Tutte le procedure sperimentali del presente studio sono state condotte in conformità con le linee guida del National Institutes of Health per la cura e l'uso degli animali da laboratorio e sono state approvate dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali (Numero di approvazione: IACUC-2023-0156).
Animali
Ratti femmina Sprague-Dawley (n = 24, 6 settimane di età, peso corporeo 180–200 g) sono stati ottenuti dal Centro per gli Animali da Laboratorio dell'istituzione affiliata e allevati in condizioni ambientali controllate (temperatura 22 ± 2°C, umidità 50 ± 10%, ciclo luce/buio di 12 ore) con libero accesso a mangime standard per roditori e acqua purificata. Dopo un periodo di ambientamento di una settimana, gli animali sono stati assegnati casualmente a tre gruppi sperimentali (n = 8 per gruppo): Controllo, Modello PCOS e Trattamento ZeLan. La dimensione del campione è stata determinata sulla base di studi precedenti che hanno indagato le alterazioni della microbiota intestinale nei modelli di PCOS, con un'analisi della potenza statistica che ha indicato come 8 animali per gruppo garantiscano una potenza dell'80% nel rilevare una differenza di 1,5 volte negli indici di diversità alfa a α = 0,05.
Stabilimento del modello di PCOS e protocollo di trattamento
Il modello di PCOS è stato stabilito seguendo un protocollo ben validato che prevede l'iniezione sottocutanea di deidroepiandrosterone (DHEA; Sigma-Aldrich, USA) disciolto in olio di sesamo nella regione dorsale del collo, a un dosaggio di 6 mg/100 g di peso corporeo, somministrato quotidianamente per 21 giorni consecutivi. Gli animali del gruppo di controllo hanno ricevuto volumi equivalenti di olio di sesamo come veicolo. L'intera durata sperimentale comprendeva 7 giorni di acclimatazione, 21 giorni di induzione del modello e 28 giorni di intervento, con il prelievo finale al giorno 56 del protocollo, inclusi i giorni di acclimatazione (Figura 1). L'estratto ZeLan è stato preparato a partire dall'erbaceo autentificato Lycopus lucidus Turcz. mediante estrazione acquosa ed è stato standardizzato per contenere un totale di flavonoidi non inferiore al 2,5%, determinato mediante cromatografia liquida ad alte prestazioni, che ha costituito il criterio di controllo qualitativo chimico dell'estratto botanico. A partire dal completamento della fase di induzione del modello mediante DHEA, i ratti del gruppo ZeLan hanno ricevuto per via orale l'estratto ZeLan a un dosaggio di 200 mg/kg di peso corporeo, somministrato quotidianamente per 28 giorni consecutivi, mentre i gruppi Controllo e Modello hanno ricevuto volumi equivalenti di acqua distillata. Il dosaggio di 200 mg/kg è stato scelto come dose farmacologica esplorativa in base all'esperienza pregressa nell'uso di estratti botanici in modelli animali e a considerazioni preliminari di tollerabilità; una valutazione formale della risposta dose-dipendente non faceva parte del presente disegno sperimentale. Il peso corporeo è stato registrato settimanalmente per tutta la durata dell'esperimento. In questo disegno sperimentale, la corretta induzione del modello di PCOS è stata valutata sulla base del protocollo di induzione con DHEA insieme a fenotipi endocrini e metabolici finali, inclusi il peso corporeo, il testosterone sierico, il rapporto LH/FSH e l'insulina a digiuno. L'esame istopatologico ovarico, il conteggio dei follicoli, la quantificazione dei corpi lutei e il monitoraggio seriale del ciclo estrale non sono stati inclusi come endpoint di conferma del modello; pertanto, l'interpretazione della disfunzione ovarica si è basata su parametri endocrini e metabolici piuttosto che su una valutazione diretta a livello tissutale.
