본 프로토콜은 Illumina 기반 16S rRNA 유전자 염기서열 분석을 사용하여 장내 세균총을 분석하는 방법을 설명하고 허브 달인의 효과를 평가하기 위한 프레임워크를 제공합니다.
방법 논문
* These authors contributed equally
본 프로토콜은 Illumina 기반 16S rRNA 유전자 염기서열 분석을 사용하여 장내 세균총을 분석하는 방법을 설명하고 허브 달인의 효과를 평가하기 위한 프레임워크를 제공합니다.
쥐의 위염 및 장내 세균총에 대한 Desmodium caudatum 의 효과를 예비적으로 탐색하기 위해 고전적인 살리실산나트륨 방법을 사용하여 만성 위염 쥐 모델을 확립했습니다. 18마리의 SPF 쥐를 대조군(C군), 모델군(M군), 치료군(T군)의 세 그룹으로 나눴다. 위벽의 병리학적 절편은 각 그룹의 쥐로부터 채취하였다. 또한, 각 그룹의 쥐 혈청에서 가스트린과 말론디알데히드의 농도는 ELISA에 의해 측정되었습니다. 또한, 위염이 있는 쥐의 장내 세균총에 대한 D. caudatum 의 효과는 Illumina 기반 16S rRNA 유전자 시퀀싱을 사용하여 세 그룹의 장내 세균 군집의 상세한 비교를 통해 탐구되었습니다. 그 결과, D. caudatum 달인은 말론디알데히드 함량을 감소시키고 가스트린 함량을 증가시킬 수 있음을 나타냈다. 또한, D. caudatum 달인은 장내 세균총의 다양성과 풍부함을 향상시켜 장내 세균총을 조절하고 회복시킴으로써 위염 치료에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다.
가장 흔한 임상질환 중 하나인 만성 위염(CG)은 위 점막 상피의 만성적이고 지속적인 염증성 변화를 특징으로 하며, 이는 다양한 병원성 인자에 의해 빈번하고 반복적으로 공격받는다1. CG의 발생률은 소화기내과 외래 진료율의 40-60%를 차지하는 모든 유형의 위장질환 중 1위를 차지한다2. 더욱이 발병률은 일반적으로 나이가 들수록 증가하며, 특히 중년 이상의 경우더욱 그렇다 3. 의심할 여지 없이 CG는 사람들의 삶의 질을 크게 떨어뜨리고 새로운 치료제 발견의 필요성을 강조합니다.
수많은 연구에서 CG의 발생과 발달이 가스트린(GAS)4,5과 같은 위장 호르몬의 분비와 관련이 있다고 보고했습니다. 소화관에서 흔히 볼 수 있는 위장관 펩타이드 호르몬인 GAS는 호산구에서 히스타민의 방출을 촉진하여 세포가 위산을 분비하도록 자극합니다. 또한 위 점막의 영양과 혈액 공급을 개선하여 위 점막과 정수리 세포의 증식을 촉진한다6. 따라서 가스트린은 CG의 발달 수준을 평가하는 지표로 활용될 수 있습니다. 또한 반응성 산화물에 의해 유발되는 지질 과산화 산물은 염증 세포를 활성화하여 CG를 유발할 수 있습니다. 지질 과산화 마커인 말론디알데히드(MDA)는 산화 스트레스의 정도를 측정하는 데 일반적으로 사용되는 지표입니다. 그것은 위 점막의 자유 라디칼 수준을 어느 정도 반영합니다. MDA 수치는 자유 라디칼에 의해 유발된 국소 위 점막의 불포화 지방산의 공격을 나타낼 수 있다 7,8.
장내 미생태학은 숙주의 장에 서식하는 수백만 마리의 미생물로 구성되어 숙주의 건강을 유지하고 숙주의 면역을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 높은 풍부함, 다양성 및 안정적인 미생물군 기능을 특징으로 하는 건강한 장내 세균총은 신진대사에 참여하여 병원성 미생물의 침입에 대한 보호 장벽 역할을 합니다. 장내 세균총의 교란은 개인을 급성 및 만성 위장 질환에 더 취약하게 만든다 9,10. 최근 몇 년 동안 위장 질환에 대한 미생물군 치료가 빠르게 진행되어 상당한 효능을 입증했다11. 요약하자면, 장내 세균총에 대한 고려는 위장 질환을 이해하고 해결하는 데 매우 중요합니다.
