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* これらの著者は同等に貢献しました
このプロトコルでは、密度勾配遠心分離を使用してHSDを給餌した塩分感受性ラットからの腸内微生物EVの分離について説明しています。EVは、ナノ粒子追跡、TEM、LPS/BCA アッセイ、および 16S rRNA シーケンシングによって特徴付けられ、サイズ、形態、組成、および微生物叢の起源を解析しました。
塩分摂取量が多いことは高血圧の主要な危険因子であり、その根本的なメカニズムは、腸内細菌叢によって分泌される細胞外小胞(EV)と密接に関連している可能性があります。腸内細菌叢によって産生されるこれらのEVは、高塩分食(HSD)によって引き起こされる高血圧の発症に重要な役割を果たす可能性のあるさまざまな生理活性成分を運んでいます。このメカニズムを調査するために、HSDを与えられた塩分感受性ラットの腸内細菌叢からEVを分離するための密度勾配遠心分離に基づく効率的な抽出方法を開発しました。粒度解析、透過型電子顕微鏡(TEM)、リポ多糖(LPS)の検出により、腸内細菌叢EVの勾配分布を特定し、精密な抽出を実現しました。さらに、16S rRNA遺伝子シーケンシングを用いて、正常群とHSD群との間のEVの起源と組成の違いを解析し、高塩分摂取が腸内細菌叢EVの遺伝的特性に与える影響を明らかにしました。この研究は、塩分誘発性高血圧症の根底にある腸内細菌叢のメカニズムに関する貴重なツールと科学的洞察を提供し、関連疾患の予防と治療に新たな視点を提供します。
腸内細菌叢は、腸内細菌叢または腸内微生物叢とも呼ばれ、生物学的消化管に位置する数万の微生物の複合体であり、人間の健康の維持に重要な役割を果たしています1。近年、さらなる研究により、腸内細菌叢が細胞外小胞(EV)2を生成できることがわかっています。EVは、細胞から放出される小さな小胞であり、タンパク質、核酸、脂質など、細胞内のさまざまな分子を運ぶ3,4。それらは、他の微生物5、腸上皮細胞、さらには離れた組織や臓器6と相互作用することができ、したがって人体7,8の健康に影響を与えることができる。これらの腸内細菌叢によって生成されるEVと食事との間には密接な関係があります9。
腸内細菌叢によって産生されるEVは、高塩分食(HSD)が体の健康に影響を与える重要な薬剤である可能性があります。HSDは、腸内細菌叢10のバランスを直接乱し、有益な細菌(乳酸菌など)11の数を大幅に減少させるだけでなく、有害な細菌(バクテロイデス菌など)の増殖を促進します12.この不均衡は、腸のバリア機能を低下させ、腸の炎症のリスクを高めます。さらに、HSDは、複数の生理学的機能を持つ短鎖脂肪酸14,15の産生を減少させるなど、腸内細菌叢の代謝活動13を変化させることにより、腸内の酸塩基バランスおよび栄養素吸収にもさらに影響を与える。
これらの変化は、腸の健康に影響を与えるだけでなく、EVの生産と放出を間接的に制御し、EVの組成と機能を変化させる可能性があります。高塩分環境は、EVの放出と輸送を含む腸細胞の正常な生理機能に影響を及ぼし、それによって細胞間情報伝達と免疫調節におけるEVの役割を妨害する可能性があります。同時に、腸の炎症は、特殊な機能を持つさまざまなEV16を促進し、腸臓器軸などを通じて全身に広がる可能性があり17,18、これは高血圧19,20、心血管疾患21および脳血管疾患22,23、肥満24,25、糖尿病26の発生と発症と密接に関連していますおよびその他の慢性疾患。
したがって、この研究の全体的な目標は、HSDを与えられた塩分感受性ラットの腸内細菌叢からEVを抽出する効率的で信頼性の高い方法を開発し、それらの物理的特性、組成、および機能を体系的に研究することでした。高塩分食後の血圧の有意な上昇の特性から、塩分感受性ラットを選抜し、効率的な抽出法を構築することにより、HSDが腸内細菌叢EVに及ぼす影響を明らかにしました。この方法は、密度勾配遠心分離に基づいており、粒子サイズ検出、LPS/BCA測定、透過型電子顕微鏡、プロテオミクス分析などのさまざまな動的同定技術を組み合わせていました。このプロトコルは、HSDが腸内細菌叢EVに及ぼす影響と、心血管疾患におけるそのメカニズムを明らかにすることを目的としています。このアプローチは、その高い効率性、再現性、および幅広い適用性により、塩分誘発性高血圧における腸内細菌叢EVのメカニズムを探求するための重要なツールを提供するだけでなく、EVに基づく疾患介入戦略を開発するための理論的基礎を築きます。この研究を通じて、高血圧などの心血管疾患の予防と治療のための新しい道を切り開くことを望んでいます27,28。
