Настоящий протокол описывает метод анализа кишечной флоры с помощью секвенирования гена 16S рРНК на основе Illumina и обеспечивает основу для оценки эффективности травяных отваров.
Методическая статья
* These authors contributed equally
Настоящий протокол описывает метод анализа кишечной флоры с помощью секвенирования гена 16S рРНК на основе Illumina и обеспечивает основу для оценки эффективности травяных отваров.
С целью предварительного изучения влияния Desmodium caudatum на гастрит и кишечную флору у крыс была создана модель хронического гастрита крыс с использованием классического метода салицилата натрия. Восемнадцать крыс с SPF были разделены на три группы: контрольную группу (группа С), модельную группу (группа М) и группу лечения (группа Т). Патологические срезы стенки желудка были взяты у крыс в каждой группе. Кроме того, концентрации гастрина и малонового диальдегида в сыворотке крови крыс в каждой группе определяли методом ИФА. Кроме того, влияние D. caudatum на кишечную флору крыс с гастритом было изучено путем детального сравнения бактериальных сообществ кишечника в трех группах с использованием секвенирования гена 16S рРНК на основе Illumina. Результаты показали, что отвар D. caudatum может снизить содержание малонового диальдегида и увеличить содержание гастрина. Кроме того, было обнаружено, что отвар D. caudatum усиливает разнообразие и обилие кишечной флоры, оказывая положительное влияние на лечение гастрита, регулируя и восстанавливая кишечную флору.
Хронический гастрит (ХГ), одно из наиболее распространенных клинических заболеваний, характеризуется хроническими и стойкими воспалительными изменениями эпителия слизистой оболочки желудка, который часто и многократно атакуется различными патогеннымифакторами1. Уровень заболеваемости ХГ занимает первое место среди всех видов заболеваний желудка, составляя от 40% до 60% от общего объема амбулаторного обслуживания в отделении гастроэнтерологии2. Более того, уровень заболеваемости, как правило, увеличивается с возрастом, особенно у лиц среднегои старшего возраста. Несомненно, компьютерная графика значительно снижает качество жизни людей, подчеркивая острую необходимость открытия новых терапевтических агентов.
Многочисленные исследования показали, что возникновение и развитие ХГ связано с секрецией желудочно-кишечных гормонов, таких как гастрин (ГАС)4,5. GAS, распространенный пептидный гормон желудочно-кишечного тракта в пищеварительном тракте, стимулирует клетки к секреции желудочной кислоты, способствуя высвобождению гистамина из эозинофилов. Кроме того, он улучшает питание и кровоснабжение слизистой оболочки желудка, способствуя пролиферации слизистой оболочки желудка и париетальных клеток6. Таким образом, гастрин может быть использован в качестве индикатора для оценки уровня развития ХГ. Кроме того, продукты перекисного окисления липидов, вызванные реактивными оксидами, могут активировать воспалительные клетки, что приводит к ХГ. Малоновый диальдегид (МДА), маркер перекисного окисления липидов, является широко используемым индикатором для измерения степени окислительного стресса. Он в определенной степени отражает уровень свободных радикалов в слизистой оболочке желудка. Уровень MDA может свидетельствовать о атаке ненасыщенных жирных кислот в местной слизистой оболочке желудка, вызванной свободными радикалами 7,8.
Микроэкология кишечника состоит из миллионов микроорганизмов, живущих в кишечнике хозяина, играющих жизненно важную роль в поддержании здоровья хозяина и регулировании иммунитета хозяина. Здоровая кишечная флора, отличающаяся высоким богатством, разнообразием и стабильной функцией микробиоты, действует как защитный барьер от вторжения патогенных микроорганизмов, участвуя в обмене веществ. Нарушения кишечной флоры делают людей более восприимчивыми к острым и хроническим заболеваниям желудочно-кишечного тракта 9,10. В последние годы терапия микробиотой при заболеваниях желудочно-кишечного тракта быстро прогрессировала и продемонстрировала значительную эффективность11. Таким образом, учет кишечной флоры имеет решающее значение для понимания и лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта.
