A riszperidon által kiváltott súlygyarapodást a bél mikrobiomjának eltolódása és az energiafelhasználás visszaszorítása jelenti.

Sarah M. Bahr

a Mikrobiológiai Tanszék, Iowa Egyetem, Iowa City, IA, Egyesült Államok

Benjamin J. Weidemann

b Farmakológiai Tanszék, University of Iowa, Iowa City, IA, Egyesült Államok

Ana N. Castro

a Mikrobiológiai Tanszék, Iowa Egyetem, Iowa City, IA, Egyesült Államok

John W. Walsh

a Mikrobiológiai Tanszék, Iowa Egyetem, Iowa City, IA, Egyesült Államok

Orlando deLeon

mikrobiológiai tanszék, Iowa Egyetem, Iowa City, IA, Egyesült Államok

Colin M.L. Burnett

b Farmakológiai Tanszék, University of Iowa, Iowa City, IA, Egyesült Államok

Nicole A. Pearson

b Farmakológiai Tanszék, University of Iowa, Iowa City, IA, Egyesült Államok

Daryl J. Murry

c Gyógyszerészeti és Transzlációs Terápiás Tanszék, Iowa Egyetem, Iowa City, IA, Egyesült Államok

Justin L. Grobe

b Farmakológiai Tanszék, University of Iowa, Iowa City, IA, Egyesült Államok

e Testvérek Eagles Diabetes Kutatóközpontja, Iowa Egyetem, Iowa City, IA, Egyesült Államok

f Elhízáskutatási és oktatási kezdeményezés, Iowa Egyetem, Iowa City, IA, Egyesült Államok

g Magasvérnyomás-kutató Központ, University of Iowa, Iowa City, IA, Egyesült Államok

John R. Kirby

a Mikrobiológiai Tanszék, Iowa Egyetem, Iowa City, IA, Egyesült Államok

d Urológiai Tanszék, Iowa Egyetem, Iowa City, IA, Egyesült Államok

e Testvérek Eagles Diabetes Kutatóközpontja, Iowa Egyetem, Iowa City, IA, Egyesült Államok

Társított adatok

Absztrakt

A risperidon egy második generációs antipszichotikum, amely súlygyarapodást okoz. Feltételeztük, hogy a bél mikrobiomjában a risperidon által kiváltott eltolódások mechanikusan részt vesznek metabolikus következményeiben. A vad típusú nőstény C57BL/6J egerek, amelyeket risperidonnal kezeltek (80 μg/nap), jelentős túlsúlynövekedést mutatott a csökkent energiafelhasználás miatt, amely korrelált a bél megváltozott mikrobiomjával. A risperidonnal kezelt egerek székletátültetése a teljes nyugalmi anyagcsere sebességének 16% -os csökkenését okozta a naiv betegeknél, ami a nem aerob anyagcsere szuppressziójának tulajdonítható. A risperidon anaerob módon tenyésztett tenyésztett székletbaktériumok szaporodását jobban gátolta, mint az aerob módon tenyésztett. Végül a risperidonnal kezelt egerek székletfág-frakciójának átültetése elegendő volt ahhoz, hogy túlsúlyos növekedést okozzon a naiv recipienseknél, ismét csökkent energiafelhasználás révén. Ezek az adatok összességében kiemelik a bél mikrobiomjának a súlygyarapodásban betöltött fő szerepét a rizperidon krónikus alkalmazását követően, és kifejezetten a nem aerob pihenő anyagcsere modulációját vonják magukba ebben a mechanizmusban.

1. Bemutatkozás

A legújabb tanulmányok a bél mikrobiómját, az emberi bélben található baktérium ökoszisztémát társítják a súlygyarapodás és az anyagcsere-betegségek modulációjához. Kimutatták, hogy a mikrobiom számos mechanizmus révén hozzájárul a gazda anyagcseréjéhez és fiziológiájához, beleértve az étrendből származó megnövekedett energiatermelést (Turnbaugh et al., 2006, Turnbaugh et al., 2008), a lipid anyagcsere modulációját (Bäckhed et al., 2004, Velagapudi és mtsai., 2010), megváltozott endokrin funkció (Dumas és mtsai., 2006, Swann és mtsai., 2011, Wang és mtsai., 2011) és gyulladásos stabilitás (Elinav és mtsai., 2011, Hall és mtsai., 2011, Henao-Mejia et al., 2012, Vandanmagsar et al., 2011). Így a bél mikrobiota befolyásolja az elhízás és más anyagcsere-betegségek modulálását.