중국 전통 의학의 보고에서 없어서는 안될 구성 요소로서 민간 의약 재료는 임상 실습과 국민 의학의 현대화에 큰 의미를 지닙니다. Desmodium caudatum (Thunb.) DC.는 장기간 Mianyang 시의 Beichuan Qiang 지역에 있는 위 불편 구호를 위해 널리 이용되었습니다. 일부 논문에서는 D. caudatum의 위장 질환 치료에 대한 과학적 근거를 제시하며, 지혈, 항산화 및 위장 보호 등의 효과를 언급하고 있다 12,13,14. 그러나 심도 있는 연구가 부족하여 임상 약력학 메커니즘이 확립되지 않았습니다. 이 논문은 위장 호르몬과 장내 세균총을 기반으로 위염 치료에 대한 D. caudatum의 효과를 연구하고 합리적인 임상 적용의 기초를 제공하는 것을 목표로 합니다.
동물의 보살핌과 이용에 관한 절차는 몐양사범대학 윤리위원회의 승인을 받았으며 동물의 윤리적 이용에 관한 모든 관련 제도 및 정부 규정을 엄격히 준수했다. 본 연구에서는 SPF 쥐(쿤밍 종, 수컷과 암컷 모두, 무게 180-220g)를 활용했습니다. 동물은 상업적 출처에서 얻었다( 자료표 참조). 모든 동물은 병원균이 없는 환경에서 사육되었으며 음식에 대한 자유로운 접근이 제공되었습니다.
1. 시약의 준비
2. 그룹화 및 관리
3. 위벽의 병리학적 단면
4. 혈청 위장 호르몬의 결정
5. 대변 총 DNA 추출 및 PCR 증폭 및 정제
6. 시퀀싱
알림: 6단계 및 7단계는 이전에 게시된 방법20,21에 따라 수행됩니다.
7. 염기서열분석 데이터 처리
8. 통계 분석
위벽의 병리학적 부분의 결과는 그림 1에 나와 있습니다. 그룹 C와 비교했을 때, 그룹 M은 경미한 위벽 위축과 경미한 염증을 보였다. 그러나 M군과 비교했을 때 T군은 뚜렷한 염증, 장 화생 또는 위축을 보이지 않았습니다. 이는 D. caudatum 달인이 위염을 효과적으로 개선할 수 있음을 시사합니다.
혈청 위장관 호르몬 분석 결과는 그림 2에 나와 있습니다. 말론디알데히드(MDA)의 함량은 그룹 C보다 그룹 M에서 유의하게 높았습니다. D. caudatum 달인 치료 후 현저히 감소되었습니다. 가스트린(GAS) 함량과 관련하여, M군은 C군보다 현저히 낮은 수치를 보였으나, T군은 유의한 증가세를 보였다. 이러한 결과는 D. caudatum 달인이 위염을 치료하기 위해 위장 호르몬 수치를 조절할 수 있음을 나타냅니다.
표 1과 그림 3에서 볼 수 있듯이 알파 다양성 분석은 그룹 M과 그룹 T의 커뮤니티 간에 상당한 차이가 있음을 보여줍니다. C군과 T군의 세균 수는 M군보다 많은데, 이는 쥐의 장내 세균의 수와 종류가 치료 후 점차 정상 수준으로 변하는 경향을 시사한다.
종 조성 분석
그림 4A에 따르면, 군집 막대 그래프는 락토바실러스와 norank_f__Muribaculaceae가 그룹 C에서 가장 큰 비율을 차지한다는 것을 보여줍니다. 그룹 M에는 더 많은 Clostridium_sensu_stricto_1와 일부 헬리코박터가 포함되어 있습니다. 그룹 T의 군집 구성은 그룹 C의 군집 구성과 더 유사하며, 중요한 구성 요소는 락토바실러스(Lactobacillus)와 롬부시아(Romboutsia)입니다. 또한 Spearman 상관 히트맵(그림 4B)과 서커스 다이어그램(그림 4C)을 결합하면 C군과 M군 간의 군집 구성에서 상당한 차이가 있으며 우성 세균총의 뚜렷한 차이가 있음을 알 수 있습니다. 치료 후 그룹 T는 정상적인 세균총 상태로 돌아가는 경향이 있습니다. 또한, 그림 5는 M군과 C군 간의 군집 구성의 극단적인 차이를 나타내며, 위염이 있는 쥐의 장내 세균총의 구조와 구성에 상당한 변화가 발생한다. 치료 후, 그룹 C와 그룹 T 사이에는 세균총 조성에 유사점이 있을 뿐만 아니라 그룹 T와 그룹 M 사이에는 몇 가지 유사점이 있습니다. 이러한 결과는 D. caudatum 달인이 위염이 있는 쥐의 장내 세균총을 정상 또는 정상에 가까운 상태로 회복시킬 수 있음을 나타냅니다.