Являясь неотъемлемым компонентом сокровищницы традиционной китайской медицины, народные лекарственные материалы имеют большое значение для клинической практики и модернизации национальной медицины. Корни и целые части Desmodium caudatum (Thunb.) DC. широко используется для облегчения дискомфорта в желудке в районе Бэйчуань Цян города Мяньян в течение длительного периода времени. В некоторых статьях указывается научная основа лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта с помощью D. caudatum, приводятся его эффекты, такие как гемостаз, антиоксидантное действие и защита желудочно-кишечного тракта 12,13,14. Однако из-за отсутствия глубоких исследований механизм клинической фармакодинамики не установлен. Целью данной статьи является изучение эффектов D. caudatum в лечении гастрита на основе гормонов желудочно-кишечного тракта и кишечной флоры, обеспечение основы для его рационального клинического применения.
Процедуры по уходу за животными и их использованию были одобрены Комитетом по этике Мяньянского педагогического университета, и все соответствующие институциональные и правительственные правила, касающиеся этичного использования животных, строго соблюдались. Для настоящего исследования использовали крыс с SPF (куньминские виды, самцы и самки, массой 180-220 г). Животные были получены из коммерческого источника (см. Таблицу материалов). Все животные содержались в среде, свободной от патогенов, и обеспечивали свободный доступ к пище.
1. Приготовление реагентов
2. Группировка и администрирование
3. Патологический срез стенки желудка
4. Определение гормонов желудочно-кишечного тракта в сыворотке крови
5. Экстракция общей ДНК кала, амплификация и очистка ПЦР
6. Секвенирование
ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги 6 и 7 выполняются в соответствии с ранее опубликованными методами20,21.
7. Обработка данных секвенирования
8. Статистический анализ
Результаты патологического среза стенки желудка изображены на рисунке 1. По сравнению с группой С, в группе М наблюдалась легкая атрофия стенки желудка и легкое воспаление. Однако, по сравнению с группой М, группа Т не показала явного воспаления, кишечной метаплазии или атрофии. Это говорит о том, что отвар D. caudatum способен эффективно улучшить состояние гастрита.
Результаты анализа на гормоны желудочно-кишечного тракта в сыворотке крови представлены на рисунке 2. Содержание малонового диальдегида (МДА) было достоверно выше в группе М, чем в группе С. После лечения отваром D. caudatum она значительно уменьшилась. Что касается содержания гастрина (ГАС), то группа М показала значительно более низкие уровни, чем группа С, но группа Т продемонстрировала значительное увеличение. Эти результаты указывают на то, что отвар D. caudatum может регулировать уровень гормонов желудочно-кишечного тракта для лечения гастрита.
Анализ альфа-разнообразия, как показано в таблице 1 и на рисунке 3, выявил существенные различия между сообществами групп М и Т. Количество бактерий в группах С и Т выше, чем в группе М, что позволяет предположить, что количество и типы кишечных бактерий у крыс постепенно стремятся к нормальному уровню после лечения.
Анализ видового состава
Как показано на рисунке 4А, на гистограмме сообщества показано, что Lactobacillus и norank_f__Muribaculaceae составляют наибольшую долю в группе C. Группа M содержит более высокое содержание Clostridium_sensu_stricto_1 и некоторое количество Helicobacter. Состав сообщества группы Т более похож на состав группы С, с важными компонентами Lactobacillus и Romboutsia. Кроме того, корреляционная тепловая карта Спирмена (рис. 4B) в сочетании с циркос-диаграммой (рис. 4C) выявляет существенные различия в составе флоры между группами С и М, с отчетливыми вариациями доминирующей флоры. После лечения группа Т имеет тенденцию возвращаться к нормальному состоянию флоры. Кроме того, на рисунке 5 показаны значительные различия в составе сообществ между группами М и С, при этом у крыс с гастритом произошли значительные изменения в структуре и составе кишечной флоры. После лечения наблюдается сходство в составе флоры между группами С и Т, а также некоторое сходство между группами Т и М. Эти результаты свидетельствуют о том, что отвар D. caudatum может восстановить кишечную флору крыс с гастритом до нормального или близкого к норме состояния.
