Analisi di associazione del microbiota intestinale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9225 (2023) Citare questo articolo

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L’iperattivazione dell’asse ipotalamo-ipofisi-surrene (HPA) e dell’asse ipotalamo-ipofisi-tiroide (HPT) è stata riscontrata in caso di sfida acuta ad alta quota, ma il ruolo del microbiota intestinale e dei metaboliti è sconosciuto. Abbiamo utilizzato ratti maschi adulti Sprague-Dawley ad un'altitudine simulata di 5500 m per 3 giorni in una camera ipobarica-ipossica. Sono state quindi eseguite analisi ELISA e metabolomiche del siero e dell'rRNA 16S e analisi metabolomiche dei campioni fecali. Rispetto al gruppo normossico, l’ormone di rilascio della corticotropina (CRH), l’ormone adrenocorticotropo (ACTH), il corticosterone (CORT) e la tiroxina (tT4) erano aumentati nel gruppo ipossia, mentre l’ormone di rilascio della tireotropina (TRH) era diminuito. Bacteroides, Lactobacillus, Parabacteroides, Butyricimonas, SMB53, Akkermansia, Phascolarctobacterium e Aerococcus sono stati arricchiti nel gruppo ipossia, mentre [Prevotella], Prevotella, Kaistobacter, Salinibacterium e Vogesella sono stati arricchiti nel gruppo normossico. L'analisi metabolomica ha indicato che l'ipossia acuta ha influenzato significativamente il metabolismo dei lipidi fecali e sierici. Inoltre, abbiamo scoperto che cinque metaboliti fecali possono mediare l'interazione tra TRH, tT4 e CORT con [Prevotella], Kaistobacter, Parabacteroides e Aerococcus, e 6 metaboliti sierici possono mediare l'effetto di TRH e tT4 su [Prevotella] e Kaistobacter mediante analisi della mediazione causale. In conclusione, questo studio fornisce nuove prove che i metaboliti chiave mediano l’interazione tra il microbiota intestinale e l’asse HPA e HPT in condizioni di ipossia ipobarica acuta.

La rapida ascesa delle persone della pianura ad altitudini superiori a 2500 m di solito sperimenta il mal di montagna acuto (AMS), che si manifesta con una combinazione di sintomi tra cui insonnia, affaticamento, vertigini, anoressia e nausea, con vomito1. I problemi gastrointestinali2 possono influenzare il microbiota intestinale nelle popolazioni esposte ad alta quota. È stato riscontrato che la Prevotella era arricchita nelle feci dei tibetani ad alta quota (3600 m), mentre il Bacteroides era arricchito nelle feci Han3. I tibetani che vivono a 4800 m hanno una flora arricchita di batteri produttori di butirrato3. I membri della spedizione esposti ad altitudini superiori a 5.000 m hanno evidenziato una diminuzione significativa dei probiotici intestinali, come i bifidobatteri nelle feci, e un aumento significativo dei batteri patogeni intestinali4.

L'iperattività neuroendocrina può essere coinvolta nella regolazione della funzione immunitaria, dello stress vascolare, del metabolismo energetico, delle emozioni e del sonno5,6. Diversi studi hanno dimostrato cambiamenti nelle varie concentrazioni ormonali in alta quota, tra cui aumento della norepinefrina e del cortisolo7,8, un aumento acuto dell'ormone stimolante la tiroide (TSH), tiroxina (tT4), tiroxina libera (fT4), triiodotironina (tT3) e triiodotironina libera (fT3)9,10,11, che può poi gradualmente recuperare o diminuire in caso di esposizione cronica all'ipossia10,11,12. Tuttavia, i meccanismi di attivazione degli assi HPA e HPT in caso di ipossia ipobarica acuta (AHH) non sono ancora ben compresi.

Curiosamente, il nostro lavoro precedente ha mostrato che il microbiota intestinale, gli ormoni dell’asse HPA e dell’asse HPT sono cambiati significativamente nei ratti ad un’altitudine simulata di 5500 m, specialmente nella fase acuta13. I meccanismi non erano ancora completamente chiariti, sebbene sia stata trovata una correlazione tra gli ormoni e il microbiota intestinale mediante l’analisi di correlazione di Spearman.

Essendo un potenziale organo endocrino, il microbiota intestinale produce metaboliti con funzioni di segnalazione o sostanze chimiche con proprietà ormonali, come acidi grassi a catena corta (SCFA), neurotrasmettitori, precursori di composti neuroattivi, acidi biliari e metaboliti della colina, ormoni gastrointestinali e componenti batterici14 ,15. I metaboliti vengono secreti dai batteri nel lume intestinale e trasportati agli organi effettori (p. es., il cervello) attraverso il sangue. A loro volta, i batteri nell’intestino possono rispondere agli ormoni dell’ospite, che influenzano l’omeostasi del microbiota e la produzione di metaboliti, influenzando potenzialmente lo stato patologico dell’ospite. Ad esempio, livelli elevati di noradrenalina stimolano la crescita di E. coli commensali non patogeni e di altri batteri Gram-negativi nell'intestino16. Le alterazioni della composizione microbica intestinale e della permeabilità intestinale influenzano anche gli ormoni dell’asse HPA e dell’asse HPT17. Tale interazione tra il microbiota ospite e quello intestinale può essere suscettibile allo stress ambientale e svolge un ruolo importante nell’adattamento all’ipossia.

0.05)./p> 0.05). A Principal Co-ordinates Analysis (PCoA) plot of the Bray–Curtis distances confirmed that samples clustered and separated between groups (Fig. 2b). Linear discriminant analysis Effect Size (LEfSe)18 identified 13 differential genera. Firmicutes and Verrucomicrobia were significantly enriched in the hypoxia group at the phylum level (Fig. 2c, d, LDA score > 3, KW rank sum test and pairwise Wilcoxon test, p < 0.05). Bacteroides, Lactobacillus, Parabacteroides, Butyricimonas, SMB53, Akkermansia, Phascolarctobacterium, and Aerococcus were enriched in hypoxia group, whereas [Prevotella], Prevotella, Kaistobacter, Salinibacterium, and Vogesella were enriched in normoxic group at the genus level (Fig. 2c, d, LDA score > 3, KW rank sum test and pairwise Wilcoxon test, p < 0.05)./p> 3, p < 0.05) computed for features differentially abundant between hypoxia group (green blocks) and control group (red blocks), and (d) cladogram mapping of the gut microbiota composition differences between hypoxia group (green blocks) and control group (red blocks) to taxonomic trees generated by LEfSe showed significant differences in gut microbial composition./p> 1 and p < 0.05 (t-tests)./p>

1 and p-value less than 0.05 from a two-tailed Student's t-test on the normalized peak areas. Based on the KEGG database52, the differential metabolites were subjected to pathway enrichment analysis, and the differential metabolites were mapped to the KEGG database using the KEGG ID. P-value less than 0.05 is a significantly enriched pathway./p>

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