Ebben a tanulmányban azt a hipotézist vizsgáltuk, miszerint a bél mikrobiomjában bekövetkező elmozdulások mechanisztikusan kapcsolódnak a risperidon kezelésre adott válaszként bekövetkező súlygyarapodáshoz. Vizsgálatunk során megvizsgáltuk az energiamérleget és a súlygyarapodást vad típusú egerekben, önmagában vagy risperidonnal kombinálva, különféle xenobiotikumokkal kombinálva, a risperidonnal módosított mikrobiota vagy a risperidonnal kezelt mikrobiotával társított fág átvitelére reagálva. Megállapítottuk, hogy a risperidon megváltoztatja a bél mikrobiotáját, ami elnyomott energiafelhasználás révén súlygyarapodást eredményez. Ezenkívül a risperidonnal kezelt székletanyag, beleértve a fágfrakciót is, transzferje elegendő volt ahhoz, hogy hasonló hatásokat indukáljon naiv egerekben. A bél mikrobiomjának mint az energia homeosztázis kritikus közvetítőjének azonosítása új terápiás célpontokat és megközelítéseket azonosíthat a risperidon által kiváltott súlygyarapodás és elhízás szempontjából.

2. Anyagok és módszerek

2.1. Állattenyésztés

A Jackson Laboratórium hat-hét hetes C57BL/6J nőstény egereit standard 12:12 sötét-fény ciklusban helyeztük el, ad libitum hozzáféréssel a standard chow-hoz (Teklad 7013; 18% kcal zsírból) és vízhez (pH 3,7 with ecetsav, hogy megfeleljen az orális rizperidon pH-jának), vagy víz és risperidon (20 μg/ml, pH 3,7). Az antibiotikumokat tíz napig ivóvízben adagolták 62,5 mg/l, illetve 142,5 mg/l ciprofloxacinban és ampicillinben. Valamennyi eljárást az Iowai Egyetem Állattenyésztési és Felhasználási Bizottsága hagyta jóvá, összhangban a Nemzeti Egészségügyi Intézetek laboratóriumi állatok gondozására és felhasználására vonatkozó útmutatójával.

2.2. Nukleáris mágneses rezonancia

A testösszetételt magmágneses rezonancia (NMR; Brucker LF90II) alkalmazásával értékeltük. Az egereket visszatartottuk (Emésztési hatékonyság = Elfogyasztott energia .

Az energiahatékonyságot a risperidon megkezdése után különböző időpontokban számították ki:

2.5. Fizikai aktivitás és maghőmérséklet

A fizikai aktivitást és a maghőmérsékletet radiotelemetrikus szondák (DSI) segítségével határoztuk meg, amint azt korábban leírtuk (Burnett és Grobe, 2014, Grobe és mtsai, 2010). Az egereket izofluránnal altattuk, és szondákat illesztettünk a hasfalba. 1-2 hét gyógyulás után az aktivitást és a maghőmérsékletet 5 percenként 30 másodpercen keresztül rögzítettük a világos-sötét ciklus alatt (S1. Ábra).

2.6. Kombinált kalorimetria

A nyugalmi anyagcserét (RMR) egyidejűleg mértük közvetlen kalorimetriával és respirometriával a korábban leírtak szerint (Burnett és Grobe, 2013, Burnett és Grobe, 2014). Röviden: az egerek teljes hőelvezetési, hőmegtartási, valamint O2- és CO2-cseréjének sebességét alvás közben értékeltük termoneutralitáson (30 ° C), egyedi kialakítású gradiens rétegű közvetlen kaloriméter, maghőmérsékleti teleméterek (DSI) és S -3A/II O2 és CD-3A CO2 analizátorok (AEI). A levegő tömegáramát mértük (Sensiron) és korrigáltuk az STP-vel. A közvetlen kalorimetriával meghatározott összes RMR az összes hőveszteség (érzékeny és érzéketlen) és a visszatartott hő összegét jelenti, amelyet a mag hőmérsékletének változása és az NMR alkalmazásával meghatározott testösszetétel határoz meg. A respirometriával meghatározott aerob RMR a becsült hőtermelést reprezentálja a Lusk (1924) eredetű képlet alapján:

