میکروبیوم روده در موش ها در طی 24 ساعت با رژیم غذایی پرچرب تحت استرس قرار می گیرد

در مطالعه اخیر منتشر شده در مجله گزارش های سلولیمحققان در سینسیناتی، ایالات متحده، تأثیر تغییر رژیم غذایی به رژیم غذایی پرچرب (HFD) را بر روده ارزیابی کردند.

تغییر قابل توجهی در رژیم غذایی در طول زمان می تواند متابولیسم و ​​فیزیولوژی را تحت تاثیر قرار دهد. در ایالات متحده، عدم تعادل کالری ممکن است یکی از عوامل موثر در چاقی باشد. از سال 1999 تا 2018، تعداد افراد مبتلا به چاقی از 30.5 درصد به 42.4 درصد افزایش یافته است، در حالی که بیماری های متابولیک مانند دیس لیپیدمی و دیابت از 25.3 درصد به 34.2 درصد رسیده است. تغییرات طولانی مدت در رژیم غذایی باعث چاقی و بیماری های متابولیک می شود، اما مشخص نیست که تغییر رژیم چقدر سریع می تواند باعث تغییرات در بدن شود.

مطالعه: تغییر رژیم غذایی به رژیم غذایی پرچرب باعث سازگاری سریع روده می شود. اعتبار تصویر: Alexei Logvinovich / Shutterstock

در مورد مطالعه

در مطالعه حاضر، محققان پاسخ سلول های اپیتلیال روده به HFD را با استفاده از اندازه گیری های فیزیولوژیکی و رونویسی تک سلولی ارزیابی کردند.

این تیم از کالری‌سنجی غیرمستقیم برای بررسی موش‌های نوع وحشی بالغ که با غذای معمولی تغذیه شده‌اند یا به مدت هفت روز به HFD تغییر داده‌اند و ارزیابی تأثیر استفاده کردند. ابتدا مقدار اکسیژن مصرفی (V_O2) همراه با انقضای دی اکسید کربن (V_CO2) برای محاسبه نسبت تبادل تنفسی (RER) تخمین زده شد که منبع سوخت اولیه ای را که بدن متابولیزه می کند نشان داد. همچنین، این تیم کل انرژی مورد نیاز برای هموستاز را اندازه‌گیری کردند که مصرف انرژی (EE) نامیده می‌شود.

این تیم همچنین ارزیابی کردند که آیا یک پاسخ تطبیقی ​​در روده پروگزیمال نسبت به HFD حاد باعث ایجاد این تغییرات متابولیک در کل بدن می شود یا خیر. تکثیر روده همراه با عمق کریپت ها و ارتفاع پرز پس از یک، سه یا هفت روز در HFD مورد بررسی قرار گرفت. تعیین توالی اسید ریبونوکلئیک تک سلولی (scRNA-seq) نیز بر روی سلول های اپیتلیال دوازدهه و ژژنوم موش های بالغ در تمام نقاط زمانی انجام شد. پس از بررسی کیفیت سلول‌ها و فیلتر کردن آن‌ها، این تیم مجموعه داده‌های سلول‌های به‌دست‌آمده از موش‌هایی را که غذای معمولی مصرف می‌کردند و موش‌هایی که به مدت یک، سه یا هفت روز با HFD تغذیه شده بودند، ترکیب کردند. سلول های غذای معمولی به عنوان مجموعه داده مرجع استفاده شد.

این تیم بیشتر نحوه واکنش هر خوشه سلولی به HFD را با استفاده از تجزیه و تحلیل بیان ژن دیفرانسیل تجزیه و تحلیل کردند. امضای رونویسی مرتبط با متابولیسم گلوتامات/گلوتامین نیز با استفاده از ژن‌های پایگاه داده امضاهای مولکولی (MSigDB) ارزیابی شد.

نتایج

در روز اول تغذیه HFD، سطوح RER از حدود 0.9 به 0.8 کاهش یافت و این تفاوت ها در طول زمان حفظ شد. در روز اول، EE از حدود 0.2 به 0.5 کیلو کالری در دقیقه به تقریبا 0.4 تا 0.6 کیلو کالری در دقیقه افزایش یافت. در طول هفت روز، تفاوت معنی داری در میزان آب مصرفی یا حرکات سرپایی وجود نداشت. موش‌هایی که با HFD تغذیه می‌شدند وزن اضافه کردند در حالی که از روز اول انرژی بیشتری دریافت کردند. پس از یک روز مصرف HFD، این نتایج نشان داد که متابولیسم موش ها در کل بدن تغییر کرده است و ممکن است تغییراتی در روده آنها نیز وجود داشته باشد.

