Сара М. Бар

катедра по микробиология, Университет на Айова, Айова Сити, IA, САЩ

рисперидон

Бенджамин Дж. Вайдеман

b Катедра по фармакология, Университет на Айова, Айова Сити, IA, САЩ

Ана Н. Кастро

катедра по микробиология, Университет на Айова, Айова Сити, IA, САЩ

Джон Уолш

катедра по микробиология, Университет на Айова, Айова Сити, IA, САЩ

Орландо деЛеон

катедра по микробиология, Университет на Айова, Айова Сити, IA, САЩ

Колин М.Л. Бърнет

b Катедра по фармакология, Университет на Айова, Айова Сити, IA, САЩ

Никол А. Пиърсън

b Катедра по фармакология, Университет на Айова, Айова Сити, IA, САЩ

Дарил Дж. Мъри

c Катедра по фармация и транслационна терапия, Университет на Айова, Айова Сити, Айдахо, САЩ

Джъстин Л. Гроуб

b Катедра по фармакология, Университет на Айова, Айова Сити, IA, САЩ

e Братски орден на изследователския център за диабет на орлите, Университет на Айова, Айова Сити, Айдахо, САЩ

f Инициатива за изследване на затлъстяването и образование, Университет на Айова, Айова Сити, Айдахо, САЩ

g Център за изследване на хипертонията, Университет на Айова, Айова Сити, Айдахо, САЩ

Джон Р. Кърби

катедра по микробиология, Университет на Айова, Айова Сити, IA, САЩ

d Катедра по урология, Университет на Айова, Айова Сити, Айдахо, САЩ

e Братски орден на изследователския център за диабет на орлите, Университет на Айова, Айова Сити, Айдахо, САЩ

Свързани данни

Резюме

Рисперидон е антипсихотик от второ поколение, който причинява наддаване на тегло. Ние предположихме, че индуцираните от рисперидон промени в чревния микробиом са механично свързани с неговите метаболитни последици. Женски мишки от див тип C57BL/6J, третирани с рисперидон (80 μg/ден), показват значително наддаване на тегло, поради намален разход на енергия, който корелира с променен микробиом на червата. Фекалната трансплантация от мишки, лекувани с рисперидон, е причинила 16% намаление на общата скорост на метаболизма в покой при нелекувани реципиенти, което се дължи на потискане на неаеробния метаболизъм. Рисперидон инхибира растежа на култивирани фекални бактерии, отглеждани анаеробно повече от тези, отглеждани аеробно. И накрая, трансплантацията на фекална фагова фракция от третирани с рисперидон мишки беше достатъчна, за да доведе до наднормено наддаване на тегло при наивни реципиенти, отново чрез намален разход на енергия. Като цяло тези данни подчертават основната роля на чревния микробиом в наддаването на тегло след хронична употреба на рисперидон и конкретно включват модулацията на неаеробния метаболизъм в покой в ​​този механизъм.

1. Въведение

Последните проучвания свързват чревния микробиом, бактериалната екосистема, която се намира в човешкото черво, с модулацията на наддаването на тегло и метаболитните заболявания. Доказано е, че микробиомът допринася за метаболизма и физиологията на гостоприемника чрез няколко механизма, включително повишена енергийна реколта от диетата (Turnbaugh et al., 2006, Turnbaugh et al., 2008), модулация на липидния метаболизъм (Bäckhed et al., 2004, Velagapudi et al., 2010), променена ендокринна функция (Dumas et al., 2006, Swann et al., 2011, Wang et al., 2011) и възпалителна стабилност (Elinav et al., 2011, Hall et al., 2011, Henao-Mejia et al., 2012, Vandanmagsar et al., 2011). По този начин чревната микробиота влияе върху модулирането на затлъстяването и други метаболитни заболявания.

В това проучване разгледахме хипотезата, че промените в чревния микробиом са механично свързани с увеличаване на теглото, което се случва в отговор на лечението с рисперидон. Изследвахме енергийния баланс и наддаването на тегло при мишки от див тип в отговор на лечението с рисперидон самостоятелно или в комбинация с различни ксенобиотици, трансфер на изменена с рисперидон микробиота или трансфер на фага, свързан с третираната с рисперидон микробиота. Открихме, че рисперидон променя чревната микробиота, което води до увеличаване на теглото чрез потиснат разход на енергия. Освен това, трансферът на третиран с рисперидон фекален материал, включително само фаговата фракция, е достатъчен, за да предизвика подобни ефекти при наивни мишки. Идентифицирането на чревния микробиом като критичен медиатор на енергийната хомеостаза може да идентифицира нови терапевтични цели и подходи за индуцирано от рисперидон наддаване на тегло и затлъстяване.

2. Материали и методи

2.1. Животновъдство

Шест до седем седмици женски мишки C57BL/6J от лабораторията Джаксън бяха настанени в стандартен 12:12 цикъл тъмна светлина с либитум достъп до стандартна чау (Teklad 7013; 18% kcal от мазнини) и вода (pH 3.7 с оцетна киселина, за да съответства на рН на пероралния рисперидон) или вода с рисперидон (20 μg/ml, рН 3.7). Антибиотиците се прилагат в продължение на десет дни в питейна вода съответно 62,5 mg/l и 142,5 mg/l ципрофлоксацин и ампицилин. Всички процедури бяха одобрени от Комитета по грижа и употреба на животните в Университета на Айова в съответствие с Националното ръководство за грижа и употреба на лабораторни животни.

2.2. Ядрено-магнитен резонанс

Съставът на тялото беше оценен с помощта на ядрено-магнитен резонанс (NMR; Brucker LF90II). Мишките бяха ограничени (храносмилателна ефективност = консумирана енергия .