Анализ видовых различий
Из гистограммы сравнения нескольких видов на рисунке 6А видно, что Norank_f_Muribaculaceae обильно встречается в группе С и значительно отличается от группы М и группы Т. После лечения количество Norank_f_Muribaculaceae в группе Т имеет тенденцию к увеличению. Кроме того, Clostridium_sensu_stricto_1, в изобилии представленный в группе М, проявляет устойчивость в суровых условиях. После лечения их количество значительно уменьшается, что позволяет предположить, что отвар D. caudatum в некоторой степени улучшает среду выживания кишечной флоры. С другой стороны, анализ многоуровневого дерева иерархии видов LEfSe на рисунке 6B указывает на 44 вида со значительными различиями между группами. Было обнаружено, что Norank_f_muribaculaceae, Clostridium_sensu_stricto_1 и ромбуция многочисленны в группах С, М и Т соответственно.

Рисунок 1: Результаты патологического среза стенки желудка. (А) Патологический срез желудка в группе С. (Б) Патологический срез желудка в группе М. (В) Патологический срез желудка в группе Т. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Содержание гормонов желудочно-кишечного тракта в сыворотке крови. (A) Гистограмма результатов определения MDA (малонового диальдегида). (B) Гистограмма результатов определения GAS. *P < 0,05, **P < 0,01. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Столбец грамм индекса разнесения T. Красная полоса представляет группу C, синяя — группу T, а зеленая — группу M.*P < 0,05, **P < 0,01. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Анализ состава сообщества. (A) Анализ гистограммы сообщества. (B) Анализ тепловой карты сообщества на уровне Рода. (C) Анализ взаимоотношений между образцами и видами. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: PLS-DA анализ на уровне Genus. Красным цветом обозначена группа C, синим — группа T, а зеленым — группа M. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Анализ видовых различий. (A) График тестовой линейки Н-критерия Краскела-Уоллиса. (B) Древовидная карта многоуровневых видов LefSe. Красным цветом обозначена группа C, синим — группа T, а зеленым — группа M. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Группа | Среднее значение | Стандартное отклонение |
| C | 3.5201 | 0.63641 |
| M | 3.2755 | 0.28494 |
| T | 3.5388 | 0.29945 |
Таблица 1: Результаты индекса альфа-разнообразия.
D. caudatum, широко используемая народной медициной народности цян12, показала значительную эффективность в лечении желудочно-кишечных заболеваний. С развитием современных фармакологических исследований дисбаланс флоры, возникающий в результате дисбаланса микроэкологии желудочно-кишечного тракта, определен как ключевой фактор острых и хронических заболеваний желудочно-кишечного тракта22,23. Определенные микроорганизмы в кишечном тракте играют важнейшую роль в поддержании динамического баланса в организме, а гормоны в сыворотке крови отражают физиологическое и патологическое состояние организма. Поэтому основное внимание в исследовании уделяется кишечной флоре и гормонам желудочно-кишечного тракта.
Высокопроизводительное секвенирование генов 16S рРНК является основным методом обнаружения кишечных микроорганизмов. Он позволяет обнаруживать типы и функции микроорганизмов в собранных образцах, что позволяет проводить точный и количественный анализ каждого вида кишечных микроорганизмов. В последние годы высокопроизводительное секвенирование генов 16S рРНК быстро развивается и широко используется для анализа микробного разнообразия в различных экологических средах 24,25,26.
Влияние D. caudatum на кишечную флору крыс с гастритом было изучено путем детального сравнения бактериальных сообществ кишечника в трех группах на основе секвенирования гена 16S рРНК на основе Illumina. Современные научные исследования показывают, что Lactobacillus, norank_f__Muribaculaceae, Romboutsia и Bifidobacterium являются пробиотиками, каждый из которых обладает определенными преимуществами для здоровья, такими как снижение риска множественных злокачественных опухолей, выработка витамина К с противовоспалительным потенциалом, стимулирование метаболизма полисахаридов и улучшение диареи и запоров 27,28,29 . Clostridium_sensu_stricto_1, патогенная бактерия при повреждении кишечника, может вызывать воспаление и бактериемию и тесно связана с опухолями крови и желудочно-кишечного тракта30. Хронический гастрит и атрофический гастрит вносят значительный вклад в развитие опухолей желудка31.
