Kolonisasi usus oleh proteobacteria memodulasi respons neurobehavioral tikus terhadap kokain

Read Also

Sebuah studi baru-baru ini yang diterbitkan di Cell Host & Microbe mengungkapkan bahwa kolonisasi usus oleh proteobacteria memodulasi respons neurobehavioral kokain pada tikus.

Latar belakang

Mikrobiota manusia terdiri dari bakteri dari berbagai filum, seperti Firmicutes, Proteobacteria, dan Bacteroides. Komposisi mikrobiota yang berbeda memengaruhi fisiologi inang, homeostasis, profil metabolisme, dan kerentanan penyakit. Demikian juga, faktor lingkungan dan genetik inang membentuk pembentukan enterotipe mikrobiota. Ini menunjukkan crosstalk dua arah yang kuat antara mikrobioma dan inang.

Studi terbaru menunjukkan bahwa beberapa mikroba usus dapat memodulasi perilaku inang yang berbeda. Komposisi mikrobiota usus yang berubah memiliki implikasi neurologis yang merugikan pada manusia dan hewan. Namun, masih belum diketahui apakah perubahan yang diamati pada mikrobiota usus menyebabkan, mempromosikan, atau meningkatkan penyakit atau merupakan konsekuensi dari patologi yang tidak terkait.

Skenario serupa dicatat dalam peran mikrobiota usus pada substance use disorders (SUDs) dan kecanduan. Psikostimulan menyebabkan perubahan komposisi mikrobiota usus, dan penipisan mikrobiota mempengaruhi respons kokain. Namun, mekanisme molekuler yang mendasari interaksi ini kurang eksplisit.

Studi dan temuan

Dalam penelitian ini, para peneliti menyelidiki apakah dan bagaimana kokain mempengaruhi kolonisasi mikroba usus pada tikus. Pertama, tikus terinfeksi Citrobacter rodentium dan diobati dengan kokain atau salin, yang menunjukkan peningkatan beban patogen pada jaringan sekum pada tikus yang diobati dengan kokain. Pengobatan kokain juga meningkatkan penanda penyakit usus sebagai respons terhadap infeksi.

Penyelidikan lebih lanjut menunjukkan bahwa paparan kokain adalah mediator pro-virulensi untuk Citrobacter rodentium dengan meningkatkan kadar norepinefrin dalam jaringan cecal, yang mengaktifkan pensinyalan reseptor adrenergik bakteri (QseC) dan mempromosikan ekspresi lokus enterocyte effacement (LEE) berikutnya. dan kolonisasi patogen.

Selanjutnya, para peneliti menilai apakah infeksi C. rodentium mengubah perubahan perilaku plastik yang diamati setelah paparan berulang/berkali-kali terhadap kokain. Para penulis mencatat bahwa tikus yang terinfeksi secara signifikan meningkatkan respons alat gerak terhadap paparan kokain berulang dibandingkan dengan tikus yang terinfeksi tiruan. Efek ini tidak diamati pada tikus yang terinfeksi dengan pemberian garam. Analisis metagenomik mengungkapkan perubahan signifikan dalam mikrobiota usus tikus yang terinfeksi C. rodentium.

Tikus yang terinfeksi menunjukkan peningkatan yang nyata dalam γ-proteobacteria, terutama karena C. rodentium, sedangkan hewan yang tidak terinfeksi bebas dari γ-proteobacteria. Para penulis mengkonfirmasi bahwa mekarnya γ-proteobacteria yang didorong oleh kolonisasi C. rodentium bertanggung jawab atas perubahan plastisitas perilaku yang diinduksi kokain daripada peradangan yang dipicu oleh patogen.