Raccolta ed elaborazione del campione
I campioni (siero e feci) sono stati raccolti da tutti e tre i gruppi (n = 8 per gruppo) per successive analisi biochimiche, di microbiota e di metabolomica. Le raccolte finali sono state effettuate al mattino dopo un digiuno notturno per ridurre la variabilità legata al ritmo circadiano e all'alimentazione. I campioni di sangue sono stati prelevati dall'aorta addominale sotto anestesia e centrifugati a 3.000 × g per 15 minuti a 4°C per ottenere il siero, che è stato suddiviso in aliquote e conservato a -80°C fino alle analisi ormonali e metabolomiche. I campioni fecali freschi sono stati raccolti direttamente dal cieco in condizioni asettiche in cryotubi sterili, mantenuti sul ghiaccio secco durante il trasferimento, congelati rapidamente in azoto liquido entro 10 minuti dal prelievo e conservati a -80°C fino al sequenziamento del gene 16S rRNA.
Misurazioni ormonali nel siero
Le concentrazioni sieriche di testosterone, ormone luteinizzante (LH), ormone follicolo-stimolante (FSH) e insulina sono state quantificate utilizzando kit per saggio immunoenzimatico (ELISA) disponibili in commercio (Cusabio Biotech, Wuhan, Cina) secondo le istruzioni del produttore. Il rapporto LH/FSH è stato calcolato come indice composito di squilibrio gonadotropinico caratteristico del PCOS. Tutti i campioni sono stati analizzati in duplicato e le misurazioni con coefficienti di variazione superiori al 15% sono state ripetute. I coefficienti di variazione intra-saggio e inter-saggio dovevano rimanere rispettivamente al di sotto del 10% e del 15%. Eventuali valori anomali sono stati verificati confrontandoli con i dati originali e le informazioni sul rendimento del saggio, e nessun valore è stato escluso esclusivamente per motivi statistici senza una motivazione tecnica documentata.
Sequenziamento del gene dell'RNA ribosomiale 16S e analisi bioinformatica
Il DNA genomico batterico totale è stato estratto dai contenuti ciecali utilizzando il QIAamp DNA Stool Mini Kit (Qiagen, Germania) seguendo il protocollo del produttore. La qualità e la quantità del DNA sono state valutate mediante spettrofotometria NanoDrop ed elettroforesi su gel di agarosio, e gli estratti di DNA sono stati conservati a -80°C prima della costruzione delle librerie. Le regioni ipervariabili V3-V4 del gene 16S rRNA sono state amplificate utilizzando i primer universali 338F (5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3') e 806R (5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3') con sequenze adattatrici Illumina. Le librerie di ampliconi sono state costruite, purificate, quantificate, raggruppate in concentrazioni equimolari e sequenziate sulla piattaforma Illumina NovaSeq 6000 (Novogene, Pechino, Cina) utilizzando letture paired-end di 250 bp.
Le letture di sequenziamento grezze sono state elaborate utilizzando la pipeline QIIME2 (versione 2022.2). Le letture paired-end sono state demultiplexate, unite, filtrate per qualità utilizzando una soglia del punteggio Phred di almeno 20 ed elaborate con DADA2 per rimuovere le sequenze chimere e generare varianti di sequenza dell'amplicone (ASV). La classificazione tassonomica è stata effettuata confrontando con la base di dati di riferimento SILVA 138 mediante un classificatore bayesiano naïve. Sono state calcolate metriche di diversità alfa, inclusi l'indice di Shannon, l'indice di Simpson e lo stimatore di Chao1, per valutare la diversità e la ricchezza all'interno dei campioni. I risultati relativi alla profondità di sequenziamento, inclusi riepiloghi delle letture, tabelle di abbondanza delle ASV, copertura di Good e file delle curve di rarefazione, sono stati considerati parte del set di dati del microbioma descritto nella sezione Disponibilità dei Dati. L'analisi lineare della dimensione dell'effetto (LEfSe) è stata utilizzata per identificare i taxa associati alla malattia nel confronto tra Controllo e Modello, utilizzando una soglia del punteggio LDA maggiore di 2,0 e P < 0,05; il ripristino associato a ZeLan è stato valutato confrontando la direzione delle variazioni di abbondanza tassonomica nel gruppo ZeLan rispetto al gruppo Modello.