A VO2 az STP-korrigált oxigénfogyasztási sebességet jelenti (ml/percben), a légzéscsere arány (RER) pedig a szén-dioxid-termelés és az oxigénfogyasztás arányát jelenti. A nem aerob RMR a mért teljes hőtermelés (közvetlen kalorimetriából) és az aerob RMR becsült aránya (respirometriából) közötti különbséget jelenti:

Fontos megjegyezni, hogy a jelenlegi vizsgálat során egerek „RMR” adatait jelentjük, amelyeket az állatok alvás közben értékeltek. Az alvás alatti anyagcsere-sebességet pontosabban „alvó anyagcsere-sebességnek, SMR-nek” nevezik, de tekintettel az egerekben a pihenés és az alvás anyagcsere-arányának disszociálásának összetettségére, az irodalomban kevés jelentés használja ezt a terminológiát az egerek metabolikus funkcióját vizsgáló vizsgálatokban. Ezzel szemben az embereknél az SMR és az RMR egyértelműen megkülönböztethető. Tehát bár technikailag kevésbé pontosak, úgy döntöttünk, hogy az itt szereplő adatokat „SMR” helyett „RMR” -ként jelentjük, a mező jelenlegi köznyelvének tükrében.

2.7. Baktérium DNS-ek kivonása és szekvenálása

A 16S rRNS génszekvenálási módszereket az NIH-Human Microbiome Project (Consortium, 2012) számára kidolgozott módszerekből adaptáltuk. Röviden, a bakteriális genomi DNS-t extraháltuk a MO BIO PowerSoil DNS izoláló készlet (MO BIO Laboratories) segítségével. A 16S rDNS V4 régiót PCR-rel amplifikáltuk, és a MiSeq platformon (Illumina) szekvenáltuk a 2 × 250 bp páros végű protokollt használva, így párvégű leolvasást kaptunk. Az amplifikációhoz használt primerek tartalmaznak adaptereket a MiSeq szekvenáláshoz és kettős indexű vonalkódokat, hogy a PCR-termékek közvetlenül egyesíthetők és szekvenálhatók legyenek (Caporaso et al., 2012), mintánként legalább 6000 olvasást megcélozva.

2.8. Szekvenciaelemzés

A 16S adatokat QIIME v.1.9 szoftverrel elemeztük. A vonalkódokat a fastq fájlokhoz illesztettük, majd eltávolítottuk (Caporaso és mtsai, 2010b). Hasonló szekvenciákat (cutoff 97%) egyesítettünk operatív taxonómiai egységekbe (OTU) a sumaclust v1.1.00 és a sortmerna 2.0 alkalmazásával. Az egyes OTU-k reprezentatív szekvenciáit PyNAST alkalmazásával igazítottuk össze (Caporaso et al., 2010a). A lanemaskPH-t használták a hipervariábilis régiók kiszűrésére, és az OTU-kat a greengenes adatbázisba sorolták (DeSantis et al., 2006). A megfigyelt fajok, a Chao1 és a filogenetikai sokféleség metrikáit az alfa_diversity.py és összehasonlítás_alfa_diversity.py segítségével értékeltük QIIME-ban. A mintákat 6000 szekvencia/minta mélységig ritkították, ami az áruk lefedettsége alapján elegendőnek bizonyult. A béta változatosságot az UniFrac alkalmazásával értékeltük a QIIME-ban (Lozupone et al., 2010). A LEfSe-t alapértelmezett paraméterekkel használták a fajszintű OTU táblákban az egyes populációkat legjobban jellemző taxonok meghatározásához (Segata et al., 2011). Csak azokat a funkciókat tartották meg, amelyeknél az LDA pontszám> 2,0.

2.9. Széklettranszfer

A megfelelő donor kohorszokból származó székletanyagot (0,3 g) összegyűjtöttük, összegyűjtöttük, steril mozsárban és mozsárban őröltük, és steril vízben (1 ml/0,1 g széklet) szuszpendáltuk. A mintákat 2 percig 3000 x g-vel centrifugáltuk a nagy részecskék eltávolítása céljából. Az egyes egerek 14 egymást követő napon át 100 μl megfelelő széklet felülúszót kaptak szájon át történő szoptatással.

2.10. Risperidon mérés HPLC – MS módszerrel

Az aerob és anaerob tenyészetek regresszióit 11 és 8 iterációval érték el, az R 2 értéke 0,9876 és 0,9985, így az IC50-értékek 77 ± 2 és 38 ± 1 μg/ml risperidont, a Hillslopes pedig - 5,13 ± 0,64 és - 2,99 ± 0,17, ill.