Helicobacter pylori fertőzés és az alacsony diétás vas-viselkedés megváltoztatja a viselkedést, vashiányos vérszegénységet vált ki és modulálja a hippokampus gén expresszióját nőstény C57BL/6 egerekben

Összehasonlító Orvostudományi Osztály, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, Amerikai Egyesült Államok

Hovatartozás A Harvard Broad Institute és az MIT, Cambridge, Massachusetts, Amerikai Egyesült Államok

Összehasonlító Orvostudományi Osztály, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, Amerikai Egyesült Államok

Minnesotai Egyetem Orvostudományi Karának Gyermekgyógyászati Osztálya, Neonatológia tagsági osztálya, Minneapolis, Minnesota, Amerikai Egyesült Államok

A Columbia Egyetem Orvosi Osztálya, New York, New York, Amerikai Egyesült Államok

Minnesotai Egyetem Orvostudományi Karának Gyermekgyógyászati Osztálya, Neonatológia tagsági osztálya, Minneapolis, Minnesota, Amerikai Egyesült Államok

Összehasonlító Orvostudományi Osztály, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, Amerikai Egyesült Államok, Biológiai Mérnöki Tanszék, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, Amerikai Egyesült Államok

Monika Burns,
Aldo Amaya,
Caroline Bodi,
Zhongming Ge,
Vasudevan Bakthavatchalu,
Kathleen Ennis,
Timothy C. Wang,
Michael Georgieff,
James G. Fox

Ábrák

Absztrakt

A H. pylori fertőzés és a vashiányos vérszegénység (IDA) egyaránt elterjedt a fejlődő világban, és az átfedő betegségek fokozott kockázatot jelentenek e két állapot együttes morbiditására [8,10,11]. A vas elengedhetetlen mikroelem, amelynek számos kritikus funkciója van a testben, többek között a hemvegyületek fontos alkotóelemeként, amelyek kulcsfontosságúak a sejtekhez való oxigénbevitel folyamatában [12]. A vashiány (ID) világszerte számos demográfiai csoportban a leggyakoribb mikrotápanyag-hiány, beleértve a gyermekeket és a fogamzóképes korú nőket is. A marginális vas-diéta fogyasztása az egyik leggyakoribb oka az étrendi ID-nek a fejlődő országokban [10,13,14] Ha az ID fontos fejlődési periódusokban van jelen, például a magzati és a korai posztnatális szakaszban, akkor kognitív és szocio-emocionális hiányosságok csecsemőknél és gyermekeknél, amelyek felnőttkorban is fennállnak [15–17]. Az IDA kezelése gyermekkorban vaspótlással gyakran nem képes megakadályozni a hiányok előfordulását, ideértve a gyenge IQ-pontszámokat, a vizuális motor integrációs problémáit, valamint a bruttó és finom motoros teljesítmény hiányait a későbbi fejlődési szakaszokban [18]. Emberi betegeknél tapasztalt, a korai életkorú ID negatív neurodevelopmentális hatásait rágcsáló modellekben igazolták [19–21].

Anyagok és metódusok

Állatok

Az egerek ad libitum hozzáférést kaptak a Research Diets Inc. (New Brunswick, NJ) által létrehozott két testreszabott tisztított étrend egyikéhez, körülbelül 23 napos korban (közvetlenül az elválasztás után). Ezt a rágcsáló életszakaszt választották az emberi agy intenzív növekedésének periódusának modellezésére [29]. Az étrendi vaskontrollt függetlenül igazolták a Covance Laboratories (Princeton, NJ) által végzett ICP emissziós spektrometriával. A vaspótló étrend vaskoncentrációja 47,8–48,7 ppm, a mérsékelten vashiányos (ID) étrend vaskoncentrációja 7,57–8,69 ppm között változott.

Kísérleti fertőzés

5–5,5 hetes korban a nőstény egereket szájon át 1 x 10 8 kolóniaképző H. pylori SS1 egységgel 200 μl steril fagyasztó közegben adták szájon át minden második nap, összesen 3 adagban, vagy ál-dagasztottuk steril módon. lefagyasztani a médiát ugyanazon az idővonalon. Ebben a korban az adagolást választották fertőzésre, mivel az újszülött egerek H. pylori-val történő megfertőzése tolerancia kialakulását eredményezi a kórokozóval szemben, ami kizárja a krónikus gyulladás kialakulását [30].