종 차이 분석
그림 6A의 다중 종 비교 세로 막대형 차트에서 Norank_f_Muribaculaceae가 그룹 C에 풍부하고 그룹 M 및 그룹 T와 유의하게 다르다는 것을 관찰할 수 있습니다. 치료 후 그룹 T의 Norank_f_Muribaculaceae 수는 증가 추세를 보입니다. 또한 그룹 M에 풍부한 Clostridium_sensu_stricto_1은 혹독한 환경에서 회복력을 나타냅니다. 치료 후 그 수가 현저히 감소하여 D. caudatum 달인이 장내 세균총의 생존 환경을 어느 정도 개선한다는 것을 시사합니다. 반면에, 그림 6B의 LEfSe 다단계 종 계층 트리 분석은 그룹 간에 상당한 차이가 있는 44종을 나타냅니다. Norank_f_muribaculaceae, Clostridium_sensu_stricto_1, 롬부시아는 각각 C군, M군, T군에 풍부한 것으로 나타났다.

그림 1: 위벽의 병리학적 단면의 결과. (A) 그룹 C에 속하는 위의 병리학적 단면. (B) 그룹 M에 속하는 위의 병리학적 단면. (C) 그룹 T에 속하는 위의 병리학적 단면. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 혈청 위장 호르몬의 함량. (A) MDA(말론디알데히드) 측정 결과의 막대 분석 차트. (B) GAS 결정 결과의 막대 분석 차트. *P < 0.05, **P < 0.01. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 다양성 지수 T의 컬럼 그램. 빨간색 막대는 그룹 C, 파란색은 그룹 T, 녹색 그룹은 그룹 M.*P < 0.05, **P < 0.01을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 커뮤니티 구성 분석. (A) 커뮤니티 히스토그램 분석. (B) 속(Genus) 수준의 커뮤니티 히트맵 분석. (C) 샘플과 종 간의 관계에 대한 Circos 다이어그램 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 속 수준의 PLS-DA 분석. 빨간색은 그룹 C, 파란색은 그룹 T, 녹색은 그룹 M을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 종 차이 분석. (A) Kruskal-Wallis H 테스트 바 플롯. (B) LefSe 다단계 종의 트리 맵. 빨간색은 그룹 C, 파란색은 그룹 T, 녹색은 그룹 M을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 그룹 | 평균값 | 표준 편차 |
| C | 3.5201 | 0.63641 |
| M | 3.2755 | 0.28494 |
| T | 3.5388 | 0.29945 |
표 1: 알파 다양성 지수 결과.
장(趙)나라 민족이 흔히 사용하는 민간요법인 D. 카우다툼(D. caudatum)12은 위장병 치료에 상당한 효능을 보였다. 현대 약리학 연구의 발전으로 위장 미세생태학적 불균형으로 인한 세균총의 불균형은 급성 및 만성 위장 질환의 핵심 요인으로 확인되었습니다22,23. 장관의 특정 미생물은 신체의 동적 균형을 유지하는 데 중요한 역할을 하며, 혈청의 호르몬은 신체의 생리적, 병리학적 상태를 반영합니다. 따라서 이 연구는 장내 세균총과 위장 호르몬에 초점을 맞춘다.
16S rRNA 고처리량 유전자 염기서열 분석은 장내 미생물을 검출하는 주요 방법입니다. 수집된 샘플에서 미생물의 종류와 기능을 검출할 수 있어 각 종의 장내 미생물을 정확하고 정량적으로 분석할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 16S rRNA 고처리량 유전자 시퀀싱이 빠르게 개발되어 다양한 생태 환경에서 미생물 다양성 분석에 널리 사용되었습니다 24,25,26.
위염이 있는 쥐의 장내 세균총에 대한 D. caudatum의 영향은 Illumina 기반 16S rRNA 유전자 시퀀싱을 기반으로 한 세 그룹의 장내 세균 군집의 자세한 비교를 통해 조사되었습니다. 현대 과학 연구에 따르면 락토바실러스, norank_f__Muribaculaceae, 롬부시아, 비피도박테리움은 프로바이오틱스로, 각각 다발성 악성 종양의 위험 감소, 항염증 가능성이 있는 비타민 K 생성, 다당류 대사 촉진, 설사 및 변비 개선 등 특정 건강상의 이점이 있습니다 27,28,29. 장 손상의 병원성 박테리아인 Clostridium_sensu_stricto_1는 염증과 균혈증을 유발할 수 있으며 혈액 및 위장관 종양과 밀접한 관련이 있다30. 만성 위염과 위축성 위염은 위종양에 크게 기여한다31.
