DOI: https://doi.org/10.1186/s12866-024-03217-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38418961
تاريخ النشر: 2024-02-28
المؤلف: Yanfang Yang وآخرون
الموضوع الرئيسي: العدوى البكتيرية واللقاحات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في دور الحويصلات خارج الخلوية المشتقة من Lactobacillus (Lac-EVs) في معالجة الاضطراب العصبي المعرفي المحيط بالجراحة (PND)، وهو مضاعف شائع بعد الجراحة لدى المرضى المسنين. تفترض الدراسة أن الالتهاب هو عامل رئيسي في PND، مع التغيرات في الميكروبيوم المعوي التي تسهم في زيادة نفاذية الأمعاء والاستجابات الالتهابية اللاحقة التي تؤثر على الجهاز العصبي المركزي (CNS). باستخدام نموذج التهاب عصبي في المختبر، عالج الباحثون الفئران بـ Lac-EVs لتقييم تأثيرها على استقطاب الخلايا الدبقية (MG) والاستجابات الالتهابية.
تكشف النتائج أن Lac-EVs تقلل بشكل كبير من الالتهاب في الخلايا الدبقية الناتج عن الليبوبوليسكاريد (LPS)، كما يتضح من انخفاض التعبير عن mRNA لمؤشر الالتهاب iNOS وزيادة التعبير عن مؤشر مضاد الالتهاب Arg1. أظهر تحليل تدفق الخلايا أيضًا تحولًا ملحوظًا في نسبة الخلايا الدبقية M1/M2، مما يشير إلى أن Lac-EVs تعزز تمايز الخلايا الدبقية M2. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن Lac-EVs تقلل من إفراز السيتوكينات المؤيدة للالتهاب (IL-1β و IL-6) بينما تعزز إنتاج IL-10. تشير هذه النتائج إلى أن Lac-EVs تعمل كعوامل مضادة للالتهاب فعالة، مما قد يوفر استراتيجية علاجية لتخفيف PND المدفوع بالالتهاب من خلال استعادة التوازن بين الخلايا البالعة M1 و M2.
مقدمة
تناقش المقدمة الاضطرابات العصبية المعرفية المحيطة بالجراحة (PNDs) باعتبارها المضاعفة الأكثر شيوعًا لدى كبار السن بعد الجراحة والتخدير، مما يؤثر بشكل كبير على جودة الحياة ويشكل أعباء اقتصادية. تظل الآليات الأساسية لـ PNDs غير واضحة، لكن الالتهاب متورط، خاصة من خلال تنشيط الخلايا الدبقية (MG) في الجهاز العصبي المركزي (CNS). يمكن أن تستقطب MG إلى أنماط M1 (مؤيدة للالتهاب) و M2 (مضادة للالتهاب)، مما يؤثر على الالتهاب العصبي وصحة الخلايا العصبية. التوازن بين هذه الأنماط أمر حاسم لتخفيف الضرر الثانوي في الجهاز العصبي، حيث يمكن أن يؤدي تنشيط M1 إلى إصابة الخلايا العصبية بينما يعزز تنشيط M2 التعافي والتوازن.
علاوة على ذلك، يتم تسليط الضوء على محور الميكروبيوم-الأمعاء-الدماغ (MGBA) كمسار تواصل حاسم بين الميكروبيوم المعوي و CNS، مع احتمال أن تؤثر التغيرات في فلورا الأمعاء على وظيفة MG وتساهم في الالتهاب الجهازي. تُعرف البروبيوتيك، وخاصة Lactobacillus، بدورها في صحة الأمعاء وتنظيم المناعة، مع أدلة ناشئة تشير إلى أن الحويصلات خارج الخلوية (EVs) المشتقة من البروبيوتيك قد تسهل التواصل بين الميكروبيوم المعوي و CNS. تفترض الفرضية المقدمة أن الحويصلات خارج الخلوية المشتقة من Lactobacillus (Lac-EVs) يمكن أن تعدل نسبة الخلايا الدبقية M1/M2، وبالتالي تؤثر على الالتهاب العصبي واستعادة الوظيفة المعرفية بعد الجراحة. تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات Lac-EVs على تنشيط الخلايا الدبقية في نموذج التهاب عصبي في المختبر.
طرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتفصل في المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم تطبيقها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم إعداد التجربة، بما في ذلك مجموعات التحكم والعلاج، فضلاً عن المعايير لاختيار المشاركين أو إعداد العينات. تعتبر هذه الوثائق الشاملة للطرق ضرورية للتحقق من النتائج وتسمح بإعادة تنفيذ الدراسة بشكل مستقل من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. يسلط الضوء على النتائج المهمة التي تدعم الفرضيات المطروحة في بداية الدراسة. تشير البيانات إلى وجود علاقة واضحة بين المتغيرات قيد التحقيق، مع تأكيد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات.
علاوة على ذلك، يتم توضيح النتائج من خلال أشكال وجداول متنوعة، والتي توفر تمثيلًا بصريًا للاتجاهات والأنماط الملاحظة في البيانات. من الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين ملحوظ في النتائج المقاسة، مع قيم p تشير إلى دلالة إحصائية (مثل، $p < 0.05$). تساهم هذه النتائج في تقديم رؤى قيمة للجسم المعرفي القائم وتقترح تداعيات محتملة للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم اختيار Lactobacillus rhamnosus لخصائصه المضادة للالتهاب المعروفة، وتم عزل الحويصلات خارج الخلوية (Lac-EVs) بنجاح من ثقافته. تضمنت عملية العزل النمو اللاهوائي في مرق MRS، تليها الطرد المركزي والترشيح الفائق، مما أسفر عن Lac-EVs التي تم تمييزها من خلال تحليل تتبع الجسيمات النانوية (NTA) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM). أشار NTA إلى أن Lac-EVs تتراوح بشكل أساسي من 70 إلى 400 نانومتر في الحجم، مع حجم متوسط يبلغ حوالي 140.6 نانومتر، بينما كشف TEM عن شكلها الكروي على شكل كوب. تم استخدام Lac-EVs المعزولة في اختبارات لاحقة في المختبر لتقييم تأثيراتها على خلايا الدبقية (BV2) تحت ظروف التهابية ناتجة عن الليبوبوليسكاريد (LPS).
أظهرت النتائج أن Lac-EVs يمكن أن تُدخل في خلايا BV2، مما يؤدي إلى تعديل كبير في الاستجابات الالتهابية. على وجه التحديد، أدى العلاج بـ Lac-EVs بتركيز مثالي قدره 2.5 ميكروغرام/مل إلى انخفاض مستويات السيتوكينات المؤيدة للالتهاب (IL-1β و IL-6) وزيادة مستويات السيتوكين المضاد للالتهاب IL-10. بالإضافة إلى ذلك، حولت Lac-EVs استقطاب البلعميات من النمط المؤيد للالتهاب M1 نحو النمط المضاد للالتهاب M2، كما يتضح من التغيرات في التعبير عن mRNA لمؤشرات ذات صلة وتحليل تدفق الخلايا. تشير هذه النتائج إلى أن Lac-EVs المشتقة من Lactobacillus rhamnosus قد تكون استراتيجية علاجية واعدة لتخفيف الالتهاب وتعزيز تنظيم المناعة، مما يبرز إمكانيات الحويصلات خارج الخلوية المشتقة من البروبيوتيك في معالجة الحالات الالتهابية العصبية وتعزيز صحة الأمعاء والدماغ.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12866-024-03217-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38418961
Publication Date: 2024-02-28
Author(s): Yanfang Yang et al.
Primary Topic: Bacterial Infections and Vaccines
Overview
The research investigates the role of Lactobacillus-derived extracellular vesicles (Lac-EVs) in addressing perioperative neurocognitive dysfunction (PND), a prevalent postoperative complication in elderly patients. The study posits that inflammation is a key factor in PND, with alterations in intestinal microbiota contributing to increased intestinal permeability and subsequent inflammatory responses that affect the central nervous system (CNS). Using an in vitro neuroinflammation model, the researchers treated mice with Lac-EVs to assess their impact on microglial (MG) polarization and inflammatory responses.