Nyílt terepi feladat

A viselkedéstesztet a fertőzés utáni 8. héten (13 hetes korban) végeztük. A mozgásszervi aktivitást és az ismeretlen környezetre adott viselkedési reakciókat nyílt terepi teszt alkalmazásával mértük. Az egereket egyenként 40 x 40 cm x 30 cm méretű plexi tesztkamrába helyeztük. Az egereket kezdetben a tesztkamra közepébe helyezték, és 60 percig hagyták felfedezni a környéket. A motoros aktivitást infravörös fénysugár-érzékelők detektálták és követték. Az egyedi egéraktivitást VersaMax állataktivitás-ellenőrző rendszerrel (AccuScan Instruments; Columbus, OH) elemeztük. A mért paraméterek tartalmazzák: teljes megtett távolság, ambuláns tevékenység, ambuláns epizódok, vízszintes aktivitás, vertikális aktivitás és az egyes területeken eltöltött teljes idő. A feladat végén az összes egeret visszatették háziketrecükbe. A berendezéseket alaposan megtisztítottuk Quatricide fertőtlenítővel. Minden viselkedési tesztre 9 és 14 óra között került sor. A viselkedéstesztelő helyiségben egyetlen, 40 W-os fénycsövet tartalmazó állólámpa által biztosított puha világítás volt jelen a feladat előkészítése és a kamra tisztítása során.

Teljes vérkép

Soros vérminták (1. ábra.

(A-F). A H. pylori-fertőzött egerek kevesebb felfedező magatartást tanúsítottak a nyílt terű kamrában, és a mielinációval és a dopamin anyagcserével kapcsolatos gének hippocampus expresszióját megváltoztatta a H. pylori fertőzés és az étrendi vas tartalom. (A-C) A H. pylori-fertőzött egerek összesített ambuláns aktivitása, teljes ambuláns száma és teljes vertikális aktivitása szignifikánsan alacsonyabb volt a fertőzött egerekhez képest, függetlenül az étkezési vas állapotától a fertőzés utáni 8. héten. (D) A mielinizációval kapcsolatos hippokampusz gének expresszióját a fertőzés utáni 12 hónapban a H. pylori-fertőzött nőstény egerekben alacsony szinten szabályozták. Az Mbp (D) és a Plp1 (E) mRNS expressziója szignifikánsan csökkent volt a H. pylori-val fertőzött egerekben a nem fertőzött kontrollokhoz képest. (F) A fertőzés utáni 12. hónapban a D1r expressziója szignifikánsan csökkent volt a H. pylori-fertőzött egerekben, ID étrenden, összehasonlítva az összes IR-étrendben lévő egérrel. Minden adat átlag + SEM. (*) = p 2. ábra.

(A-C). A máj Dmt1 expresszióját felfelé szabályoztuk, míg a Hamp expressziót és a szérum ferritint alacsony mértékben szabályoztuk H. pylori-fertőzött egerekben ID diétán. A máj Dmt1 expresszióját szabályoztuk, és a Hamp expressziót csökkentettük H. pylori-fertőzött egerekben ID diétán. (A) A H. pylori-fertőzött egereknél az összes többi kezelési csoporthoz képest szignifikánsan megnőtt a Dmt1 expressziója. (B) A Hamp expressziója a májszövetben szignifikánsan csökkent volt a H. pylori-fertőzött egerekben ID diétán, összehasonlítva az összes többi vizsgálati csoporttal. (C) Egyidejű H. pylori fertőzés és étrendi ID csökkentette a szérum ferritin szintjét nőstény egerekben. Az ID-diétával kezelt H. pylori-fertőzött egerek szérum ferritinszintje szignifikánsan alacsonyabb volt, mint az IR-étrendben lévő nem fertőzött egerek és az IR-étrendben lévő H. pylori-fertőzött egereké. Az összes adat átlag + SEM. (*) = p 3. ábra. Krónikus H. pylori fertőzés gyulladásos citokinek gyomor expresszióját szabályozta nőstény egerekben.

