Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com. Wersja przeglądarki, której używasz, ma ograniczoną obsługę CSS. Aby uzyskać najlepsze rezultaty, zalecamy korzystanie z nowszej wersji przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer). W międzyczasie, aby zapewnić ciągłą obsługę, wyświetlamy witrynę bez stylów i JavaScriptu.
Wczesna diagnoza drżenia samoistnego (ET) może być trudna, zwłaszcza w przypadku odróżnienia od osób zdrowych (HC) i chorych na chorobę Parkinsona (PD). Niedawno analiza próbek kału pod kątem mikrobioty jelitowej i jej metabolitów dostarczyła nowych metod odkrywania nowych biomarkerów chorób neurodegeneracyjnych. Stężenie krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA), jako głównego metabolitu flory jelitowej, jest obniżone w kale u osób z PD. Jednakże SCFA w kale nigdy nie były badane w ET. Naszym celem było zbadanie poziomu SCFA w kale u osób z ET, ocena ich związku z objawami klinicznymi i mikrobiotą jelitową oraz określenie ich potencjalnej wartości diagnostycznej. Stężenie SCFA w kale i mikrobioty jelitowej zmierzono u 37 osób z ET, 37 osób z PD i 35 osób z HC. Zaparcia, dysfunkcję autonomiczną i nasilenie drżenia oceniano za pomocą skal. Stężenia propionianu, maślanu i izomaślanu w kale były niższe u osób z ET niż u osób z HC. Połączenie kwasów propionowego, masłowego i izomasłowego odróżniało ET od HC z AUC wynoszącym 0,751 (95% CI: 0,634–0,867). Stężenia kwasu izowalerianowego i izomasłowego w kale były niższe w ET niż w PD. Kwas izowalerianowy i izomasłowy rozróżniają ET i PD z AUC wynoszącym 0,743 (95% CI: 0,629–0,857). Propionian w kale jest odwrotnie proporcjonalny do zaparć i dysfunkcji autonomicznej. Kwas izomasłowy i kwas izowalerianowy są odwrotnie proporcjonalne do nasilenia drżenia. Zmniejszenie zawartości SCFA w kale było związane ze zmniejszeniem liczebności Faecalibacterium i Streptobacterium w ET. Zatem zawartość SCFA w kale zmniejsza się w ET i jest związana z ciężkością obrazu klinicznego i zmianami w mikrobiomie jelitowym. Kwas propionowy, kwas masłowy, kwas izobutyrowy i kwas izowalerianowy w kale mogą być potencjalnymi biomarkerami diagnostycznymi i diagnostycznymi różnicowymi ET.
Drżenie samoistne (ET) to postępujące, przewlekłe schorzenie neurodegeneracyjne charakteryzujące się przede wszystkim drżeniem kończyn górnych, które może również dotyczyć innych części ciała, takich jak głowa, struny głosowe i kończyny dolne 1 . Objawy kliniczne ET obejmują nie tylko objawy motoryczne, ale także niektóre objawy niemotoryczne, w tym choroby przewodu pokarmowego 2 . Przeprowadzono liczne badania mające na celu zbadanie patologicznych i fizjologicznych cech drżenia samoistnego, ale nie zidentyfikowano jasnych mechanizmów patofizjologicznych 3,4. Najnowsze badania sugerują, że dysfunkcja osi mikrobiota-jelita-mózg może przyczyniać się do chorób neurodegeneracyjnych, a coraz więcej dowodów wskazuje na potencjalne dwukierunkowe powiązanie między mikrobiotą jelitową a chorobami neurodegeneracyjnymi 5,6. Co godne uwagi, w jednym raporcie przypadku przeszczep mikrobioty kałowej poprawił zarówno drżenie samoistne, jak i zespół jelita drażliwego u pacjenta, co może wskazywać na ścisły związek między mikrobiotą jelitową a drżeniem samoistnym. Ponadto zaobserwowaliśmy również specyficzne zmiany w mikrobiomie jelitowym u pacjentów z ET, co silnie potwierdza istotną rolę dysbiozy jelitowej w ET8.
Jeśli chodzi o dysbiozę jelitową w chorobach neurodegeneracyjnych, choroba Parkinsona jest najszerzej badana5. Niezrównoważona mikrobiota może zwiększyć przepuszczalność jelit i aktywować glej jelitowy, prowadząc do alfa-synukleinopatii9,10,11. PD i ET mają pewne wspólne cechy, takie jak podobna częstość drżenia u pacjentów z ET i PD, nakładanie się drżenia spoczynkowego (typowe drżenie w PD) i drżenia posturalnego (występującego głównie u pacjentów z ET), co utrudnia ich rozróżnienie. 12 Dlatego pilnie potrzebujemy otworzyć użyteczne okno do różnicowania ET i PD. W tym kontekście badanie specyficznej dysbiozy jelitowej i związanych z nią zmian metabolitów w ET oraz identyfikacja ich różnic w stosunku do PD może stać się potencjalnymi biomarkerami do diagnozy i diagnostyki różnicowej ET.
Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA) są głównymi metabolitami wytwarzanymi w wyniku fermentacji błonnika pokarmowego przez bakterie jelitowe i uważa się, że odgrywają kluczową rolę w interakcjach jelitowo-mózgowych13,14. SCFA są wychwytywane przez komórki okrężnicy i transportowane do wątroby przez układ żyły wrotnej, a niektóre SCFA przedostają się do krążenia ogólnego. SCFA wywierają miejscowy wpływ na utrzymanie integralności bariery jelitowej i wspieranie wrodzonej odporności w błonie śluzowej jelit15. Wywierają również długotrwały wpływ na barierę krew-mózg (BBB) ​​poprzez stymulację białek połączeń ścisłych i aktywację neuronów poprzez stymulację receptorów sprzężonych z białkiem G (GPCR) do przekraczania BBB16. Octan, propionian i maślan to najobficiej występujące SCFA w okrężnicy. Wcześniejsze badania wykazały obniżone poziomy kwasu octowego, propionowego i masłowego w kale u pacjentów z chorobą Parkinsona17. Jednakże poziomy SCFA w kale nigdy nie były badane u pacjentów z ET.
Celem naszego badania była zatem identyfikacja specyficznych zmian w SCFA w kale u pacjentów z ET oraz ich różnic w porównaniu z pacjentami z chorobą Parkinsona, ocena związku SCFA w kale z objawami klinicznymi SCFA i mikrobiotą jelitową, a także określenie potencjalnych możliwości diagnostycznych i różnicowych próbek kału. KZHK. Aby uwzględnić czynniki zakłócające związane z lekami przeciw chorobie Parkinsona, jako grupę kontrolną wybraliśmy pacjentów z nowo rozpoznaną chorobą Parkinsona.
Charakterystykę demograficzną i kliniczną 37 ET, 37 PD i 35 HC podsumowano w Tabeli 1. ET, PD i HC dopasowano pod względem wieku, płci i BMI. Trzy grupy miały również podobne proporcje palenia tytoniu, picia alkoholu oraz picia kawy i herbaty. Wynik Wexnera (P = 0,004) i wynik HAMD-17 (P = 0,001) w grupie PD były wyższe niż w grupie HC, a wynik HAMA (P = 0,011) i wynik HAMD-17 (P = 0,011) w grupie ET były wyższe niż w grupie HC. Przebieg choroby w grupie ET był istotnie dłuższy niż w grupie PD (P < 0,001).
Istotne różnice wystąpiły w poziomach kwasu propionowego (P = 0,023), kwasu octowego (P = 0,039), kwasu masłowego (P = 0,020), kwasu izowalerianowego (P = 0,045) i kwasu izomasłowego (P = 0,015) w kale. W dalszej analizie post hoc poziomy kwasu propionowego (P = 0,023), kwasu masłowego (P = 0,007) i kwasu izomasłowego (P = 0,040) w grupie ET były istotnie niższe niż w grupie HC. Pacjenci z ET mieli niższe poziomy izowalerianu (P = 0,014) i izomasłanu (P = 0,005) niż pacjenci z PD. Ponadto stężenia kwasu propionowego (P = 0,013), kwasu octowego (P = 0,016) i kwasu masłowego (P = 0,041) w kale były niższe u pacjentów z chorobą Parkinsona niż u pacjentów z chorobą CC (ryc. 1 i tabela uzupełniająca 1).
ag przedstawia porównanie grupowe kwasu propionowego, octowego, masłowego, izowalerianowego, walerianowego, kapronowego i izomasłowego. Stwierdzono istotne różnice w poziomach kwasu propionowego, octowego, masłowego, izowalerianowego i izomasłowego w kale między trzema grupami. ET drżenie samoistne, choroba Parkinsona, zdrowa grupa kontrolna HC, SCFA. Istotne różnice oznaczono *P < 0,05 i **P < 0,01.
Biorąc pod uwagę różnicę w przebiegu choroby między grupą ET a grupą PD, przebadaliśmy 33 pacjentów z wczesną PD i 16 pacjentów z ET (przebieg choroby ≤3 lata) w celu dalszego porównania (Tabela uzupełniająca 2). Wyniki wykazały, że zawartość kwasu propionowego w kale w ET była istotnie niższa niż w HA (P = 0,015). Różnica między ET a HC dla kwasu masłowego i izomasłowego nie była istotna, ale nadal obserwowano tendencję (P = 0,082). Stężenia izomaślanu w kale były istotnie niższe u pacjentów z ET w porównaniu z pacjentami z PD (P = 0,030). Różnica między ET a PD kwasu izowalerianowego nie była istotna, ale nadal obserwowano tendencję (P = 0,084). Stężenia kwasu propionowego (P = 0,023), kwasu octowego (P = 0,020) i kwasu masłowego (P = 0,044) były istotnie niższe u pacjentów z chorobą Parkinsona niż u pacjentów z chorobą przenoszoną drogą płciową. Wyniki te (Rysunek uzupełniający 1) są zasadniczo zgodne z wynikami głównymi. Różnica w wynikach między całą próbą a podgrupą pacjentów z wczesnego etapu leczenia może wynikać z mniejszej liczebności próby w podgrupie, co skutkuje niższą mocą statystyczną danych.
