB干预可减小T2D小鼠脑梗死体积。与移植了 T2D肠菌的受体小鼠相比,移植经SB干预的T2D肠菌的受体小鼠脑梗死体积减小,并且梗死侧小胶质细胞激活及海马CA1区神经元凋亡均得到缓解。进一步研究发现,移植经SB干预T2D肠菌的受体小鼠MCAO后肠道屏障损伤减轻,伴随血清中LPS、脂多糖结合蛋白(Lipopolysaccharide binding protein,LBP)及炎症因子水平的降低,同时脑组织中细胞间黏附分子-1(Intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1)、血管细胞黏附分子-1(Vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1)及基质金属蛋白酶-9(Matrix metalloprotein-9,MMP-9)的表达降低,进而减少脑血管内皮多糖包被的降解,保护血脑屏障相关蛋白ZO-1、Occludin及Claudin-4免受炎症破坏,最终减轻脑缺血再灌注损伤。结论:T2D肠道产丁酸菌丰度及丁酸浓度降低,发生脑卒中时肠屏障损伤加重,肠道中LPS进入循环,加重机体炎症反应,脑组织表达黏附分子增高,损害脑血管内皮多糖包被,进而破坏血脑屏障,最终加重脑损伤;而SB干预后肠道菌群可减轻上述炎症反应,进而缓解脑卒中损伤。
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