The findings reveal that Lac-EVs significantly reduce inflammation in microglia induced by lipopolysaccharide (LPS), as evidenced by decreased mRNA expression of the proinflammatory marker iNOS and increased expression of the anti-inflammatory marker Arg1. Flow cytometry analysis further demonstrated a notable shift in the M1/M2 microglial ratio, indicating that Lac-EVs promote M2 microglial differentiation. Additionally, Lac-EVs were found to lower the secretion of proinflammatory cytokines (IL-1β and IL-6) while enhancing IL-10 production. These results suggest that Lac-EVs serve as effective anti-inflammatory agents, potentially offering a therapeutic strategy to mitigate inflammation-driven PND by restoring the balance between M1 and M2 macrophages.
Introduction
The introduction discusses perioperative neurocognitive disorders (PNDs) as the most prevalent complication in older adults following surgery and anesthesia, significantly affecting quality of life and imposing economic burdens. The underlying mechanisms of PNDs remain unclear, but inflammation is implicated, particularly through the activation of microglia (MG) in the central nervous system (CNS). MG can polarize into M1 (proinflammatory) and M2 (anti-inflammatory) phenotypes, influencing neuroinflammation and neuronal health. The balance between these phenotypes is crucial for mitigating secondary nervous system damage, as M1 activation can lead to neuronal injury while M2 activation promotes recovery and homeostasis.
Furthermore, the microbiota-gut-brain axis (MGBA) is highlighted as a critical communication pathway between gut microbiota and the CNS, with alterations in gut flora potentially affecting MG function and contributing to systemic inflammation. Probiotics, particularly Lactobacillus, are recognized for their role in gut health and immune regulation, with emerging evidence suggesting that extracellular vesicles (EVs) derived from probiotics may facilitate communication between gut microbiota and the CNS. The hypothesis presented posits that Lactobacillus-derived EVs (Lac-EVs) could modulate the M1/M2 microglial ratio, thereby influencing neuroinflammation and cognitive function recovery post-surgery. The study aims to investigate the effects of Lac-EVs on microglial activation in an in vitro model of neuroinflammation.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols for data collection, including any statistical analyses applied to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental setup, including control and treatment groups, as well as the criteria for participant selection or sample preparation. This thorough documentation of methods is crucial for validating the findings and allows for independent replication of the study by other researchers in the field.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. It highlights the significant outcomes that support the hypotheses posed at the outset of the study. The data indicates a clear correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships.
Additionally, the results are illustrated through various figures and tables, which provide a visual representation of the data trends and patterns observed. Notably, the findings demonstrate that the intervention applied in the study led to a marked improvement in the measured outcomes, with p-values indicating statistical significance (e.g., $p < 0.05$). These results contribute valuable insights to the existing body of knowledge and suggest potential implications for future research and practical applications.
Discussion
In this study, Lactobacillus rhamnosus was selected for its established anti-inflammatory properties, and extracellular vesicles (Lac-EVs) were successfully isolated from its culture. The isolation process involved anaerobic growth in MRS broth, followed by centrifugation and ultrafiltration, yielding Lac-EVs characterized by nanoparticle tracking analysis (NTA) and transmission electron microscopy (TEM). The NTA indicated that Lac-EVs predominantly ranged from 70 to 400 nm in size, with a mean size of approximately 140.6 nm, while TEM revealed their spherical cup-shaped morphology. The isolated Lac-EVs were utilized in subsequent in vitro assays to assess their effects on microglial cells (BV2) under inflammatory conditions induced by lipopolysaccharide (LPS).
The findings demonstrated that Lac-EVs could be internalized by BV2 cells, leading to significant modulation of inflammatory responses. Specifically, treatment with Lac-EVs at an optimal concentration of 2.5 µg/mL resulted in decreased levels of pro-inflammatory cytokines (IL-1β and IL-6) and increased levels of the anti-inflammatory cytokine IL-10. Additionally, Lac-EVs shifted the macrophage polarization from the pro-inflammatory M1 phenotype towards the anti-inflammatory M2 phenotype, as evidenced by changes in mRNA expression of relevant markers and flow cytometry analysis. These results suggest that Lac-EVs derived from Lactobacillus rhamnosus may serve as a promising therapeutic strategy for mitigating inflammation and promoting immune regulation, highlighting the potential of probiotic-derived extracellular vesicles in addressing neuroinflammatory conditions and enhancing gut-brain health.