10分文章教你如何设计机制研究类文章-冷暴露+肠道菌群+高血压潜在机制研究 |微生物专题

文章题目：Cold exposure, gut microbiota, and hypertension: A mechanistic study

发表期刊：Science of the Total Environment

影响因子：10.753

发表时间：2022.4

研究内容：肠道微生物群及其代谢物与冷暴露高血压（CIH）之间的潜在联系

样本类型：粪便

实验方法：16S rRNA基因测序+短链脂肪酸检测

实验设计：见图1

图1 研究设计示意图

研究思路：

为探究肠道微生物群及其代谢物与冷性高血压（CIH）之间的潜在联系，作者首先通过冷暴露的方式构建高血压模型（见上图A），将56只雄性Sprague-Dawley(SD)大鼠随机分为常温组(NT，20±2℃，N=28)和冷暴露组(CE，4±1℃，N=28)，冷暴露持续时间为6周，期间对NT组和CE组进行持续的血压监测，从第4周开始，CE组的血压保持稳定且与NT组的血压具有显著性差异，说明冷暴露高血压模型构建成功。分别留存NT组和CE组的粪便两份，一份用于16S rRNA基因测序，另一份用于后续的粪菌交叉移植。

冷暴露6周后，选择NT组6只血压正常、稳定的大鼠和CE组6只血压较高的大鼠作为供体大鼠，用其粪便制备悬液离心收集上清（细菌溶液）用于粪菌移植。从NT和CE组种各挑选18只大鼠随机分为四个组：1）NN:NT组移植NT组粪便细菌；2）NC：NT组移植NC组粪便；3）CC:CE组移植CE组粪便；4)CN:CE组移植NT组粪便。粪便移植前3天，受体大鼠连续3天给予头孢曲松钠(400mg/Kg/天)，以促进肠道微生物群的重塑。经头孢曲松钠治疗后，受体大鼠给予1mL细菌溶液进行粪便细菌移植（2周内3次），期间对其血压进行测定并对其粪便进行16S rRNA基因测序。

主要结果：
1. CIH大鼠模型构建

   冷暴露前各组血压无显著性差异，CE组大鼠在持续冷暴露4-6周时血压稳定且与NT组大鼠血压具有显著性差异，说明CIH大鼠模型构建成功（见图2A-C）。

图2 低温暴露下大鼠血压和肠道微生物群的特征

2. 冷暴露对肠道菌群的影响

16SrRNA基因测序结果显示，CE组的F/B比值低于NT组，但是未达到显著性差异水平。CE组的alpha多样性和beta多样性与NT组均具有显著性差异。同时，在属水平共筛选出18个差异物种（见图2C-H）。

3. 血压与细菌种类的相关性研究

对筛选出来的18个属水平物种与血压进行斯皮尔曼相关性分析，其中有8个属与血压的相关性具有统计学意义。与 SBP（收缩压）、 MBP（平均血压）和 DBP（舒张压）呈正相关的物种有Rothia和 Senegalimassilia，负相关的有Lactobacillus、Lachnospiraceae UCG-008、Lachnospiraceae XPB1014 group、 Lachnospira、 Coprococcus 3和 Lachnospiraceae NK4B4，但是Lactobacillus与SBP的相关性无显著性差异（见图3）。

图3 属水平细菌与血压的斯皮尔曼相关性

4. 粪便细菌移植术后的血压的变化

三次粪菌移植后，CC组和CN组的SBP显著高于NN组，尽管NC组的SBP高于NN组而且CC组的SBP也高于CN组，但是两者之间的差异无统计学意义。此外，四组之间的MBP和DBP均无显著性差异（见图4A-C）。

图4 粪便细菌移植后大鼠血压和肠道微生物群的特征

5. 粪便细菌移植后ANG、NO、T-CHO和TG的变化

与NN组相比，CC组和CN组的 ANG II(血管紧张素II)浓度均高于NN组和NC组。而NO(一氧化氮)浓度其他三组均低于NN组，T-CHO(总胆固醇)和TG(甘油三酯)的浓度CN组也高于NN组和NC组，同时CC组也高于NC组（见图5A-D）。

图5 粪便细菌移植后ANGII、NO、T-CHO和TG的水平

6. 粪菌移植对肠道菌群的影响

粪菌移植后各组的优势门没有变化，但是厚壁菌门（Firmicutes）的丰度在四组间具显著性差异。同时，CC组的F/B的比值显著高于其他三个组。与NN组相比，NC组和CN组的Chao1丰富度和Shannon多样性指数均较低，Beta多样性指数表明，NN、NC、CC和CN组在属水平上的肠道微生物群落组成存在显著差异（见图4D-I）。此外，四组间属水平差异分析共筛选到38个差异物种。这38个差异属于血压的斯皮尔曼相关性分析结果显示，共有16个差异属于SBP具有显著性相关性。

7. 冷暴露对短链脂肪酸的影响

与NT组相比，CE组的乙酸和丁酸的水平降低，其中乙酸水平降低达到了显著性水平（见图6）。粪菌移植后，虽然NN、NC、CC和CN组SCFAs没有明显变化，但CC和CN组丁酸含量都低于NN和NC组，说明冷暴露可能与丁酸水平下降有关。

图6 冷暴露对大鼠短链脂肪酸水平的影响

编者小评：

这是一篇10分的研究工作，采用经典的肠道菌群与代谢组学联合应用的案例。先通过单组学探究单因素冷暴露分别对肠道菌群和短链脂肪酸水平的影响，再通过对粪菌移植后各组大鼠菌群、血压和短链脂肪酸水平的变化研究，得出CIH与肠道微生物群的改变和丁酸的还原有关。

参考文献：Wang B, Liu J, Lei R, Xue B, Li Y, Tian X, Zhang K, Luo B. Cold exposure, gut microbiota, and hypertension: A mechanistic study. Sci Total Environ. 2022 Apr 10;833:155199. doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.155199. Epub ahead of print. PMID: 35417730.
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