Analisi di metabolomica non mirata
Il profilo metabolomico del siero è stato eseguito mediante cromatografia liquida ad altissime prestazioni abbinata a spettrometria di massa con analizzatore a quadrupolo e tempo di volo (UHPLC-Q-TOF-MS; Agilent 1290 Infinity II/6550, USA). I campioni di siero (100 μL) sono stati mescolati con 400 μL di metanolo freddo:acetonitrile (1:1, v/v) contenente standard interni, vortexati e incubati a -20°C per 1 ora per precipitare le proteine. Dopo centrifugazione a 14.000 × g per 15 minuti, i soprannatanti sono stati essiccati sotto flusso di azoto e ricostituiti in 100 μL di acetonitrile:acqua (1:1, v/v) per l'analisi. La separazione cromatografica è stata effettuata su una colonna ACQUITY UPLC HSS T3 (2,1 × 100 mm, 1,8 μm) mantenuta a 40°C, utilizzando acqua contenente acido formico allo 0,1% come fase mobile A e acetonitrile contenente acido formico allo 0,1% come fase mobile B, a un flusso di 0,30 mL/min. È stato utilizzato un programma a gradiente che incrementa la fase organica dal 5% al 95%, seguito da lavaggio della colonna e re-equilibrazione, per la separazione dei metaboliti. I dati spettrometrici di massa sono stati acquisiti sia in modalità di ionizzazione elettrospray positiva che negativa, con un intervallo di scansione di m/z 50–1200; i parametri della sorgente includevano una tensione del capillare di 3,5 kV, un flusso del gas di essiccazione di 10 L/min, una temperatura del gas di essiccazione di 325°C, una pressione del nebulizzatore di 35 psi e una tensione del fragmentor di 120 V.
I file di dati grezzi sono stati convertiti in formato mzXML ed elaborati utilizzando il pacchetto XCMS in R per la rilevazione dei picchi, l'allineamento dei tempi di ritenzione e l'integrazione dell'area dei picchi. Campioni di controllo della qualità, preparati unendo aliquote uguali di tutti gli estratti sierici, sono stati inseriti lungo tutta la sequenza analitica per monitorare la stabilità dello strumento. Le caratteristiche con un'elevata percentuale di dati mancanti o con riproducibilità instabile nei controlli di qualità sono state eliminate prima della modellizzazione statistica. L'identificazione dei metaboliti è stata effettuata confrontando la massa esatta, il tempo di ritenzione e i modelli di frammentazione MS/MS con quelli presenti nel Human Metabolome Database (HMDB), METLIN e librerie spettrali interne. Analisi statistiche multivariate sono state condotte utilizzando MetaboAnalyst 5.0. Le caratteristiche metaboliche conservate per la successiva segnalazione sono state selezionate in base a un criterio combinato che includeva il contributo discriminatorio multivariato, la direzione del fold-change e l'evidenza statistica; i valori P sono stati corretti mediante il metodo di Benjamini-Hochberg per tenere conto dei test multipli. La tabella completa annotata di segnalazione, contenente 52 caratteristiche metaboliche, è fornita come Tabella Supplementare 1. L'analisi dell'arricchimento di pathway è stata effettuata utilizzando il database Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG).
Analisi statistica
Tutte le analisi statistiche sono state eseguite utilizzando SPSS versione 26.0 (IBM Corporation, Armonk, NY, USA) e il software R (versione 4.2.1). I dati continui sono stati espressi come media ± deviazione standard (SD) e sono stati valutati per la normalità mediante il test di Shapiro-Wilk prima dei test inferenziali. Per i dati distribuiti normalmente, è stata utilizzata l'analisi della varianza a un fattore (ANOVA) seguita dal test post hoc di Tukey per i confronti tra più gruppi; per i dati non distribuiti normalmente, è stato utilizzato il test di Kruskal-Wallis con test post hoc di Dunn. Le correlazioni tra i taxa microbici intestinali e i metaboliti sierici sono state valutate mediante il coefficiente di correlazione dei ranghi di Spearman e visualizzate come heatmap gerarchicamente raggruppate. I valori P delle correlazioni sono stati corretti per i test multipli utilizzando il metodo del tasso di scoperte false di Benjamini-Hochberg, e sono state interpretate solo le correlazioni concordi nel verso e statisticamente significative. Un valore P a due code < 0,05 è stato considerato statisticamente significativo, salvo indicazione di una soglia di valore P aggiustata.