この動物実験研究は、関連する倫理ガイドラインと国際基準に準拠しています。動物を用いた研究は、成都中医薬大学(機関:成都中医薬大学、プロトコル番号:2018-21)の実験動物福祉倫理委員会によって承認されました。
1.動物の準備と食事療法
2. 血圧のモニタリング
注:血圧測定の非侵襲的方法としてテールカフプレチスモグラフィーが使用され、尾血量から血圧を測定するときに体積圧記録(VPR)が使用されました。
3. EVの抽出
4. EVの識別
EVの濃度は、異なる分画で測定しました(図2A)。実験結果は、EVの濃度が一連の密度勾配溶液で典型的な正規分布パターンを示すことを示しました(図2B)。具体的には、第9分数では、EVの濃度が最高点(3.85×109)に達しており、EVの主分布分が936である可能性が示唆されている。
タンパク質含有量の測定には、BCAキットを使用して、さまざまな画分中のタンパク質含有量を評価しました(図2C)。この方法では、フラクション9のタンパク質含有量は0.417μg/μLであり、EVの分布をさらに示しています。LPSはグラム陰性菌37,38のユニークな成分であるため、エンドトキシン検出キットもLPSの発現を決定するために使用され(図2D)、さまざまな画分におけるEVの分布を評価しました。実験結果から、フラクション9とフラクション10では、LPSの発現が他のフラクションよりも有意に高く(フラクション9の吸光度=0.8086、フラクション10=0.8515)、その分布は正規分布を示し、EVが主にフラクション9に分布していることが証明されました。画分9の比較的多量のタンパク質は、異なる画分から単離されたEVのSDS-PAGEゲル電気泳動でも観察されました(図2E)。
本研究では、透過型電子顕微鏡(TEM; 図2F)。TEMによる高分解能イメージングにより、EVのバイオロジーを理解する上で重要な円形の膜状構造を特徴とするEVの形態学的構造を鮮明に可視化することができました。
血圧の変化は、ラットのNSDおよびHSDで2か月の飼育後に、NSDおよびHSDグループで決定されました。HSD群では、SBP(図3A)、DBP(図3B)、MBP(図3C)が有意に増加しており、本研究の高血圧モデルが成功裏に構築されたことが分かります。
本研究では、異なる群でEVの濃度を検出し(図3D)、その結果、HSD群のEVの濃度はNSD群のラットの濃度よりも有意に高いことがわかりました。このことは、HSDがEVのレベルに影響を与えることを示唆しており、これはEVの起源である腸内細菌叢の組成の変化によるものと考えられます。
次に、この研究ではEVの粒子サイズを測定しました。測定結果から、EVの粒径は60nm付近が圧倒的に多く(図3E)、HSD基の粒径はNSD基よりもわずかに小さいことが分かります。測定データは、EVのサイズ分布と均質性を評価するための重要な情報を提供し、その後の実験設計とアプリケーション開発を容易にします。
そこで、本研究では、HSD群とNSD群のEVのLPS発現量を調べました(図3F)。その結果、HSD群のEVによるLPSの発現もNSD群よりも有意に高かったことがわかりました。これは、外嚢由来の腸内細菌叢におけるグラム陰性菌の増加、またはHSD群のEVの濃度がNSD群よりも高いことによるものと考えられます。
HSD群とNSD群のEVの違いをさらに裏付けるために、本研究では、誘導された腸内細菌叢を調査し、NSD群とHSD群のEVsサンプルの16S rRNAシーケンシングを実施して、マウスの腸内細菌叢におけるHSDの影響をさらに明らかにしました。
α-ダイバーシティ解析では、HSDグループでは腸内細菌叢のダイバーシティが有意に減少し、シャノン指数とACE指数の両方が減少したことが示されました(図4A)。β -PCoA(図4B)に基づくダイバーシティ分析により、ASVレベルでグループ間の微生物表現型が区別されました。高塩分介入は、腸内細菌叢の表現型の変化を部分的に逆転させ、グループ間で外部小胞由来腸内細菌叢の組成に有意差を発見しました(p = 0.001)。
存在量が少ない細菌をろ過し、データを標準化した後、分類学的アノテーションにより、サンプル中のさまざまな範囲の微生物群集が特定されました。外嚢由来の腸内細菌叢は、主にプロテオバクテリア(93.19%)、フィルミキューテス(4.57%)、およびバクテロイダ(1.19%;図 4C)。HSDグループは、Firmicutesの外部小胞の存在量を有意に増加させました(図4D)。属レベルでは、NevskiaやAcinetobacterなどの属がNSDグループでより豊富であり、Delftia、Burkholderia_Ca、およびClostridium_senがHSDグループでより豊富であることが示されました(図4E)。さらに、この研究では、ヒートマップを使用して、HSDグループとNSDグループの間の腸内細菌叢EVの違いを示しました(図4F)。高塩分介入後、一部の細菌、デルフチアとBurkholderia_Caの存在量は大幅に増加し、ネフスキアとアシネトバクターは大幅に減少しました(図4G)。結論として、高塩分介入は、主に親細菌の分布を変化させたため、腸内細菌叢由来のEVの産生の違いを大きく変えました。主な特徴は、多様性の減少、平衡構造の変化、および異なる細菌の存在量の変化でした。
