Het huidige protocol beschrijft de methode voor het analyseren van de darmflora met behulp van Illumina-gebaseerde 16S rRNA-gensequencing en biedt een raamwerk voor het evalueren van de effectiviteit van kruidenafkooksels.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Het huidige protocol beschrijft de methode voor het analyseren van de darmflora met behulp van Illumina-gebaseerde 16S rRNA-gensequencing en biedt een raamwerk voor het evalueren van de effectiviteit van kruidenafkooksels.
Om de effecten van Desmodium caudatum op gastritis en darmflora bij ratten voorlopig te onderzoeken, werd een chronisch gastritis-rattenmodel opgesteld met behulp van de klassieke natriumsalicylaatmethode. Achttien SPF-ratten werden verdeeld in drie groepen: de controlegroep (groep C), de modelgroep (groep M) en de behandelingsgroep (groep T). Pathologische secties van de maagwand werden genomen van ratten in elke groep. Bovendien werden de concentraties van gastrine en malondialdehyde in het serum van ratten in elke groep bepaald door ELISA. Bovendien werden de effecten van D. caudatum op de darmflora van ratten met gastritis onderzocht door middel van een gedetailleerde vergelijking van darmbacteriële gemeenschappen in de drie groepen, met behulp van op Illumina gebaseerde 16S rRNA-gensequencing. De resultaten gaven aan dat afkooksel van D. caudatum het malondialdehydegehalte kon verlagen en het gastrinegehalte kon verhogen. Bovendien bleek het afkooksel van D. caudatum de diversiteit en overvloed van de darmflora te vergroten, wat een positief effect heeft op de behandeling van gastritis door de darmflora te reguleren en te herstellen.
Chronische gastritis (CG), een van de meest voorkomende klinische ziekten, wordt gekenmerkt door chronische en aanhoudende ontstekingsveranderingen in het epitheel van het maagslijmvlies, dat vaak en herhaaldelijk wordt aangevallen door verschillende pathogene factoren. De incidentie van CG staat op de eerste plaats van alle soorten maagaandoeningen, goed voor 40% tot 60% van de poliklinische dienstverlening op de afdeling Gastro-enterologie2. Bovendien neemt de incidentie over het algemeen toe met de leeftijd, vooral bij personen van middelbare leeftijd en ouder3. Ongetwijfeld vermindert CG de kwaliteit van leven van mensen aanzienlijk, wat de kritieke noodzaak benadrukt om nieuwe therapeutische middelen te ontdekken.
Talrijke studies hebben gemeld dat het optreden en de ontwikkeling van CG verband houden met de afscheiding van gastro-intestinale hormonen, zoals gastrine (GAS)4,5. GAS, een veelgebruikt gastro-intestinaal peptidehormoon in het spijsverteringskanaal, stimuleert cellen om maagzuur af te scheiden door de afgifte van histamine uit eosinofielen te bevorderen. Bovendien verbetert het de voeding en bloedtoevoer van het maagslijmvlies, waardoor de proliferatie van maagslijmvlies en pariëtale cellen wordt bevorderd6. Daarom kan gastrine worden gebruikt als een indicator om het ontwikkelingsniveau van CG te evalueren. Bovendien kunnen lipideperoxidatieproducten die worden geactiveerd door reactieve oxiden ontstekingscellen activeren, wat leidt tot CG. Malondialdehyde (MDA), een marker voor lipideperoxidatie, is een veelgebruikte indicator om de mate van oxidatieve stress te meten. Het weerspiegelt tot op zekere hoogte het niveau van vrije radicalen in het maagslijmvlies. Het MDA-niveau kan wijzen op de aanval van onverzadigde vetzuren in het lokale maagslijmvlies veroorzaakt door vrije radicalen 7,8.
Intestinale micro-ecologie bestaat uit miljoenen micro-organismen die zich in de darm van de gastheer bevinden en een cruciale rol spelen bij het handhaven van de gezondheid van de gastheer en het reguleren van de immuniteit van de gastheer. Een gezonde darmflora, gekenmerkt door een hoge rijkdom, diversiteit en stabiele microbiota-functie, fungeert als een beschermende barrière tegen de invasie van pathogene micro-organismen door deel te nemen aan het metabolisme. Verstoringen in de darmflora maken mensen vatbaarder voor acute en chronische gastro-intestinale aandoeningen 9,10. In de afgelopen jaren is microbiota-therapie voor gastro-intestinale aandoeningen snel gevorderd en heeft deze een aanzienlijke werkzaamheid aangetoond11. Kortom, de overweging van de darmflora is cruciaal bij het begrijpen en aanpakken van gastro-intestinale aandoeningen.