Następnie zbadaliśmy, czy poziomy SCFA w kale pozwalają odróżnić pacjentów z ET od pacjentów z CU lub PD. Zgodnie z analizą ROC, różnica w AUC poziomów propionianu wyniosła 0,668 (95% CI: 0,538–0,797), co umożliwiło odróżnienie pacjentów z ET od pacjentów z HC. Pacjentów z ET i GC można było odróżnić na podstawie poziomów maślanu z AUC wynoszącym 0,685 (95% CI: 0,556–0,814). Różnice w poziomach kwasu izomasłowego pozwalają odróżnić pacjentów z ET od pacjentów z HC z AUC wynoszącym 0,655 (95% CI: 0,525–0,786). Łącząc poziomy propionianu, maślanu i izomasłanu, uzyskano wyższą wartość AUC wynoszącą 0,751 (95% CI: 0,634–0,867) z czułością 74,3% i swoistością 72,9% (ryc. 2a). Aby odróżnić pacjentów z ET od pacjentów z chorobą Parkinsona, wartość AUC dla poziomu kwasu izowalerianowego wynosiła 0,700 (95% CI: 0,579–0,822), a dla poziomu kwasu izomasłowego 0,718 (95% CI: 0,599–0,836). Połączenie poziomów kwasu izowalerianowego i kwasu izomasłowego wykazało wyższą wartość AUC wynoszącą 0,743 (95% CI: 0,629–0,857), czułość 74,3% i swoistość 62,9% (ryc. 2b). Ponadto zbadaliśmy, czy poziomy SCFA w kale pacjentów z chorobą Parkinsona różnią się od wartości w grupie kontrolnej. Zgodnie z analizą ROC, AUC dla identyfikacji pacjentów z PD na podstawie różnic w poziomach kwasu propionowego wynosiło 0,687 (95% CI: 0,559–0,814), przy czułości 68,6% i swoistości 68,7%. Różnice w poziomach octanu mogą odróżnić pacjentów z PD od pacjentów z HC z AUC 0,674 (95% CI: 0,542–0,805). Pacjentów z PD można odróżnić od CU tylko na podstawie poziomów maślanu z AUC 0,651 (95% CI: 0,515–0,787). Łącząc poziomy propionianu, octanu i maślanu, uzyskano AUC 0,682 (95% CI: 0,553–0,811) (ryc. 2c).
Dyskryminacja Rosyjskiego Kościoła Prawosławnego wobec ET i HC; b dyskryminacja Rosyjskiego Kościoła Prawosławnego wobec ET i PD; c dyskryminacja Rosyjskiego Kościoła Prawosławnego wobec PD i HC. ET drżenie samoistne, choroba Parkinsona, zdrowa kontrola HC, SCFA.
U pacjentów z ET, poziomy kwasu izobutyrowego w kale były ujemnie skorelowane z wynikiem FTM (r = -0,349, P = 0,034), a poziomy kwasu izowalerianowego w kale były ujemnie skorelowane z wynikiem FTM (r = -0,421, P = 0,001) i wynikiem TETRAS. (r = -0,382, P = 0,020). U pacjentów z ET i PD, poziomy propionianu w kale były ujemnie skorelowane z wynikami SCOPA-AUT (r = −0,236, P = 0,043) (Ryc. 3 i Tabela uzupełniająca 3). Nie stwierdzono istotnej korelacji między przebiegiem choroby a SCFA ani w grupie ET (P ≥ 0,161), ani w grupie PD (P ≥ 0,246) (Tabela uzupełniająca 4). U pacjentów z chorobą Parkinsona stężenie kwasu kapronowego w kale korelowało dodatnio z wynikami w skali MDS-UPDRS (r = 0,335, p = 0,042). U wszystkich uczestników badania stężenie propionianu w kale (r = −0,230, p = 0,016) i octanu (r = −0,210, p = 0,029) korelowało ujemnie z wynikami w skali Wexnera (ryc. 3 i tabela uzupełniająca 3).
Stężenie kwasu izobutyrowego w kale korelowało ujemnie z wynikami FTM, stężenie kwasu izowalerianowego korelowało ujemnie z wynikami FTM i TETRAS, stężenie kwasu propionowego korelowało ujemnie z wynikami SCOPA-AUT, stężenie kwasu kapronowego korelowało dodatnio z wynikami MDS-UPDRS, a stężenie kwasu propionowego korelowało ujemnie z wynikami FTM i TETRAS. Stężenie TETRAS i kwasu octowego korelowało ujemnie z wynikiem Wexnera. Wersja Unified Parkinson's Disease Rating Scale, Mini-Mental State Examination MMSE, Hamilton Depression Rating Scale HAMD-17 (17 pozycji), Hamilton Anxiety Rating Scale HAMA, HY Hoehn i Yahr, SCFA, SCOPA – AUT Parkinson's Disease Autonomic Symptom Outcome Scale, FTM Fana-Tolosa-Marin Clinical Tremor Rating Scale, TETRAS Research Group (TRG) Essential Tremor Rating Scale. Istotne różnice oznaczono *p < 0,05 i **p < 0,01.
Zbadaliśmy dalej różnicujący charakter mikrobioty jelitowej, wykorzystując analizę LEfSE, i wybraliśmy poziom danych względnej liczebności rodzaju do dalszej analizy. Przeprowadzono porównania między ET i HC oraz między ET i PD. Następnie przeprowadzono analizę korelacji Spearmana dla względnej liczebności mikrobioty jelitowej i poziomów SCFA w kale w obu grupach kontrolnych.