Енергийната ефективност се изчислява в различни моменти от време след започване на приема на рисперидон като:

2.5. Физическа активност и температура на сърцевината

Физическата активност и температурата на сърцевината се определят с помощта на радиотелеметрични сонди (DSI), както е описано по-рано (Burnett and Grobe, 2014, Grobe et al., 2010). Мишките се анестезират с изофлуран и сондите се поставят вътре в коремната стена. След 1-2 седмици на възстановяване, активността и температурата на сърцевината бяха регистрирани за 30 s на всеки 5 минути през целия цикъл светлина-тъмнина (Фиг. S1).

2.6. Комбинирана калориметрия

Скоростта на метаболизма в покой (RMR) се измерва едновременно чрез директна калориметрия и респирометрия, както е описано по-рано (Burnett and Grobe, 2013, Burnett and Grobe, 2014). Накратко, скоростите на общо разсейване на топлината, задържане на топлина и обмен на O2 и CO2 на мишките бяха оценени по време на сън при термонеутралност (30 ° C), съответно, с помощта на специално изграден градиентен слой директен калориметър, телеметрични температурни ядра (DSI) и S -3A/II O2 и CD-3A CO2 анализатори (AEI). Масовият поток на въздуха беше измерен (Sensiron) и STP-коригиран. Общият RMR, определен чрез директна калориметрия, представлява сумата от цялото разсейване на топлината (разумно и нечувствително) плюс запазената топлина, което се определя от промяната на температурата на сърцевината и състава на тялото, както се определя с помощта на NMR. Аеробният RMR, определен чрез респирометрия, представлява очакваното производство на топлина, използвайки формулата, получена от Lusk (1924):

VO2 представлява коригирана със STP скорост на консумация на кислород (в ml/min), а коефициентът на дихателен обмен RER представлява съотношението между производството на въглероден диоксид и консумацията на кислород. Неаеробният RMR представлява разликата между измереното общо производство на топлина (от директна калориметрия) и прогнозната скорост на аеробен RMR (от респирометрия):

Важно е да се отбележи, че по време на настоящото проучване ние докладваме „RMR“ данни от мишки, оценени докато животните спят. Скоростта на метаболизма по време на сън е по-точно определена като „скорост на метаболизма на съня, SMR“, но като се има предвид сложността на разграничаването на почивката спрямо метаболизма на съня при мишки, малко доклади в литературата използват тази терминология в проучвания, изследващи метаболитната функция при мишки. За разлика от тях, при хората SMR и RMR се различават ясно. По този начин, макар и по-малко технически точни, ние избрахме да докладваме данните тук като „RMR“ вместо „SMR“ като отражение на текущия народен език на полето.

2.7. Екстракция и секвениране на бактериална ДНК

Методите за секвениране на 16S рРНК гени бяха адаптирани от методите, разработени за проекта NIH-Human Microbiome Project (Консорциум, 2012). Накратко, бактериалната геномна ДНК беше извлечена с помощта на MO BIO PowerSoil DNA Isolation Kit (MO BIO Laboratories). Областта 16S rDNA V4 се ​​усилва чрез PCR и се секвенира на платформата MiSeq (Illumina), използвайки 2 × 250 bp сдвоен краен протокол, даващ четене на двойки. Праймерите, използвани за усилване, съдържат адаптери за последователност на MiSeq и баркодове с двоен индекс, така че PCR продуктите могат да бъдат обединени и секвенирани директно (Caporaso et al., 2012), насочени към поне 6000 четения на проба.

2.8. Анализ на последователността

Данните за 16S бяха анализирани с помощта на софтуера QIIME v.1.9. Баркодовете бяха съпоставени с fastq файлове и след това премахнати (Caporaso et al., 2010b). Подобни последователности (прекъсване 97%) бяха комбинирани в оперативни таксономични единици (OTU), използвайки sumaclust v1.1.00 и sortmerna 2.0. Представителни последователности за всяка OTU бяха подравнени, използвайки PyNAST (Caporaso et al., 2010a). LanemaskPH беше използван за скрининг на хипервариабилните региони и OTUs бяха класифицирани с базата данни greengenes (DeSantis et al., 2006). Наблюдаваните видове, Chao1 и филогенетичното разнообразие са оценени с alpha_diversity.py и compare_alpha_diversity.py в QIIME. Пробите бяха разредени до дълбочина от 6000 последователности/проба, което се оказа достатъчно от покритието на стоките. Бета разнообразието беше оценено с помощта на UniFrac в QIIME (Lozupone et al., 2010). LEfSe беше използван с параметри по подразбиране на OTU таблици на ниво вид, за да се определят таксони, които най-добре характеризират всяка популация (Segata et al., 2011). Запазени са само функции с LDA резултати> 2.0.

2.9. Фекален трансфер

Фекалният материал (0,3 g) от съответните донорски кохорти се събира и обединява, смила се от стерилен хоросан и се суспендира в стерилна вода (1 ml/0,1 g изпражнения). Пробите се центрофугират в продължение на 2 минути при 3000 × g за отстраняване на големи частици. Отделни мишки получават 100 μl съответна фекална супернатанта чрез орален сонда дневно в продължение на 14 последователни дни.

2.10. Измерване на рисперидон чрез HPLC-MS

Регресиите за аеробни и анаеробни култури бяха постигнати с 11 и 8 повторения, със стойности на R 2 от 0,9876 и 0,9985, в резултат на IC50 стойности от 77 ± 2 и 38 ± 1 μg/ml рисперидон и Hillslopes от - 5,13 ± 0,64 и - 2,99 ± 0,17, съответно.