افزایش در EdU (5-اتینیل-2′-deoxyuridine) اختلاط پس از یک روز مصرف HFD وجود دارد. با این حال، عمق دخمه های روده یا ارتفاع پرز تغییری نکرد. این تیم همچنین هرگونه تغییر در مرگ سلول‌های روده را با استفاده از رنگ‌آمیزی کاسپاز 3 شکافته شده همراه با رنگ‌آمیزی پایانه دئوکسی نوکلئوتیدیل ترانسفراز دئوکسی‌اوریدین تری فسفات (TUNEL) ارزیابی کردند و هیچ تفاوتی در هیچ یک از زمان‌های ارزیابی‌شده پیدا نکردند. این نتایج نشان داد که HFD باعث پاسخ تکثیر در یک روز می شود، اما این امر در طول یک هفته اندازه سطح روده را تغییر نمی دهد. علاوه بر این، تمام انواع سلول های مورد انتظار، مانند EEC، انتروسیت ها، اجداد انتروسیت (EPs)، جام، سلول های Paneth، اجداد ترشحی (SPs)، تافت، و سلول های ناحیه تقویت کننده بنیادی / انتقال اولیه (TA)، شناسایی شدند.

تجزیه و تحلیل تغییرات رونویسی ناشی از HFD با اصطلاحات هستی شناسی ژن فرآیند بیولوژیکی (GO-Terms) انجام شد، که نشان داد ژن های مسیرهای متابولیک اسیدهای چرب تنها پس از یک روز از HFD سطوح بیان بالاتری در چندین نوع سلول داشتند. این نشان می‌دهد که اپیتلیوم روده از متابولیسم گلوتامین/گلوتامات که معمولاً استفاده می‌شود، دور می‌شود. همچنین یک کاهش فوری پس از یک روز HFD مشاهده شد. تجزیه و تحلیل غنی‌سازی مجموعه ژن (GSEA) نشان داد که اکثر سلول‌های اپیتلیال دارای ژن‌های تنظیم‌شده‌ای هستند که متابولیسم اسیدهای چرب را تسهیل می‌کنند، همانطور که با نمرات غنی‌سازی نرمال (NESs) مشهود است. به طور خاص، NES های مرتبط با متابولیسم اسیدهای چرب در یک و سه روز HFD افزایش یافت. این نشان می دهد که متابولیسم بدن به سرعت به افزایش چربی مجرا واکنش نشان می دهد. تا هفت روز، NESs متابولیسم اسیدهای چرب کاهش یافته بود تا نشان دهد که انتروسیت ها با تغییر HFD سازگار شده بودند.

پس از یک روز در HFD، ژن‌های مرتبط با استرس برای همه جمعیت‌های سلول‌های اپیتلیال تنظیم مثبتی داشتند. بر اساس داده‌های scRNA-seq، TA بنیادی/اولیه، همراه با سلول‌های Paneth، تمایل به نشان دادن تغییرات چشمگیر در بیان ژن در پاسخ به استرس سلولی داشتند. زیرمجموعه ساقه/اوایل-TA ژن‌های پروتئین شوک حرارتی را تنظیم می‌کند و GSEA ژن‌های پاسخ پروتئین بازشده (UPR) را تنظیم مثبت می‌کند. این نشان داد که سلول‌های بنیادی/TA اولیه بلافاصله با پاسخ استرس به HFD واکنش نشان می‌دهند.

این مطالعه با ارزیابی متابولیسم کل بدن، عملکرد بافت، مورفولوژی و ترانس کریپتومیکس تک سلولی، یک رویکرد چند جانبه را برای ارزیابی واکنش حیوانات به تغییرات رژیم غذایی نشان داد. آنالیزهای عملکردی و رونویسی نشان داد که همه انواع سلول‌های اپیتلیال روده در عرض 24 ساعت تغییر می‌کنند. علاوه بر این، ظرف یک هفته، اپیتلیوم روده برای به حداکثر رساندن جذب چربی اصلاح شد. پلاستیسیته دیواره روده ممکن است در زمان کمبود مواد مغذی تکامل یافته باشد، اما اکنون می‌تواند با چاقی، بیماری متابولیک و التهاب در زمان‌های بیش از حد مواد مغذی مرتبط باشد.