W analizie ET i CA obecne były bakterie Faecalibacterium (skorelowane z kwasem masłowym, r = 0,408, P < 0,001), Lactobacillus (skorelowane z kwasem masłowym, r = 0,283, P = 0,016), Streptobacterium (skorelowane z kwasem propionowym, r = 0,327). P = 0,005; skorelowane z kwasem masłowym, r = 0,374, P = 0,001; koreluje z kwasem izomasłowym, r = 0,329, P = 0,005), Howardella (koreluje z kwasem propionowym, r = 0,242, P = 0,041), Raoultella (koreluje z propionianem, r = 0,249, P = 0,035) i Candidatus Arthromitus (koreluje z kwasem izomasłowym, r = 0,302, P = 0,010) stwierdzono zmniejszenie w ET i dodatnią korelację z poziomami SCFA w kale. Jednakże liczebność Stenotropomonas wzrosła w ET i była ujemnie skorelowana z poziomami izomasłowymi w kale (r = -0,250, P = 0,034). Po dostosowaniu FDR istotne statystycznie pozostały jedynie korelacje pomiędzy Faecalibacterium, Catenibacter i SCFA (P ≤ 0,045) (ryc. 4 i tabela uzupełniająca 5).
Analiza korelacji ET i HC. Po korekcie FDR stwierdzono, że liczebność Faecalibacterium (dodatnio związana z maślanem) i Streptobacterium (dodatnio związana z propionianem, maślanem i izomaślanem) była zmniejszona w ET i dodatnio związana z poziomami SCFA w kale. b Analiza korelacji ET i PD. Po korekcie FDR nie stwierdzono istotnych korelacji. ET drżenie samoistne, choroba Parkinsona, zdrowa grupa kontrolna HC, SCFA. Istotne różnice oznaczono *P < 0,05 i **P < 0,01.
Analizując ET w porównaniu z PD, stwierdzono, że Clostridium trichophyton wzrasta w przypadku ET i koreluje ze stężeniem kwasu izowalerianowego w kale (r = -0,238, P = 0,041) i kwasu izomasłowego (r = -0,257, P = 0,027). Po dostosowaniu FDR oba wskaźniki pozostały istotne statystycznie (P ≥ 0,295) (rycina 4 i tabela uzupełniająca 5).
Niniejsze badanie jest kompleksowym badaniem, które analizuje poziom SCFA w kale i koreluje go ze zmianami mikrobioty jelitowej i nasileniem objawów u pacjentów z ET w porównaniu z pacjentami z CU i PD. Stwierdziliśmy, że poziom SCFA w kale był obniżony u pacjentów z ET i był związany z nasileniem objawów klinicznych oraz specyficznymi zmianami w mikrobiocie jelitowej. Skumulowane poziomy krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA) w kale różnicują ET od GC i PD.
W porównaniu z pacjentami z rakiem jelita grubego, pacjenci z ET mają niższe stężenie kwasu propionowego, masłowego i izomasłowego w kale. Połączenie kwasów propionowego, masłowego i izomasłowego pozwala na różnicowanie ET i HC z AUC 0,751 (95% CI: 0,634–0,867), czułością 74,3% i swoistością 72,9%, co wskazuje na ich potencjalne zastosowanie jako biomarkerów diagnostycznych ET. Dalsza analiza wykazała, że ​​stężenie kwasu propionowego w kale było ujemnie skorelowane z punktacją Wexnera i SCOPA-AUT. Stężenie kwasu izomasłowego w kale było odwrotnie skorelowane z punktacją FTM. Z drugiej strony, obniżenie stężenia maślanu w ET wiązało się ze zmniejszeniem liczebności mikrobioty produkującej SCFA, Faecalibacterium i Categorybacter. Ponadto zmniejszenie liczebności bakterii Catenibacter w ET wiązało się również ze zmniejszeniem poziomu kwasu propionowego i izomasłowego w kale.
Większość SCFA produkowanych w okrężnicy jest wychwytywana przez kolonocyty głównie za pośrednictwem zależnych od H+ lub sodu transporterów monokarboksylanowych. Wchłonięte krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe są wykorzystywane jako źródło energii dla kolonocytów, podczas gdy te, które nie są metabolizowane w kolonocytach, są transportowane do krążenia wrotnego 18 . SCFA mogą wpływać na motorykę jelit, wzmacniać funkcję bariery jelitowej oraz wpływać na metabolizm i odporność gospodarza 19. Wcześniej stwierdzono, że stężenia maślanu, octanu i propionianu w kale były zmniejszone u pacjentów z chorobą Parkinsona w porównaniu z HCs 17 , co jest zgodne z naszymi wynikami. Nasze badanie wykazało zmniejszone stężenie SCFA u pacjentów z ET, ale niewiele wiadomo na temat roli SCFA w patologii ET. Maślan i propionian mogą wiązać się z receptorami GPCR i wpływać na sygnalizację zależną od GPCR, taką jak sygnalizacja MAPK i NF-κB20. Podstawową koncepcją osi jelitowo-mózgowej jest to, że SCFA wydzielane przez mikroby jelitowe mogą wpływać na sygnalizację gospodarza, a tym samym na funkcjonowanie jelit i mózgu. Ponieważ maślan i propionian mają silne działanie hamujące na aktywność deacetylazy histonowej (HDAC)21, a maślan może również działać jako ligand dla czynników transkrypcyjnych, mają one szeroki wpływ na metabolizm gospodarza, różnicowanie i proliferację, głównie ze względu na ich wpływ na regulację genów22. W oparciu o dowody dotyczące SCFA i chorób neurodegeneracyjnych, maślan jest uważany za kandydata na terapię ze względu na jego zdolność do korygowania upośledzonej aktywności HDAC, która może pośredniczyć w śmierci neuronów dopaminergicznych w chorobie Parkinsona23,24,25. Badania na zwierzętach wykazały również zdolność kwasu masłowego do