図1:腸内微生物由来の外部小胞の抽出と特性評価(A)外部小胞抽出のフローチャート。(B)外側の小胞の特性評価。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:EVの基本的な特性評価と局所的な密度勾配の分析(A)異なる密度勾配(nm;粒子/mL)による小胞外濃度と粒子サイズの測定。(B)密度勾配3〜16(粒子/ mL)による溶液外部小胞濃度の比較。(C)BCAキットによる密度グラジエント6-12での溶液タンパク質含有量の測定(μg/mL)。(D)エンドトキシン検出キット(Abs)を用いた密度勾配7-11による溶液LPS発現測定。(E)密度勾配が6〜12の溶液をSDS-PAGEゲル電気泳動にかけ、Coomassieブリリアントブルーで染色しました。(F)TEM:スケールバーは100nmです。個々の小胞が画像に示されています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:異なる食事療法における血圧とEVの変化の分析。 (A)SBP;(B)DBP;(C) MBPの;(D)HSD群とNSD群の外部小胞濃度の比較。(E)HSD群とNSD群の外胞サイズの比較。(F)分光光度法によって測定されたNSDおよびHSDサンプル中のLPS。*p < 0.05、** p < 0.01、*** p < 0.001、および NS は有意性なし、t 検定を意味します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:異なる食事の下での16s rRNAテストの分析(A)α多様性分析;(B)主座標分析。(C)門レベルでの腸内細菌叢の存在量。(D)門レベルの細菌の変化。(E)LEfSeの結果。(F)異なる細菌属に基づくクラスターヒートマップ分析。(G)属レベルの細菌の変化。*p < 0.05、** p < 0.01、*** p < 0.001、および NS は有意性なし、t 検定を意味します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
この研究では、HSDを投与した塩分感受性ラットの腸内細菌叢EVに焦点を当て、一連の重要な成果を達成しました。まず、HSD上の塩分感受性ラット腸内細菌叢からEVを分離するために、密度勾配遠心分離に基づく効率的な抽出方法の構築に成功し、ほとんどの非EV成分は、細心の注意を払って標準化された動物実験操作およびサンプル処理プロセスを通じて分離されました。密度勾配遠心分離のEV抽出法は、従来の超遠心分離法よりも高効率で再現性が高く、EVの完全性と機能性をより保持できるため、サンプルの品質と研究の実現可能性を確保できます。
第二に、EVはさまざまな動的技術を通じて包括的に識別されました:粒子サイズと濃度の検出は、EVが特定のサイズ分布を持っていることを示しています。LPSおよびBCA測定は、EVのタンパク質含有量とLPS発現を定量化します。TEMは、EVの形態学的構造を明確に示しています。そして、タンパク質の特性がタンパク質のスペクトルを定義します。これらの同定結果は、EVの物理的および生化学的特性を包括的に明らかにし、その後の研究に信頼性の高いデータサポートを提供します。
さらに、正常EVとHSD EVの起源と組成の違いの詳細な分析を使用した16S rRNA遺伝子シーケンシング技術、およびαダイバーシティ分析とβダイバーシティ分析は、高塩分摂取が微生物群集の構造、種の豊富さ、多様性など、腸内微生物EVの遺伝的特性に大きく影響することを示しました。これにより、高塩分食が腸内細菌叢EVに及ぼす影響をより包括的に解決できます。 機構研究のための複数のレベルの証拠を提供します。
この方法は、エクソソームの回収と完全性の点で従来の過速度遠心分離法に比べていくつかの利点がありますが、サンプル需要が高いことや、宿主と微生物叢の発生源を区別することの難しさなど、いくつかの制限があります。しかし、既存の方法と比較して、密度勾配遠心分離はエクソソームの機能的完全性を維持するという独自の利点があり、高塩分食が腸内細菌叢を通じて宿主の血圧に影響を与えるメカニズムをさらに調査するための信頼性の高い技術サポートを提供します。また、実験中に遭遇した不明確な勾配成層についても、遠心分離時間を延長したり、より高性能なローターを交換したりすることで改善しました。