Als onmisbaar onderdeel van de schatkamer van de traditionele Chinese geneeskunde zijn volksgeneeskrachtige materialen van grote betekenis voor de klinische praktijk en de modernisering van de nationale geneeskunde. De wortels en de hele delen van Desmodium caudatum (Thunb.) DC. wordt al langere tijd op grote schaal gebruikt voor het verlichten van maagklachten in het Beichuan Qiang-gebied van Mianyang City. Sommige artikelen geven de wetenschappelijke basis aan voor de behandeling van gastro-intestinale aandoeningen met D. caudatum, daarbij verwijzend naar de effecten ervan zoals hemostase, anti-oxidatie en gastro-intestinale bescherming 12,13,14. Door het gebrek aan diepgaand onderzoek is er echter geen klinisch farmacodynamisch mechanisme vastgesteld. Dit artikel heeft tot doel de effecten van D. caudatum te bestuderen bij de behandeling van gastritis op basis van gastro-intestinale hormonen en darmflora, en een basis te leggen voor de rationele klinische toepassing ervan.
De procedures voor de verzorging en het gebruik van dieren werden goedgekeurd door de ethische commissie van de Mianyang Normal University, en alle relevante institutionele en overheidsvoorschriften met betrekking tot het ethisch gebruik van dieren werden strikt gevolgd. Voor de huidige studie werden SPF-ratten (Kunming-soorten, zowel mannelijk als vrouwelijk, met een gewicht van 180-220 g) gebruikt. De dieren zijn afkomstig van een commerciële bron (zie Materiaaltabel). Alle dieren werden gehuisvest in een pathogeenvrije omgeving en kregen ad libitum toegang tot voedsel.
1. Bereiding van reagentia
2. Groepering en administratie
3. Pathologisch gedeelte van de maagwand
4. Bepaling van serum gastro-intestinale hormonen
5. Fecale totale DNA-extractie en PCR-amplificatie en -zuivering
6. Volgorde aanbrengen
OPMERKING: Stap 6 en stap 7 worden uitgevoerd volgens eerder gepubliceerde methoden20,21.
7. Verwerking van sequentiegegevens
8. Statistische analyse
De resultaten van de pathologische doorsnede van de maagwand zijn weergegeven in figuur 1. In vergelijking met groep C vertoonde groep M milde maagwandatrofie en milde ontsteking. In vergelijking met groep M vertoonde groep T echter geen duidelijke ontsteking, darmmetaplasie of atrofie. Dit suggereert dat afkooksel van D. caudatum gastritis effectief kan verbeteren.
De resultaten van de serumtest van gastro-intestinaal hormoon zijn weergegeven in figuur 2. Het gehalte aan malondialdehyde (MDA) was significant hoger in groep M dan in groep C. Na behandeling met afkooksel van D. caudatum was het aanzienlijk verminderd. Wat het gehalte aan gastrine (GAS) betreft, vertoonde groep M significant lagere niveaus dan groep C, maar groep T vertoonde een significante toename. Deze resultaten geven aan dat D. caudatum afkooksel kan het niveau van gastro-intestinale hormonen reguleren om gastritis te behandelen.
De alfa-diversiteitsanalyse, zoals weergegeven in tabel 1 en figuur 3, laat een significant verschil zien tussen de gemeenschappen van groep M en groep T. Het aantal bacteriën in groep C en groep T is hoger dan dat in groep M, wat suggereert dat het aantal en de soorten darmbacteriën bij ratten na behandeling geleidelijk naar een normaal niveau neigen.
Analyse van de soortensamenstelling
Volgens figuur 4A illustreert de gemeenschapsbarplot dat Lactobacillus en norank_f__Muribaculaceae het grootste deel uitmaken van groep C. Groep M bevat een hogere overvloed aan Clostridium_sensu_stricto_1 en wat Helicobacter. De samenstelling van de gemeenschap van Groep T lijkt meer op die van Groep C, met als belangrijke componenten Lactobacillus en Romboutsia. Bovendien onthult de heatmap van de Spearman-correlatie (Figuur 4B) in combinatie met het circosdiagram (Figuur 4C) significante verschillen in florasamenstelling tussen Groep C en Groep M, met duidelijke variaties in dominante flora. Na de behandeling heeft Groep T de neiging om terug te keren naar een normale flora-toestand. Verder toont figuur 5 extreme verschillen in gemeenschapssamenstelling tussen groep M en groep C, waarbij significante veranderingen optreden in de structuur en samenstelling van de darmflora bij ratten met gastritis. Na de behandeling zijn er overeenkomsten in florasamenstelling tussen groep C en groep T, evenals enkele overeenkomsten tussen groep T en groep M. Deze resultaten geven aan dat afkooksel van D. caudatum de darmflora van ratten met gastritis zou kunnen herstellen tot een normale of bijna normale toestand.