Selanjutnya, tim peneliti menguji apakah perubahan respons perilaku terhadap kokain terkait dengan perubahan metabolit pada tikus yang terinfeksi mutan C. rodentium escN avirulen atau Escherichia coli HS. Spektrometri massa kromatografi cair dilakukan untuk metabolomik komparatif yang tidak ditargetkan dari cerebrospinal fluid (CSF) dari tikus yang diberi antibiotik yang dilarutkan dengan mutan C. rodentium escN, E. coli HS, atau fecal microbiota transplant (FMT) dan diobati dengan kokain.

Analisis jalur terintegrasi dari metabolit CSF antara tikus yang dilarutkan dengan FMT dan yang dilarutkan dengan γ-proteobacteria mengungkapkan beberapa jalur yang terpengaruh; metabolisme glisin, serin, dan treonin adalah salah satu yang paling signifikan diubah. Tujuh dari 11 hit yang diidentifikasi dalam analisis jalur diturunkan regulasi pada tikus yang dilarutkan dengan γ-proteobacteria.

Selain itu, tingkat glisin berkurang secara signifikan dalam CSF tikus dilarutkan dengan E. coli HS atau C. rodentium escN mutan relatif terhadap yang dilarutkan dengan FMT. Selain itu, kadar glisin CSF berkorelasi negatif dengan respons perilaku yang diinduksi kokain. Tingkat glisin menurun pada jaringan cecal tikus yang dilarutkan dengan γ-proteobacteria dibandingkan dengan FMT.

Selanjutnya, profil transkripsi genom-lebar dilakukan di area otak yang terkait dengan plastisitas sinaptik yang ditimbulkan kokain, nukleus accumbens (NAcc). Analisis transkriptomik NAcc dari tikus yang dilarutkan FMT dan γ-proteobacteria mengungkapkan beberapa differentially expressed genes (DEGs) setelah paparan kokain. Ada perubahan substansial dalam jalur yang terlibat dalam sinaps glutamatergik dan jalur yang mengatur sinaps dopaminergik antara tikus yang dilarutkan FMT dan γ-proteobacteria.

Pengambilan transpor glisin dimediasi oleh permease yang dikodekan oleh gen cycA. Oleh karena itu, para peneliti beralasan jika penghapusan cycA dapat menurunkan penipisan glisin yang disebabkan oleh bakteri. Yang mengejutkan, respon perilaku lokomotor yang diinduksi kokain tidak lagi terdeteksi pada tikus yang dilarutkan dengan E. coli HS dengan penghapusan cycA.

Akhirnya, dengan menggunakan conditioned place preference (CPP), penulis menunjukkan bahwa tikus yang diobati dengan antibiotik yang dilarutkan dengan FMT tidak memiliki perilaku mencari obat dibandingkan kokain. Sebaliknya, perilaku pencarian obat yang signifikan diamati pada tikus yang terinfeksi E. coli HS atau C. rodentium escN mutan. Selanjutnya, tikus yang terinfeksi dengan mutan E. coli HS cycA yang tidak dapat menyerap glisin tidak menunjukkan perilaku pencarian obat yang signifikan.

 

Kesimpulan

Temuan menunjukkan bahwa γ-proteobacteria merasakan perubahan yang diinduksi kokain pada tingkat katekolamin inang. Selain itu, mereka juga menunjukkan bahwa pergeseran komposisi mikrobiota menuju γ-proteobacteria dapat menghabiskan metabolit inang dari CSF dan usus, sehingga memengaruhi plastisitas NAcc yang ditimbulkan kokain dan perilaku seperti kecanduan. Kolonisasi γ-proteobacteria pada usus menyebabkan penurunan kadar glisin yang signifikan dalam darah, CSF, dan usus yang menyebabkan respons yang diperburuk terhadap kokain.

Journal reference:

Cuesta S, Burdisso P, Segev A, Kourrich S, Sperandio V. (2022). Gut colonization by Proteobacteria alters host metabolism and modulates cocaine neurobehavioral responses. Cell Host & Microbe. doi: 10.1016/j.chom.2022.09.014 https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(22)00470-X