zapobiegania degeneracji neuronów dopaminergicznych i poprawy zaburzeń ruchu w modelach choroby Parkinsona26,27. Stwierdzono, że kwas propionowy ogranicza reakcje zapalne i chroni integralność BBB28,29. Badania wykazały, że kwas propionowy promuje przeżycie neuronów dopaminergicznych w odpowiedzi na toksyczność rotenonu w modelach PD30 i że doustne podanie kwasu propionowego ratuje przed utratą neuronów dopaminergicznych i deficytami motorycznymi u myszy z PD31. Niewiele wiadomo na temat funkcji kwasu izomasłowego. Jednak ostatnie badanie wykazało, że kolonizacja myszy przez B. ovale zwiększyła zawartość jelitowych SCFA (w tym octanu, propionianu, izomaślanu i izowalerianianu) oraz stężenie GABA w jelitach, co podkreśla, że ​​ustalono związek między mikroflorą jelitową a jelitowymi SCFA. stężeniami neuroprzekaźników32. W przypadku ET, nieprawidłowe zmiany patologiczne w móżdżku obejmują zmiany w aksonach i dendrytach komórek Purkinjego, przemieszczenie i utratę komórek Purkinjego, zmiany w aksonach komórek koszyczkowych oraz nieprawidłowości w połączeniach włókien wstępujących do komórek Purkinjego. jąder komórkowych, co prowadzi do zmniejszenia GABA-ergicznego sygnału z móżdżku3,4,33. Nie jest jasne, czy SCFA są związane z neurodegeneracją komórek Purkinjego i zmniejszoną produkcją GABA w móżdżku. Nasze wyniki sugerują ścisły związek między SCFA a ET; jednak przekrojowy projekt badania nie pozwala na wyciągnięcie wniosków na temat związku przyczynowo-skutkowego między SCFA a procesem chorobowym ET. Konieczne są dalsze długoterminowe badania obserwacyjne, w tym seryjne pomiary SCFA w kale, a także badania na zwierzętach badające mechanizmy działania.
Uważa się, że SCFA stymulują kurczliwość mięśni gładkich jelita grubego34. Niedobór SCFA nasila objawy zaparć, a suplementacja SCFA może łagodzić objawy zaparć w wieku 25 lat35. Nasze wyniki wskazują również na istotny związek między zmniejszoną zawartością SCFA w kale a nasileniem zaparć i dysfunkcją autonomiczną u pacjentów z ET. W jednym z opisów przypadków stwierdzono, że przeszczep mikrobioty poprawił zarówno drżenie samoistne, jak i zespół jelita drażliwego u pacjenta nr 7, co dodatkowo sugeruje ścisły związek między mikrobiotą jelitową a ET. Dlatego uważamy, że SCFA/mikrobiota kałowa może wpływać na motorykę jelit gospodarza i funkcję autonomicznego układu nerwowego.
Badanie wykazało, że obniżone poziomy kałowych SCFA w ET były związane ze zmniejszoną liczebnością Faecalibacterium (związane z maślanem) i Streptobacterium (związane z propionianem, maślanem i izomasłowym). Po korekcie FDR ta zależność pozostaje istotna. Faecalibacterium i Streptobacterium to mikroorganizmy produkujące SCFA. Wiadomo, że Faecalibacterium jest mikroorganizmem produkującym maślan36, podczas gdy głównymi produktami fermentacji Catenibacter są octan, maślan i kwas mlekowy37. Faecalibacterium wykryto w 100% grup ET i HC; mediana względnej liczebności grupy ET wyniosła 2,06%, a grupy HC 3,28% (LDA 3,870). Bakterie tej kategorii wykryto w 21,6% (8/37) grup HC i tylko w 1 próbce grupy ET (1/35). Spadek i niewykrywalność paciorkowców w ET może również wskazywać na korelację z patogennością choroby. Mediana względnej liczebności gatunków Catenibacter w grupie HC wyniosła 0,07% (LDA 2,129). Ponadto bakterie kwasu mlekowego były związane ze zmianami maślanu w kale (P=0,016, P=0,096 po dostosowaniu FDR), a kandydat na zapalenie stawów był związany ze zmianami izomaślanu (P=0,016, P=0,072 po dostosowaniu FDR). Po korekcie FDR pozostaje jedynie trend korelacji, który nie jest statystycznie istotny. Wiadomo również, że Lactobacillusy są producentami SCFA (kwas octowy, kwas propionowy, kwas izomasłowy, kwas masłowy)38, a Candidatus Arthromitus jest specyficznym induktorem różnicowania komórek pomocniczych T 17 (Th17), przy czym Th1/2 i Treg są związane z równowagą immunologiczną /Th1739. Najnowsze badanie sugeruje, że podwyższone poziomy zapalenia rzekomego jelit mogą przyczyniać się do zapalenia okrężnicy, dysfunkcji bariery jelitowej i stanu zapalnego ogólnoustrojowego40. Ilość Clostridium trichophyton była zwiększona w ET w porównaniu z PD. Stwierdzono, że liczebność Clostridium trichoides jest negatywnie skorelowana z kwasem izowalerianowym i kwasem izomasłowym. Po dostosowaniu FDR oba pozostały istotne statystycznie (P ≥ 0,295). Clostridium pilosum to bakteria, o której wiadomo, że jest związana ze stanem zapalnym i może przyczyniać się do dysfunkcji bariery jelitowej41. Nasze poprzednie badanie opisało zmiany w mikrobiomie jelitowym pacjentów z ET8. Tutaj również przedstawiamy zmiany w SCFA w ET i identyfikujemy związek między dysbiozą jelitową a zmianami w SCFA. Obniżone poziomy SCFA są ściśle związane z dysbiozą jelitową i nasileniem drżenia w ET. Nasze wyniki sugerują, że oś jelitowo-mózgowa może odgrywać ważną rolę w patogenezie ET, ale potrzebne są dalsze badania na modelach zwierzęcych.