Analyse van soortverschillen
Uit de grafiek van de vergelijkingskolom voor meerdere soorten in figuur 6A kan worden opgemaakt dat Norank_f_Muribaculaceae overvloedig aanwezig is in groep C en aanzienlijk verschilt van groep M en groep T. Na de behandeling vertoont het aantal Norank_f_Muribaculaceae in groep T een stijgende trend. Bovendien vertoont Clostridium_sensu_stricto_1, overvloedig aanwezig in Groep M, veerkracht in ruwe omgevingen. Na de behandeling neemt het aantal aanzienlijk af, wat suggereert dat afkooksel van D. caudatum de overlevingsomgeving van de darmflora tot op zekere hoogte verbetert. Aan de andere kant geeft de LEfSe-analyse van de soortenhiërarchie op meerdere niveaus in figuur 6B 44 soorten aan met significante verschillen tussen groepen. Norank_f_muribaculaceae, Clostridium_sensu_stricto_1 en Romboutsia bleken overvloedig aanwezig te zijn in respectievelijk groep C, groep M en groep T.

Figuur 1: De resultaten van de pathologische doorsnede van de maagwand. (A) Pathologische doorsnede van de maag in groep C. (B) Pathologisch deel van de maag in groep M. (C) Pathologisch deel van de maag in groep T. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: De inhoud van serum gastro-intestinale hormonen. (A) Staafanalysediagram van MDA-bepalingsresultaten (malondialdehyde). (B) Staafanalysediagram van de resultaten van de GAS-bepaling. *P < 0,05, **P < 0,01. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Kolom gram van diversiteitsindex T. De rode balk staat voor groep C, blauw voor groep T, terwijl de groene balk staat voor groep M.*P < 0,05, **P < 0,01. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Analyse van de samenstelling van de Gemeenschap. (A) Analyse van het communautaire histogram. (B) Analyse van de heatmap van de Gemeenschap op het niveau van het geslacht. (C) Circosdiagram analyse van de relatie tussen monsters en soorten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5: PLS-DA analyse op het niveau van Genus. Rood staat voor Groep C, blauw staat voor Groep T en groen staat voor Groep M. Klik hier voor een grotere versie van deze figuur.

Figuur 6: Analyse van de verschillen tussen soorten. (A) Kruskal-Wallis H-teststaafdiagram. (B) Boomkaart van LefSe-soorten op meerdere niveaus. Rood staat voor Groep C, blauw staat voor Groep T en groen staat voor Groep M. Klik hier voor een grotere versie van deze figuur.
| Groep | Gemiddelde waarde | Standaarddeviatie |
| C | 3.5201 | 0.63641 |
| M | 3.2755 | 0.28494 |
| T | 3.5388 | 0.29945 |
Tabel 1: Resultaten van de alfa-diversiteitsindex.
D. caudatum, een veelgebruikt volksgeneesmiddel van de Qiang-nationaliteit12, heeft een aanzienlijke werkzaamheid aangetoond bij de behandeling van gastro-intestinale aandoeningen. Met de vooruitgang van modern farmacologisch onderzoek wordt de onbalans van de flora als gevolg van een onbalans in de gastro-intestinale micro-ecologie geïdentificeerd als een sleutelfactor bij acute en chronische gastro-intestinale aandoeningen22,23. Bepaalde micro-organismen in het darmkanaal spelen een cruciale rol bij het handhaven van het dynamische evenwicht in het lichaam, en hormonen in het serum weerspiegelen de fysiologische en pathologische toestand van het lichaam. Daarom richt het onderzoek zich op darmflora en gastro-intestinale hormonen.
16S rRNA high-throughput gensequencing is een primaire methode voor het detecteren van darmmicro-organismen. Het maakt de detectie van soorten micro-organismen en functies in verzamelde monsters mogelijk, waardoor nauwkeurige en kwantitatieve analyse van elke soort darmmicro-organismen mogelijk wordt. In de afgelopen jaren heeft 16S rRNA high-throughput gensequencing zich snel ontwikkeld en wordt het op grote schaal gebruikt voor microbiële diversiteitsanalyse in verschillende ecologische omgevingen 24,25,26.
De effecten van D. caudatum op de darmflora van ratten met gastritis werden onderzocht door middel van een gedetailleerde vergelijking van darmbacteriële gemeenschappen in drie groepen op basis van Illumina-gebaseerde 16S rRNA-gensequencing. Modern wetenschappelijk onderzoek geeft aan dat Lactobacillus, norank_f__Muribaculaceae, Romboutsia en Bifidobacterium probiotica zijn, elk met specifieke gezondheidsvoordelen, zoals het verminderen van het risico op meerdere kwaadaardige tumoren, het produceren van vitamine K met ontstekingsremmend potentieel, het bevorderen van het polysaccharidemetabolisme en het verbeteren van diarree en obstipatie 27,28,29. Clostridium_sensu_stricto_1, een pathogene bacterie bij darmbeschadiging, kan ontstekingen en bacteriëmie veroorzaken en is nauw verbonden met bloed- en gastro-intestinale tumoren30. Chronische gastritis en atrofische gastritis dragen aanzienlijk bij aan maagtumoren31.