A tumor nekrózis faktor alfa (TNFα) (A), az interleukin egy béta (IL1β) (B), az interleukin 17 alfa (IL7α) (C) és a gamma interferon (IFNγ) (D) gyomor expressziója szignifikánsan szabályozott H. pylori-ban fertőzött egerek a nem fertőzött egerekhez képest. Minden adat átlag + SEM. (*) = p 4. ábra.

(HIRDETÉS). A hematokrit és a hemoglobin koncentrációja alacsonyabb volt H. pylori-val fertőzött egereknél ID-diéta esetén. (A) Az átlagos hemoglobin (Hgb) több mintavételi időpontban különbözött a kezelési csoportok között. Jelentős kezelési hatást figyeltek meg a Hgb koncentrációra az első mintavételi időpontban (3 hónappal a fertőzés után). Boncoláskor (B) a H. pylori-fertőzött egerek ID diétájánál alacsonyabb volt a Hgb, mint az összes többi kezelési csoportnál. (C) Az átlagos Hct szignifikánsan különbözött a kezelési csoportok között mind a fertőzés utáni 10., mind a 12. hónapban. (D) A H. pylori-fertőzött egerek ID étrendjén szignifikánsan alacsonyabb átlagos Hct volt, mint az összes többi csoportnál a boncolás idején. Az összes adat átlag + SEM. (*) = p 5. ábra.

(A&B). Egyidejű H. pylori fertőzés és ID diéta alacsonyabb átlagos sejttérfogatot (MCV) és magasabb átlagos vörösvértest eloszlási szélességet (RDW) eredményezett a fertőzés utáni 12 hónapban (A) A H. pylori-fertőzött egerek átlagos MCV-je az ID-diétán szignifikánsan alacsonyabb volt, mint az összes többi kezelési csoport átlagos MCV-je. (B) A H. pylori-fertőzött egerek átlagos RDW-je ID diétán szignifikánsan nagyobb volt, mint az összes többi kezelési csoport átlagos RDW-je. Az összes adat átlagként + SEM (***) = p 6. ábra.

(A&B). A H. pylori fertőzés növelte a gyomor korpusz hisztopatológiai mutatóit. A H. pylori-fertőzött egereknél magasabb volt a hisztopatológiai pontszám az (A) gyulladás, (B) hiperplázia, pseudopyloric metaplasia esetében. Minden adat átlag + SEM. (*) = p + 6834 H. pylori példány/μg egér DNS. Az egér gyomorszövetének átlagos relatív kolonizációs szintje tartósan Hp-fertőzött egerekben IR-étrenden 1234 + 512,9 kópia H. pylori/μg egér DNS-ben volt (0,05

Vita

Az akut viselkedési változások mellett két mielinizációval kapcsolatos gén, az Mbp és a Plp1 hippocampalis expressziója alacsonyabb volt azokban az egerekben, akik krónikusan fertőzöttek H. pylori-val, függetlenül az étrendi vasállapottól, összehasonlítva az ál-adagolású kontroll egerekkel. Ez azt jelzi, hogy a H. pylori fertőzés önmagában független tényező volt a hippokampus gén expressziójának megváltoztatásában. Az Mbp és a Plp1 elengedhetetlenek a mielin hüvely kialakulásához az emlősök központi idegrendszerében. A hippocampus génexpresszióját kiértékelő korábbi tanulmányok azt találták, hogy a fehérjeszintek a megfelelő génátiratokkal azonos irányba mutatnak [42]. Korábbi vizsgálatunkban az Mbp expressziója szignifikánsan alacsonyabb volt a H. pylori-fertőzött INS-GAS egerek agyszövetében, mint a nem fertőzött kontrollok [25]. A fehérjeelemzés párhuzamos csökkenést mutatott ki az Mbp-szintben, amely 28% -kal alacsonyabb volt a H. pylori-fertőzött egerekben a nem fertőzött kontroll egerekhez képest. Lehetséges, hogy ebben a vizsgálatban az étrendi vasállapot nem befolyásolta a mielinációs gének expresszióját, mivel elválasztás utáni marginális étrend-azonosító modellt használtak a terhességi étrend-azonosító modell helyett.

