2021-5-25 11:07
发表期刊：Redox Biology
发表时间：2021 February
影响因子：9.986
合作客户：北京妇产医院
百趣生物提供服务：非靶标代谢组学+16s+关联分析
多囊卵巢综合征(PCOS)是一种复杂的内分泌和代谢障碍，常伴有氧化应激。Tempol是一种超氧化物歧化酶模拟物，可以防止氧化应激引起的几种疾病。然而，Tempol对PCOS的影响还没有被研究。因此，本文通过代谢组学和16s研究Tempol对PCOS的潜在治疗效果。
1.研究概览
课题方向：Tempol通过减轻肠道氧化应激和调节肠道微生物组成-血清代谢产物相互作用改善多囊卵巢综合征
组学平台：LC-MS（血清n=8~9），16sRNA（粪便n=5~6），WB
分组情况：Oil + PBS组 , DHEA + PBS组 , 和 DHEA + Tempol组
分析图：PCA图、热图、相关性热图、PCoA图、NMDS图、相似性分析图等
2.研究结果
1. Tempol能降低DHEA诱导的PCOS大鼠的卵巢功能障碍和细胞凋亡
图1 Tempol可缓解脱氢表雄酮(DHEA)诱导的PCOS大鼠的卵巢功能障碍
作者使用3周大的雌性青春期前斯普拉格氏大鼠每天皮下注射60mg/kgDHEA来诱导PCOS。
如图1所示，分别构建三组模型小鼠，分别为Oil + PBS（对照组）, DHEA + PBS（PCOS大鼠）, DHEA + Tempol（Tempol干预治疗组）。通过对小鼠发情周期、卵巢组织病理切片、黄体和囊性卵巢数量、五种血清中性激素含量、血清胆汁酸、裂解半胱甘蛋白酶-3含量及大鼠细胞凋亡比例等指标的测定表明Tempo改善了PCOS大鼠卵巢功能障碍和卵巢组织的病理损伤。
2. Tempol能适度改善DHEA诱导的PCOS大鼠的葡萄糖耐量
图2 Tempol对PCOS大鼠葡萄糖耐量和胰岛素敏感性的影响
由于PCOS与代谢紊乱密切相关，作者评估了不同组的胰岛素敏感性和葡萄糖稳态。虽然空腹血糖水平无显著差异，但DHEA+PBS组的大鼠比Oil + PBS组显示出更高的空腹血清胰岛素水平和HOMA-IR值。Tempol显著降低了空腹胰岛素水平，而研究发现它对PCOS大鼠的空腹血糖水平和HOMA-IR值无显著影响(图2A-C)。OGTTs显示，PCOS大鼠的葡萄糖清除率延迟和曲线下的面积增加，这表明DHEA诱导会降低葡萄糖的排泄能力。Tempol用药对葡萄糖耐量的损害有所改善(图2D)。ITTs表明，这三组的大鼠对胰岛素的反应都是一样的(图2E)。
3. Tempol可改善PCOS大鼠系统和肠道的氧化应激反应
图3 Tempol对PCOS大鼠全身、卵巢和肠道氧化应激的影响
如图3所示，通过对大鼠全身、卵巢和肠道氧化应激指标的测定表明Tempol可以显著降低PCOS大鼠的肠道氧化应激反应。
4. Tempol对肠道微生物群多样性的影响
图4. Tempol对肠道微生物群多样性的影响
前期实验表明Tempol对肠道氧化应激有深远的影响，因此作者利用粪便样本进行了16SRDNA测序，以测定Tempol对PCOS大鼠肠道微生物群组成和水平的影响。有趣的是，稀薄曲线和香农曲线以及四个α多样性指数的结果在不同的组中没有显示出差异(图4A-F)。这表明DHEA处理或Tempol干预对肠道微生物群的α多样性没有明显的影响。接下来通过聚类分析、PCoA和NMDS等分析进一步显示，三个大鼠组的整体肠道微生物组成不同(图4G-J)。这些结果共同表明，肠道微生物群的β多样性受到DHEA和Tempol治疗的影响。
5. 肠道微生物群落在门和属级微生物群落组成的变化
图5 肠道微生物群落在门和属级微生物群落组成的变化
为了筛选出经过DHEA和Tempol处理发生显著变化的肠道菌群，作者通过LDA和LEfSe方法对所有菌群进行分析，结果表明Desulfovibrionaceae在Oil + PBS丰富，而Muribaculaceae and Alloprevotella在DHEA + PBS和DHEA + Tempol丰富，这表明Tempol可以重塑大鼠肠道微生物组成。DHEA治疗增加了放线菌、细菌、锥菌、锥杆菌和疣菌的丰度，减少了表皮杆菌和变形杆菌的数量（图5D）。在属水平上，Lachnospiraceae_NK4A136_group和Mutibaculaceae是优势属。具体来说，DHEA处理显著增加了Thauera、Staphylococcus、Ideonella、Corynebacterium andRuminococcus_2的丰度，降低了Ruminococcus_1的丰度。这些变化会被Tempol治疗所抵消。
6. Tempol治疗对血清代谢组的影响
图6 Tempol治疗对血清代谢的影响
随后，作者通过对三组大鼠血清代谢进行非靶检测，并研究肠道微生物组与宿主中循环代谢物之间的关系。PCA和OPLS-DA分析显示三组大鼠出现明显的分离，表明三组大鼠血清代谢状态有显著差异(图6A-B)。三组样本中52种血清代谢物呈现显著差异，其中28种由DHEA处理导致的差异代谢物在Tempol治疗后变化减弱(图6C)。
7. 肠道微生物与代谢物之间的关系
图7肠道微生物与循环代谢物之间的关系
通过相关性分析，测试33种菌和52种代谢物之间的关系，研究了三组循环代谢物与肠道微生物群之间的联系。此外，使用散点图进一步观察血清水苏糖与Ruminococcus_1或Ruminococcus_2之间的相关性(图7A)。结果表明，PCOS大鼠的Ruminococcus_1丰度的下降和Ruminococcus_2丰度的增加与血清水苏糖水平的降低有关。当Tempol干预改变Ruminococcus_1和Ruminococcus_2丰度时，PCOS大鼠血清水苏糖水平升高(图7B-C)。
8. 水苏糖改善了DHEA诱导的PCOS大鼠的卵巢功能障碍
图8 水苏糖改善了DHEA诱导的PCOS大鼠的卵巢功能障碍
为了确定水苏糖是否能对PCOS大鼠产生有益作用，给DHEA处理的大鼠服用200mg/kg水苏糖12天。结果表明服用水苏糖对体重没有显著影响，但是改善了PCOS大鼠的发情周期障碍。(图8A-B)。H&E染色进一步表明，服用水苏糖可减少囊性囊泡的数量，并增加卵巢中黄体的形成(图8C–E)。此外，水苏糖也显著减少了PCOS大鼠血清睾酮水平的增加(图8F)。
3.研究小结
本研究有两个主要的新发现。首先，Tempol能有效降低DHEA诱导的PCOS大鼠卵巢功能障碍。其次，Tempol对PCOS大鼠的治疗作用与改善肠氧化应激、减轻肠道发育失调和循环代谢物恢复有关，表明Tempol主要通过清除超氧化物和调节肠道微生物群来改善大鼠PCOS。这些结果表明，使用Tempol是PCOS的一种潜在的治疗策略。
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领域：细胞生物学,微生物,生理生态,分子生物学,蛋白/抗体/蛋白质组,基因/基因组/测序,多组学/蛋白质组/代谢组/脂质组,其他生命科学