Bèta-analyse wijst op significante veranderingen in de inhoud van Lactobacillus, norank_f__Muribaculaceae, Romboutsia, Bifidobacterium en Clostridium_sensu_stricto_1 na de behandeling. Het gehalte aan Lactobacillus, norank_f__Muribaculaceae en Romboutsia nam significant toe, terwijl Bifidobacterium en Clostridium_sensu_stricto_1 significant afnamen na behandeling met D. caudatum . Bovendien suggereert de gemeenschapsbarplot dat de gemeenschapssamenstelling van Groep T meer lijkt op die van Groep C. Deze resultaten geven aan dat D. caudatum de prevalentie van gastritis bij ratten zou kunnen verbeteren. De specifieke mechanismen achter de vermindering van het gehalte aan het probioticum Bifidobacterium door D. caudatum vereisen echter verder onderzoek.
De ELISA-kitmethode heeft een hoge gevoeligheid, sterke specificiteit, eenvoud in bediening en geschiktheid voor kleine steekproefgroottes32. In deze studie werd het gebruikt om de inhoud van malondialdehyde (MDA) en gastrine (GAS) in rattenserum te detecteren. MDA geeft de mate van lipideperoxidatie weer, wat indirect de mate van celbeschadiging aangeeft. Bij ratten met gastritis was het MDA-niveau significant hoger dan dat bij normale ratten, wat wijst op schade aan maagpariëtale cellen. Behandeling met D. caudatum verlaagde het MDA-niveau aanzienlijk, wat wijst op het potentieel ervan bij de behandeling van gastritis. Omgekeerd verhoogde D. caudatum het verlaagde GAS-niveau, wat bijdroeg aan het herstel of de behandeling van gastritis.
Er zijn echter beperkingen aan zowel 16S rRNA high-throughput gensequencing als de ELISA-kitmethode. Bij 16S rRNA high-throughput gensequencing kan een lage resolutie het een uitdaging maken om stammen of geslachten met zeer vergelijkbare sequenties te onderscheiden, wat leidt tot problemen bij classificatie op hogere taxonomische niveaus zoals geslacht, familie of stam33. Voor de ELISA-kitmethode zijn meestal voorbehandelingsstappen van monsters, zoals verdunning en wassen, vereist, wat mogelijke fouten en variabiliteit met zich meebrengt34.
Deze studie suggereert dat D. caudatum gastritis kan behandelen door gastro-intestinale hormonen en darmflora te reguleren, wat inzicht geeft in de brede klinische toepassingen ervan. Toekomstig onderzoek moet zich echter verdiepen in andere gastro-intestinale hormonen, de mechanismen voor het reguleren van de darmflora en de effectieve chemicaliën die erbij betrokken zijn.
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dit werk werd gefinancierd door de belangrijkste R&D-projecten van de afdeling Wetenschap en Technologie van de provincie Sichuan (2020YFS0539).
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Alpha diversiteitsanalyse | Mothur 1.30.2 | ||
| AxyPrep desoxyribonucleïnezuur (DNA) gelextractiekit | Axygen Biosciences | AP-GX-50 | |
| Beta diversiteitsanalyse | Qiime 1.9.1 | ||
| Cryogene koelkast | Forma-86C ULT-vriezer | ||
| Desmodium caudatum | Het traditionele Chinese geneeskundeziekenhuis van Beichuan Qiang Autonome Regio | ||
| E.Z.N.A. bodemkit | Omega Bio-tek | D5625-01 | |
| Illumina MiSeq-platform | Illumina Miseq PE300/NovaSeq PE250 | ||
| Multiskan Spectrum | spectraMax i3 | ||
| OTU-clustering | Uparse 7.0.1090 | ||
| OTU-statistieken | Usearch 7.0 | ||
| PCR-instrument | TransGen AP221-02 | ||
| PCR-instrument | ABI GeneAmp 9700 | ||
| QuantiFluor-ST dubbelstrengs DNA (dsDNA) systeem | Promega Corp. | ||
| Sequentieclassificatie-annotatie | RDP Classifier 2.11 | ||
| Natriumsalicylaat | Sichuan Xilong Chemical Co., Ltd | 54-21-7 | |
| SPF-ratten | Chengdu Dashuo Experimental Animal Co., Ltd | ||
| SPSS 18.0 | IBM |