베타 분석은 치료 후 락토바실러스, norank_f__Muribaculaceae, 롬부시아, 비피도박테리움 및 Clostridium_sensu_stricto_1의 함량에 상당한 변화가 있음을 나타냅니다. 락토바실러스(Lactobacillus), norank_f__Muribaculaceae(), 롬부시아(Romboutsia)의 함량은 크게 증가한 반면, 비피도박테리움(Bifidobacterium)과 Clostridium_sensu_stricto_1( )은 D. 카우다툼(D. caudatum ) 처리 후 유의하게 감소했다. 또한 커뮤니티 막대 그림은 그룹 T의 커뮤니티 구성이 그룹 C의 커뮤니티 구성과 더 유사하다는 것을 시사합니다. 이러한 결과는 D. caudatum 이 쥐의 위염 유병률을 개선할 수 있음을 나타냅니다. 그러나 D. caudatum 에 의한 프로바이오틱스 비피도박테리움의 함량 감소에 대한 특정 메커니즘은 추가 연구가 필요합니다.
ELISA 키트 분석법은 높은 민감도, 강한 특이성, 작동의 단순성 및 작은 샘플 크기에 대한 적합성을 가지고 있습니다32. 이 연구에서는 쥐 혈청에서 말론디알데히드(MDA)와 가스트린(GAS)의 함량을 검출하는 데 활용되었습니다. MDA는 지질 과산화 정도를 반영하여 세포 손상 정도를 간접적으로 나타냅니다. 위염이 있는 쥐의 MDA 수치는 정상 쥐보다 현저히 높았으며, 이는 위 두정세포의 손상을 시사한다. D. caudatum 치료는 MDA 수치를 현저히 감소시켰으며, 이는 위염 치료에 대한 잠재력을 나타냅니다. 반대로, D. caudatum 은 감소된 GAS 수치를 증가시켜 위염의 회복 또는 치료에 기여했습니다.
그러나 16S rRNA 고처리량 유전자 염기서열 분석과 ELISA 키트 방법 모두 한계가 있습니다. 16S rRNA 고처리량 유전자 염기서열 분석에서 낮은 분리능은 매우 유사한 염기서열을 가진 균주 또는 속을 구별하기 어렵게 만들 수 있으며, 이는 속, 가족 또는 문33과 같은 더 높은 분류학적 수준에서 분류에 어려움을 초래할 수 있습니다. ELISA 키트 분석법의 경우, 희석 및 세척과 같은 시료 전처리 단계가 일반적으로 필요하며, 이로 인해 잠재적인 오류와 변동성이 발생한다34.
이 연구는 D. caudatum 이 위장 호르몬과 장내 세균총을 조절하여 위염을 치료할 수 있음을 시사하며, 광범위한 임상 적용에 대한 통찰력을 제공합니다. 그러나 향후 연구에서는 다른 위장 호르몬, 장내 세균총을 조절하는 메커니즘 및 관련된 효과적인 화학 물질에 대해 자세히 알아봐야 합니다.
저자는 공개할 것이 없습니다.
이 연구는 쓰촨성 과학기술부의 주요 R&D 프로젝트(2020YFS0539)에서 자금을 지원받았습니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 알파 다양성 분석 | Mothur 1.30.2 | ||
| AxyPrep 디옥시리보핵산 (DNA) 젤 추출 키트 | 액시젠 바이오사이언스 | AP-GX-50 | |
| 베타 다양성 분석 | Qiime 1.9.1 | ||
| 극저온 냉장고 | Forma-86C ULT 냉동고 | ||
| Desmodium caudatum | 베이촨 치앙 자치현 | ||
| E.Z.N.A. 토양 키트 | Omega Bio-tek | D5625-01 | |
| Illumina MiSeq 플랫폼 | Illumina Miseq PE300/NovaSeq PE250 | ||
| Multiskan Spectrum | spectraMax i3 | ||
| OTU 클러스터링 | Uparse 7.0.1090 | ||
| OTU 통계 | Usearch 7.0 | ||
| PCR 기기 | TransGen AP221-02 | ||
| PCR 기기 | ABI GeneAmp 9700 | ||
| QuantiFluor-ST 이중 가닥 DNA(dsDNA) 시스템 | 프로메가 주식회사 | ||
| 서열 분류 주석 | RDP 분류기 2.11 | ||
| 살리실산나트륨 | Sichuan Xilong Chemical Co., Ltd | 54-21-7 | |
| SPF 쥐 | Chengdu Dashuo Experimental Animal Co., Ltd | ||
| SPSS 18.0 | IBM |