W porównaniu z pacjentami z chorobą Parkinsona, pacjenci z ET mają niższe poziomy kwasów izowalerianowego i izomasłowego w kale. Połączenie kwasu izowalerianowego i kwasu izomasłowego zidentyfikowało ET w chorobie Parkinsona z AUC 0,743 (95% CI: 0,629–0,857), czułością 74,3% i swoistością 62,9%, co sugeruje ich potencjalną rolę jako biomarkerów w diagnostyce różnicowej ET. Stężenia kwasu izowalerianowego w kale były odwrotnie skorelowane z wynikami FTM i TETRAS. Stężenia kwasu izomasłowego w kale były odwrotnie skorelowane z wynikami FTM. Spadek stężenia kwasu izomasłowego wiązał się ze zmniejszeniem liczebności katobakterii. Niewiele wiadomo na temat funkcji kwasu izowalerianowego i kwasu izomasłowego. Poprzednie badanie wykazało, że kolonizacja myszy bakterią Bacteroides ovale zwiększyła zawartość SCFA w jelitach (w tym octanu, propionianu, izomaślanu i izowalerianu) oraz stężenie GABA w jelitach, co podkreśla związek jelitowy między mikroflorą a stężeniem SCFA/neuroprzekaźników w jelitach32. Co ciekawe, obserwowane poziomy kwasu izobutyrowego były podobne w grupach PD i HC, ale różniły się w grupach ET i PD (lub HC). Kwas izobutyrowy pozwalał odróżnić ET od PD z AUC 0,718 (95% CI: 0,599–0,836) oraz zidentyfikować ET i NC z AUC 0,655 (95% CI: 0,525–0,786). Ponadto poziomy kwasu izobutyrowego korelują z nasileniem drżenia, co dodatkowo wzmacnia jego związek z ET. Pytanie, czy doustny kwas izobutyrowy może zmniejszyć nasilenie drżenia u pacjentów z drżeniem samoistnym, wymaga dalszych badań.
Zatem zawartość SCFA w kale jest obniżona u pacjentów z ET i jest związana z nasileniem klinicznym ET oraz specyficznymi zmianami w mikrobiocie jelitowej. Propionian, maślan i izomaślan w kale mogą być biomarkerami diagnostycznymi ET, natomiast izomaślan i izowalerian mogą być biomarkerami różnicowymi ET. Zmiany w zawartości izomaślanu w kale mogą być bardziej specyficzne dla ET niż zmiany w zawartości innych SCFA.
Nasze badanie ma kilka ograniczeń. Po pierwsze, wzorce żywieniowe i preferencje żywieniowe mogą wpływać na ekspresję mikrobiomu, potrzebne są większe próby badawcze w różnych populacjach, a przyszłe badania powinny wprowadzić kompleksowe i systematyczne badania dietetyczne, takie jak kwestionariusze częstotliwości spożywania żywności. Po drugie, przekrojowy projekt badania uniemożliwia wyciągnięcie jakichkolwiek wniosków na temat związku przyczynowego między SCFA a rozwojem ET. Konieczne są dalsze, długoterminowe badania obserwacyjne z seryjnymi pomiarami SCFA w kale. Po trzecie, możliwości diagnostyczne i różnicowe diagnostyki poziomów SCFA w kale powinny zostać zweryfikowane przy użyciu niezależnych próbek pochodzących od ET, HC i PD. W przyszłości należy zbadać więcej niezależnych próbek kału. Wreszcie, pacjenci z PD w naszej kohorcie mieli istotnie krótszy czas trwania choroby niż pacjenci z ET. Dobieraliśmy głównie grupy ET, PD i HC pod względem wieku, płci i BMI. Biorąc pod uwagę różnicę w przebiegu choroby między grupą ET a grupą PD, przebadaliśmy również 33 pacjentów z wczesną PD i 16 pacjentów z ET (czas trwania choroby ≤3 lata) w celu dalszego porównania. Różnice między grupami w zakresie SCFA były zasadniczo zgodne z naszymi danymi pierwotnymi. Ponadto nie zaobserwowaliśmy korelacji między czasem trwania choroby a zmianami w SCFA. Jednak w przyszłości najlepiej byłoby rekrutować pacjentów z PD i ET na wczesnym etapie, z krótszym czasem trwania choroby, aby ukończyć walidację na większej próbie.
Protokół badania został zatwierdzony przez komisję etyczną Szpitala Ruijin, afiliowanego przy Wydziale Medycznym Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju (RHEC2018-243). Wszyscy uczestnicy wyrazili pisemną, świadomą zgodę na udział w badaniu.