将来的には、高塩分食、特に炎症誘発性T細胞などの免疫系との相互作用によって引き起こされる高血圧における腸内細菌叢EVのメカニズムをさらに調査することができます39,40;または、植物由来の製品を使用して腸内細菌叢EVに介入し、さらに病気に介入し、宿主代謝と免疫応答の調節におけるそれらの役割を探求します。
結論として、この研究は、塩分感受性ラットモデルを通じて、腸内細菌叢の塩分誘発性高血圧のメカニズムを探求するための重要なツールを提供するだけでなく、HSD、腸内細菌叢、EVの関係についての理解を深め、高血圧などの心血管疾患の予防と治療のための新しい方法を開き、食事-微生物-宿主相互作用の研究に独自の視点を提供します。
著者らは、この論文で報告された研究に影響を与えたと思われる可能性のある既知の競合する金銭的利益や個人的な関係がないことを宣言します。
この研究は、中国国家自然科学基金会(82205240)、四川省自然科学基金会(2025ZNSFSC1836)、および四川省整形外科病院の臨床基礎プロジェクト(PY202414)の支援を受けました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Essential Supplies | |||
Centrifugal Filter (10nkDa 2 mL) | Millipore | UFC903096 | |
Centrifuge Tude(50 mL) | BKMAN | 20220404 | |
Centrifuge Tudes | BECKMAN COULTER | Z30815SCA | |
Vacuum Filtration System | Biosharp | 24902581 | |
Reagents | |||
Chromogenic LAL Endotoxin Assay Kit | Beyotime | 022124240705 | |
Coomassie Blue Fast Staining Solution | Beyotime | Z972241010 | |
EDTA | Damas-beta | P3117308 | |
Enhanced BCA Protein Assay Kit | Beyotime | A006241112 | |
Ethanol | KESH | ||
HCl | |||
OptiPrep (60% wt/vol, iodixanol) | Serumwerk | 00124 | |
PBS | Labshark | 130114005 | |
phosphotungstic acid | RUIXIN | ||
Sucrose | Damas-beta | P1917057 | |
Tris (VWR) | Damas-beta | P3061764 | |
Trypan blue staining solution (0.4%) | Beyotime | BD07242904 | |
Equipment | |||
Absorbance Microplate Reader | SpectraMax | ABP01690 | |
Biomicroscope | Motic | BA210Digital | |
Desk centrifuge | Cence | CHT210R | |
Desktop high-speed micro centrifuge | DLAB | D3024 | |
Fixed Angle Aluminum Rotor + 500 mL Centrifugal Cup | Cence | ||
High precision electronic balance | SKR | BN-200 | |
Laminar flow cabinet | Nantong Hunan Scientific Instrument Co., Ltd. | SW-CJ-2FDS | |
SW 32.1 Ti Swing bucket turn+ SW 32.1 Ti Rotor bucket | BECKMAN COULTER | ||
Transmission electron microscope | JEOL | JEM-1400FLASH | |
Tube rotator | |||
Ultracentrifuge | BECKMAN COULTER | Optima XE-100 | |
Ultra-pure water system | ULPHW | UPR-II-15TNZ | |
Water-Cieculation Multifunction Vacuum Pump | Qiang Qiang | SHZ-D(III) |
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