Az átlagos Hct és Hgb szignifikánsan alacsonyabb volt a H. pylori-fertőzött egerekben ID-diétán, összehasonlítva a vizsgálat összes többi csoportjával, és alacsonyabbak voltak a C57BL/6 nőstény egerek korábban megállapított normál hematológiai értékénél is [46]. Az alacsony Hct, Hg és MCV, valamint az egyidejűleg magas RDW kombinációja mikrocitás, hipokróm vashiányos vérszegénységre utal [36]. Valószínű, hogy mind a H. pylori fertőzés, mind az alacsony szisztémás vas-hozzáférhetőség hozzájárult ehhez az eredményhez. A H. pylori megzavarja a gazdasejt polaritását, és in vitro csökkenti a gazdasejt intracelluláris vas-kereskedelmét [47]. A H. pylori fertőzés gyulladást okoz, ami viszont feljavítja a máj által termelt antimikrobiális peptid, a hepcidin, a szisztémás vas-anyagcserét szabályozó expresszióját [48]. A H. pylori fertőzés által okozott atrófiás gyomorhurut a parietális sejtek elvesztését eredményezi, ezáltal csökken a sav kiválasztása a gyomor lumenébe, és nő a gyomor pH-ja [6,49]. A pH emelkedése korlátozza az étkezési vas (vas) mennyiségét, amely redukálódik az enterociták által felszívódó vas vas formájára, ami káros vas felszívódást eredményez.

A Hamp máj expressziója, amely a test fő vasszabályozó fehérjét, a hepcidint kódolja, szignifikánsan alacsonyabb volt H. pylori-fertőzött egerekben ID diétán, mint az összes többi kezelési csoportban. A hepcidin termelés növekedése, amely gyakran gyulladással függ össze, védelmet nyújt a bakteriális fertőzéssel szemben [56,57]. Ezzel szemben a Hamp-expresszió kompenzációs válaszként csökken azokban az esetekben, amikor fokozott vasfelvételre van szükség, amint az IDA eseteiben látható [58]. Érdekes módon csak a + Hp, ID csoportban figyeltek meg egy fontos vastranszport-receptor, a Dmt1 máj expressziójának szignifikáns upregulációját. A Dmt1 expresszió magas szintje azt jelzi, hogy a vas megnövekszik az intracelluláris térbe homeosztatikus funkciókhoz való felhasználáshoz, és a + Hp, ID csoportban az expresszió jelentős mértékű felülszabályozása azt sugallja, hogy a vas felvételének mélyebb szisztémás igénye van ebben a csoportban az összes többi kezelési csoportok. A gén expresszióval kapcsolatos megállapítások ebben a tanulmányban kiemelik az alacsony szisztémás vasállapotra adott molekuláris választ, amelyet az alacsony hematokrit, a hemoglobin és a ferritin határoz meg, és alapot nyújtanak e fontos válasz molekuláris mechanizmusainak további vizsgálatához.

Köszönetnyilvánítás

Köszönjük Bailey Clear és Lauren McAllister segítségét a telepek karbantartásában, a mintagyűjtésben és a viselkedési vizsgálatokban; Lenzie Cheney-nek és Christian Kaufmannak a boncoláshoz és a mintagyűjtéshez nyújtott segítségért; Zeli Shennek baktériumtenyésztésért; Alyssa Pappának kézirat és figura előkészítésért.

Szerző közreműködései

Fogalomalkotás: JGF TCW MG MB.
Adatkezelés: MG JGF.
Hivatalos elemzés: MB ZG KE MG JGF VB AA.
Finanszírozás megszerzése: JGF.
Vizsgálat: MB ZG MG.
Módszertan: MB CB KE VB.
Projekt adminisztráció: MG JGF MB.
Erőforrások: MG JGF.
Felügyelet: MG JGF.
Érvényesítés: MB ZG JGF MG.
Megjelenítés: MB JGF.
Írás - eredeti vázlat: MB JGF.
Írás - áttekintés és szerkesztés: MB TCW MG JGF VB.