鼠隐孢子虫感染后小鼠肠道菌群变化及代谢组学研究

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鼠隐孢子虫是第一个被发现的隐孢子虫物种,是1907年由Tyzzer在实验室小鼠的胃腺中发现的一种寄生虫,一直以来人们对其不甚了解。分子技术的出现后,在人类中鉴定出几个隐孢子虫物种,其中就包括鼠隐孢子虫。鼠隐孢子虫生活史和其他隐孢子虫种相似,但鼠隐孢子虫的感染部位是胃腺细胞而不是肠黏膜上皮细胞。隐孢子虫基因组分析发现有细菌基因迁移到虫体基因组中,细菌和隐孢子虫的共生,会造成肠道菌群发生变化和机体代谢物的变化,研究其感染肠道菌群和感染代谢组为发现特异的诊断标识和虫体代谢通路的变化提供研究基础。因此,研究鼠隐孢子虫的致病机理和对机体的影响是很有必要的。本研究通过Illumina高通量测序方法检测鼠隐孢子虫感染前后及不同时期小鼠肠道菌群的变化情况,通过液相色谱-质谱联用(LC-MS)技术方法检测鼠隐孢子虫感染前后不同时期小鼠代谢物的变化情况。然后分析出鼠隐孢子虫感染小鼠后小鼠肠道菌群和代谢产物的变化情况,为进一步探究肠道菌群与鼠隐孢子虫感染调节机制研究奠定基础,同时也为其他原虫感染宿主肠道菌群和代谢组学的研究提供参考。首先对骆驼源隐孢子虫种类进行鉴定,鉴定为鼠隐孢子虫。使用骆驼源鼠隐孢子虫进行BALB/c小鼠感染,通过OPG计数、病理切片观察和组织样品的扫描电镜观察等方法研究感染鼠隐孢子虫后小鼠的生物学变化。观察从骆驼粪便中纯化的鼠隐孢子虫卵囊,发现卵囊是椭圆形的,内部含有残体和子孢子。卵囊长宽分别为7.49±0.13 × 5.65±0.10μm,卵囊指数为1.32。感染小鼠后潜伏期为7-8d,高峰期为15-16dpi,显露期19-21d。感染后OPG的整体趋势都是从第一次在粪便中发现卵囊后逐渐上升,达到高峰期后又逐渐下降,直至显露期结束。病理切片观察和扫描电子显微镜观察发现鼠隐孢子虫的寄生部位为胃腺部,同时能导致一系列的病理变化。本研究验证了鼠隐孢子虫感染小鼠的部位,并发现了使用不同数量鼠隐孢子虫卵囊感染BALB/c小鼠的排卵囊规律,研究了鼠隐孢子虫感染BALB/c小鼠的寄生虫学和组织病理学特征。我们使用鼠隐孢子虫感染BALB/C小鼠,对小鼠肠道菌群的变化进行分析,探究隐孢子虫感染对小鼠肠道菌群的影响。试验发现感染鼠隐孢子虫会影响小鼠肠道菌群物种组成。感染组小鼠脱硫弧菌科和毛螺菌科的相对丰度会显著升高,而螺杆菌科和S24-7科相对丰度显著降低;属水平上螺杆菌属的相对丰度显著降低。在高峰期时感染组的肠道菌群丰度显著升高;感染组前期的物种组成与对照组有明显差异,而到显露期后期物种组成与对照组趋于一致。脱硫弧菌科细菌产生的内毒素具有很强的炎症诱导能力,还原硫酸盐产生H2S,阻碍结肠细胞的丁酸盐氧化途径,引发慢性炎症和细胞凋亡。毛螺菌科细菌能参与丁酸盐的产生,丁酸盐可以作为肠黏膜促炎细胞因子表达的抑制剂,具有抗炎的潜在功能。拟杆菌门S24-7菌科在小鼠肠道菌群中广泛存在,当治疗诱导的小鼠结肠炎缓解后丰度会提高。螺杆菌科和螺杆菌属的细菌主要引起胃肠道疾病,一些胃内螺杆菌主要定植于胃小凹深部和胃黏膜,与鼠隐孢子虫的寄生部位重叠。鼠隐孢子虫感染会导致脱硫弧菌科细菌丰度上升,引起肠道炎症;导致毛螺菌科细菌丰度增加,参与抗炎,炎症缓解使S24-7科细菌丰度增加;寄生部位的重叠导致螺杆菌属细菌丰度下降。我们发现鼠隐孢子虫感染会改变小鼠的肠道菌群,但具体的调控机制和影响因素还有待进一步研究。我们对感染鼠隐孢子虫的小鼠粪便代谢物进行研究,探究鼠隐孢子虫感染对小鼠机体代谢物的影响。使用QC样品进行质量控制,基于基峰离子流图重叠分析显示样品检测过程状态良好,PCA分析发现QC样品重复性好,Ratio大于95%,说明数据质量合格。在pos和neg模式下分别鉴定出了7507和2262个化合物,能够识别的分别为3964和1176个,对这些化合物进行代谢物分类和功能注释,发现代谢物主要为具有生物作用的化合物、脂肪和植物化学化合物三类,新陈代谢、有机系统均是最主要的两大类代谢通路。主成分分析显示感染后每个时间点对照组和试验组的样品都比较分散,说明主成分有较大差异。对差异代谢物分析显示鼠隐孢子虫感染会引起机体内代谢产物的显著变化,但是随着时间的增长,代谢产物趋于正常水平,差异代谢物聚类分析证明了这个发现。通过差异代谢通路的富集分析我们找到了一些差异代谢通路,每个时间点的主要通过差异代谢通路都不一样。对比对照组和试验组,7dpi时主要差异代谢通路有代谢途径、类固醇激素生物合成、醛固酮的合成和分泌、嘧啶代谢、不饱和脂肪酸的生物合成等;14dpi时,主要差异代谢通路有代谢途径、胆汁分泌、初级胆汁酸的生物合成等。21dpi时,主要差异代谢通路有代谢途径、蛋白质消化吸收、色氨酸代谢等。28dpi时,主要差异代谢通路昼夜节律、多巴胺能神经突触、鞘脂类信号通路、细胞铁死亡、β-丙氨酸代谢、嘧啶代谢等。并且同样的随着时间增长,差异代谢通路的数量逐渐减少,说明鼠隐孢子虫感染会对代谢通路造成影响,但随着时间的推迟,这种影响逐渐减小。通过代谢组学的分析找到了感染鼠隐孢子虫前后小鼠机体内的差异代谢产物和差异代谢通路,并对其变化趋势进行了分析,这为更好的研究隐孢子虫感染对机体的影响提供了数据支持。
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