W okresie od stycznia 2019 r. do grudnia 2022 r. w badaniu wzięło udział 109 pacjentów (37 ET, 37 PD i 35 HC) z Kliniki Zaburzeń Ruchowych Szpitala Ruijin, należącego do Wydziału Medycznego Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju. Kryteria były następujące: (1) wiek 25–85 lat, (2) pacjenci z ET zostali zdiagnozowani zgodnie z kryteriami 42 Grupy Roboczej MDS, a PD zgodnie z kryteriami 43 MDS, (3) wszyscy pacjenci nie przyjmowali leków przeciw PD przed pobraniem próbek. (4) Grupa ET przyjmowała wyłącznie β-blokery lub nie przyjmowała żadnych leków pokrewnych przed pobraniem próbek kału. Wybrano również HC dopasowane do wieku, płci i wskaźnika masy ciała (BMI). Kryteria wykluczenia były następujące: (1) wegetarianizm, (2) niedożywienie, (3) przewlekłe choroby przewodu pokarmowego (w tym choroby zapalne jelit, wrzody żołądka lub dwunastnicy), (4) ciężkie choroby przewlekłe (w tym nowotwory złośliwe), niewydolność serca, niewydolność nerek, choroby hematologiczne), (5) historia poważnej operacji przewodu pokarmowego, (6) przewlekłe lub regularne spożywanie jogurtu, (7) stosowanie jakichkolwiek probiotyków lub antybiotyków przez 1 miesiąc, (8) przewlekłe stosowanie kortykosteroidów, inhibitorów pompy protonowej, statyn, metforminy, leków immunosupresyjnych lub leków przeciwnowotworowych oraz (9) ciężkie upośledzenie funkcji poznawczych, które zakłóca badania kliniczne.
Wszyscy uczestnicy badania dostarczyli informacje o historii choroby, wadze i wzroście w celu obliczenia BMI, a także przeszli badanie neurologiczne i ocenę kliniczną, taką jak wynik w skali oceny lęku Hamiltona (HAMA) 44, wynik w skali oceny depresji Hamiltona-17 (HAMD-17) 45, depresja, nasilenie zaparć za pomocą skali zaparć Wexnera 46 i skali Bristol Stool Scale 47 oraz sprawność poznawcza za pomocą Mini-Mental State Examination (MMSE) 48. Skala oceny objawów autonomicznych choroby Parkinsona (SCOPA-AUT) 49 badała dysfunkcję autonomiczną u pacjentów z ET i PD. Skala oceny drżenia klinicznego Fan-Tolos-Marin (FTM) i skala oceny drżenia samoistnego (TETRAS) 50 Grupa badawcza ds. drżenia (TRG) 50 zostały przebadane u pacjentów z ET; Przebadano skalę oceny choroby Kinsona (MDS-UPDRS) w wersji 51 oraz stopniu 52 według skali Hoehn i Yahr (HY) sponsorowanej przez United Parkinson's Disease Association.
Każdego uczestnika poproszono o pobranie próbki kału rano do specjalnego pojemnika. Pojemniki przeniesiono do lodu i przechowywano w temperaturze -80°C przed analizą. Analizę SCFA przeprowadzono zgodnie z rutynowymi procedurami firmy Tiangene Biotechnology (Shanghai) Co., Ltd. Od każdego uczestnika pobrano 400 mg świeżych próbek kału i analizowano je pod kątem SCFA po zmieleniu i wstępnej sonikacji. Wybrane SCFA w kale analizowano za pomocą chromatografii gazowej połączonej ze spektrometrią mas (GC-MS) oraz chromatografii cieczowej połączonej ze spektrometrią mas tandemową (LC-MS/MS).
DNA wyekstrahowano z próbek o masie 200 mg za pomocą zestawu QIAamp® Fast DNA Stool Mini Kit (QIAGEN, Hilden, Niemcy) zgodnie z instrukcją producenta. Skład mikrobiologiczny określono poprzez sekwencjonowanie genu 16S rRNA na DNA wyizolowanym z kału poprzez amplifikację regionu V3-V4. Badanie DNA przeprowadzono, izolując próbkę na 1,2% żelu agarozowym. Amplifikację genu 16S rRNA metodą łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR) przeprowadzono z użyciem uniwersalnych starterów bakteryjnych (357 F i 806 R) oraz dwuetapowej biblioteki amplikonów skonstruowanej na platformie Novaseq.
Zmienne ciągłe wyrażono jako średnia ± odchylenie standardowe, a zmienne kategoryczne jako liczby i procenty. Do sprawdzenia jednorodności wariancji zastosowano test Levene'a. Porównania przeprowadzono przy użyciu dwustronnych testów t lub analizy wariancji (ANOVA), jeśli zmienne miały rozkład normalny, oraz nieparametrycznych testów U Manna-Whitneya, jeśli naruszone zostały założenia normalności lub homoskedastyczności. Do ilościowego określenia skuteczności diagnostycznej modelu i zbadania zdolności SCFA do odróżnienia pacjentów z ET od pacjentów z HC lub PD wykorzystano pole pod krzywą charakterystyki operacyjnej odbiornika (ROC). Aby zbadać związek między SCFA a ciężkością kliniczną, zastosowano analizę korelacji Spearmana. Analizę statystyczną przeprowadzono przy użyciu oprogramowania SPSS (wersja 22.0; SPSS Inc., Chicago, IL) z poziomem istotności (w tym wartością p i FDR-P) ustawionym na 0,05 (dwustronnie).