Бета-анализ указывает на значительные изменения в содержании Lactobacillus, norank_f__Muribaculaceae, Romboutsia, Bifidobacterium и Clostridium_sensu_stricto_1 после лечения. Содержание Lactobacillus, norank_f__Muribaculaceae и Romboutsia значительно увеличилось, в то время как Bifidobacterium и Clostridium_sensu_stricto_1 значительно уменьшилось после лечения D. caudatum . Кроме того, диаграмма сообщества предполагает, что состав сообщества группы T больше похож на состав группы C. Эти результаты указывают на то, что D. caudatum может улучшить распространенность гастрита у крыс. Однако специфические механизмы, лежащие в основе снижения содержания пробиотика Bifidobacterium D. caudatum , требуют дальнейшего изучения.
Метод ИФА обладает высокой чувствительностью, высокой специфичностью, простотой в эксплуатации и пригодностью для малых размеров выборки32. В этом исследовании он был использован для обнаружения содержания малонового диальдегида (MDA) и гастрина (GAS) в сыворотке крови крыс. MDA отражает степень перекисного окисления липидов, косвенно указывая на степень повреждения клеток. У крыс с гастритом уровень MDA был значительно выше, чем у нормальных крыс, что свидетельствует о повреждении париетальных клеток желудка. Лечение D. caudatum значительно снижало уровень MDA, что указывает на его потенциал в лечении гастрита. И наоборот, D. caudatum повышал пониженный уровень GAS, способствуя восстановлению или лечению гастрита.
Тем не менее, существуют ограничения как для высокопроизводительного секвенирования генов 16S рРНК, так и для метода набора ИФА. При высокопроизводительном секвенировании генов 16S рРНК низкое разрешение может затруднить различение штаммов или родов с очень похожими последовательностями, что приводит к трудностям в классификации на более высоких таксономических уровнях, таких как род, семейство или тип33. Для метода набора ИФА обычно требуются этапы предварительной обработки проб, такие как разбавление и промывка, что приводит к потенциальным ошибкам и вариативности34.
Это исследование предполагает, что D. caudatum может лечить гастрит, регулируя гормоны желудочно-кишечного тракта и кишечную флору, что дает представление о его широком клиническом применении. Тем не менее, будущие исследования должны углубиться в изучение других гормонов желудочно-кишечного тракта, механизмов регуляции кишечной флоры и задействованных эффективных химических веществ.
Авторам нечего раскрывать.
Эта работа была профинансирована в рамках ключевых научно-исследовательских проектов Департамента науки и технологий провинции Сычуань (2020YFS0539).
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Анализ альфа-разнообразия | Mothur 1.30.2 | ||
| AxyPrep набор для экстракции геля дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) | Axygen Biosciences | AP-GX-50 | |
| Beta анализ разнообразия | Qiime 1.9.1 | ||
| Криогенный холодильник | Forma-86C ULT морозильник | ||
| Desmodium caudatum | Больница традиционной китайской медицины Бэйчуань Цянский автономный уезд | ||
| E.Z.N.A. Набор почв Omega | Bio-tek | D5625-01 | |
| Illumina MiSeq Платформа | Illumina Miseq PE300/NovaSeq PE250 | ||
| Multiskan Spectrum spectraMax | i3 | ||
| OTU clustering | Uparse 7.0.1090 | ||
| OTU statistics | Usearch 7.0 | ||
| PCR instrument | TransGen AP221-02 | ||
| PCR instrument | ABI GeneAmp 9700 | ||
| QuantiFluor-ST двухцепочечный Система ДНК (dsDNA) | Promega Corp. | ||
| Классификация последовательностей аннотация | RDP Классификатор 2.11 | ||
| Салицилат натрия | Sichuan Xilong Chemical Co., Ltd | 54-21-7 | |
| SPF крысы | Chengdu Dashuo Experimental Animal Co., Ltd | ||
| SPSS 18.0 | IBM |