Sekwencje 16S analizowano przy użyciu kombinacji oprogramowania Trimmomatic (wersja 0.35), Flash (wersja 1.2.11), UPARSE (wersja v8.1.1756), mothur (wersja 1.33.3) i R (wersja 3.6.3). Surowe dane genu 16S rRNA przetworzono przy użyciu UPARSE w celu wygenerowania operacyjnych jednostek taksonomicznych (OTU) o 97% identyczności. Taksonomie określono przy użyciu Silva 128 jako referencyjnej bazy danych. Do dalszej analizy wybrano ogólny poziom danych o względnej liczebności. Do porównań między grupami (ET vs. HC, ET vs. PD) zastosowano liniową analizę dyskryminacyjną (LDA) i analizę wielkości efektu (LEfSE) z progiem α równym 0,05 i progiem wielkości efektu równym 2,0. Rodzaje dyskryminacyjne zidentyfikowane za pomocą analizy LEfSE wykorzystano następnie w analizie korelacji Spearmana SCFA.
Więcej informacji na temat projektu badania można znaleźć w streszczeniu raportu z badań naturalnych powiązanym z tym artykułem.
Surowe dane sekwencjonowania 16S są przechowywane w bazie danych BioProject Narodowego Centrum Informacji Biotechnologicznej (NCBI) (SRP438900: PRJNA974928), adres URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Traces/study/?acc= SRP438900&o. =acc_s% 3Aa. Inne istotne dane, takie jak dane dotyczące współpracy naukowej i wymiany akademickiej z pełnymi projektami badawczymi, są dostępne dla autora korespondencyjnego na uzasadniony wniosek. Przekazywanie danych osobom trzecim bez naszej zgody jest zabronione.
Kod źródłowy może być udostępniany wyłącznie w połączeniu z Trimmomatic (wersja 0.35), Flash (wersja 1.2.11), UPARSE (wersja v8.1.1756), mothur (wersja 1.33.3) i R (wersja 3.6.3), z użyciem ustawień domyślnych lub sekcji „Metoda”. Dodatkowe wyjaśnienia mogą zostać przekazane autorowi korespondencyjnemu na uzasadnioną prośbę.
Pradeep S i Mehanna R. Zaburzenia żołądkowo-jelitowe w zaburzeniach ruchu hiperkinetycznego i ataksji. Związane z chorobą Parkinsona. splątanie. 90, 125–133 (2021).
Louis, ED i Faust, PL Patologia drżenia samoistnego: neurodegeneracja i reorganizacja połączeń neuronalnych. Nat. Pastor Nirol. 16, 69–83 (2020).
Gironell, A. Czy drżenie samoistne jest pierwotnym zaburzeniem dysfunkcji GABA? Tak. Internationality. Rev. Neuroscience. 163, 259–284 (2022).
Dogra N., Mani RJ i Katara DP Oś jelitowo-mózgowa: dwa tryby sygnalizacji w chorobie Parkinsona. Cząsteczki komórkowe. Neurobiologia. 42, 315–332 (2022).
Quigley, EMM. Oś mikrobiota-mózg-jelita a choroby neurodegeneracyjne. Current. Nellore. Neuroscience. Reports 17, 94 (2017).
Liu, XJ, Wu, LH, Xie, WR i He, XX Transplantacja mikrobioty kałowej jednocześnie poprawia drżenie samoistne i zespół jelita drażliwego u pacjentów. Geriatric Psychology 20, 796–798 (2020).
Zhang P. i in. Specyficzne zmiany mikrobioty jelitowej w drżeniu samoistnym i ich różnicowanie z chorobą Parkinsona. NPJ Parkinson's disease. 8, 98 (2022).
Luo S, Zhu H, Zhang J i Wang D. Kluczowa rola mikrobioty w regulacji jednostek neuronalno-glejowo-nabłonkowych. Odporność na infekcje. 14, 5613–5628 (2021).
Emin A. i wsp. Patologia alfa-synukleiny dwunastniczej i gliozy jelitowej w postępującej chorobie Parkinsona. ruch. zamieszanie. https://doi.org/10.1002/mds.29358 (2023).
Skorvanek M. i in. Przeciwciała przeciwko alfa-synukleinie 5G4 rozpoznają jawną i prodromalną postać choroby Parkinsona w błonie śluzowej jelita grubego. ruch. zamieszanie. 33, 1366–1368 (2018).
Algarni M i Fasano A. Współwystępowanie drżenia samoistnego i choroby Parkinsona. Powiązane z chorobą Parkinsona. splątanie. 46, С101–С104 (2018).
Sampson, TR i wsp. Mikrobiota jelitowa moduluje deficyty motoryczne i neurozapalenie w modelach choroby Parkinsona. Cell 167, 1469–1480.e1412 (2016).
Unger, MM i wsp. Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe i mikrobiota jelitowa różnią się u pacjentów z chorobą Parkinsona i osób w tym samym wieku w grupie kontrolnej. Związane z chorobą Parkinsona. 32, 66–72 (2016).
Bleacher E, Levy M, Tatirovsky E i Elinav E. Metabolity regulowane przez mikrobiom na styku układu odpornościowego gospodarza. J. Immunology. 198, 572–580 (2017).