絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(Postmenopausal osteoporosis ，PMO)是最常見的原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥，是由于絕經(jīng)后雌激素缺乏導(dǎo)致的骨強(qiáng)度降低和骨脆性增加。腸道菌群與骨代謝密切相關(guān)，腸道細(xì)菌過度生長的患者骨密度明顯降低。而神經(jīng)肽Y（Neuropeptide Y，NPY）可以通過Y1受體(Y1R)對腸道直接起到抗菌的作用。那么，NPY能否通過調(diào)節(jié)大鼠腸道菌群，發(fā)揮抗骨質(zhì)疏松作用呢？腸道菌群與骨代謝之間是如何進(jìn)行作用的呢？

2019年12月6日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院李展春課題組和肖潔課題組利用去卵巢(OVX)大鼠模型，應(yīng)用Y1R拮抗劑治療，觀察到Y(jié)1R拮抗劑能通過調(diào)節(jié)腸道菌群，發(fā)揮抗骨質(zhì)疏松作用。烈冰科技在該工作中提供了16S rRNA測序數(shù)據(jù)分析技術(shù)支持。該研究成果以“Neuropeptide Y1 Receptor Antagonist Alters Gut Microbiota and Alleviates the Ovariectomy?Induced Osteoporosis in Rats”為題發(fā)表于Calcified Tissue International雜志。

——研究思路——

實驗方法：

測序方案：

實驗分組：

分析思路：

——研究結(jié)果——

1. Y1R拮抗劑對OVX大鼠的體重和血清生化指標(biāo)的影響

圖1結(jié)果顯示，相比較SHAM組，OVX組大鼠體重顯著增加，血清E2濃度明顯降低，并且表現(xiàn)出更低的Ca²⁺濃度和更高的Pi濃度水平。經(jīng)Y1R拮抗劑治療后，OVX+BIBO3304組大鼠體重明顯減輕，與SHAM組相差無異，而且Ca²⁺和Pi濃度水平均有所改善。

圖1 Y1R拮抗劑對OVX大鼠的體重和血清生化指標(biāo)的影響

2. Y1R拮抗劑改善OVX大鼠骨量和骨顯微結(jié)構(gòu)

通過對大鼠右側(cè)脛骨顯微CT成像以及HE染色進(jìn)行組織學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)OVX組大鼠松質(zhì)骨變薄，失去規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，參數(shù)BMD、BV/Tv顯著降低，SMI升高。而OVX+BIBO3304組大鼠經(jīng)Y1R拮抗劑治療后，松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)及各項指標(biāo)均有所改善。

圖2 Y1R拮抗劑改善OVX大鼠的骨量和骨顯微結(jié)構(gòu)

3. Y1R拮抗劑調(diào)節(jié)OVX大鼠體內(nèi)的微生物多樣性

采用Chao1和Shannon曲線分析腸道菌群α多樣性（圖3a、b），發(fā)現(xiàn)三組間微生物物種豐富度(Chao1)和多樣性(Shannon)均無顯著差異。采用PCoA方析對微生物群落結(jié)構(gòu)(β多樣性)進(jìn)行分析（圖3c、d），發(fā)現(xiàn)三組腸道細(xì)菌結(jié)構(gòu)明顯分離，表明卵巢切除和Y1R拮抗劑治療都是腸道微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。

圖3 Y1R拮抗劑對OVX大鼠微生物多樣性的調(diào)節(jié)作用

4. Y1R拮抗劑改變OVX大鼠腸道微生物群落組成

圖4a-c分別介紹了三個群組在門、綱、屬分類水平上的微生物組成，發(fā)現(xiàn)菌群主要集中于厚壁菌門（Firmicutes）和擬桿菌門（Bacteroidetes）。OVX組大鼠血清中F/B比值（4.05）明顯高于SHAM組（2.18），經(jīng)Y1R拮抗劑治療后，F(xiàn)/B比值（2.61）得到明顯改善，而且乳酸菌的豐度也發(fā)生變化（SHAM: 4.4%，OVX: 2.4%，OVX+BIBO3304：3.6%）。

圖4 Y1R拮抗劑改變OVX大鼠腸道菌群組成

進(jìn)一步通過PICRUST分析三組大鼠之間微生物代謝功能的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)OVX組丁酸代謝功能明顯強(qiáng)于OVX+BIBO3304組，離子通道功能低于OVX+BIBO3304組（圖5a）。而OVX+BIBO3304組與SHAM組的丁酸代謝和離子通道功能無明顯差異（圖5b）。結(jié)果表明，Y1R拮抗劑參與調(diào)節(jié)丁酸代謝和離子通道在內(nèi)的微生物代謝功能。

圖5 微生物代謝功能預(yù)測和功能差異分析

5. 腸道菌群與骨代謝相關(guān)參數(shù)的相關(guān)性

進(jìn)一步分析研究微生物群與骨代謝相關(guān)參數(shù)之間的相關(guān)性，圖6可以看出，Firmicutes與骨微結(jié)構(gòu)參數(shù)（BV/TV、BMD、Tb.N和BS/TV）、血清E2濃度均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，而Bacteroidetes與骨微結(jié)構(gòu)參數(shù)和血清E2濃度顯著正相關(guān)。F/B比值也與骨微結(jié)構(gòu)參數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，揭示該值在一定程度上代表各種生物過程失調(diào)的程度。

圖6 腸道菌群與骨代謝參數(shù)的相關(guān)性分析

綜上所述，Y1R拮抗劑可能通過下調(diào)腸道菌群中F/B比值和上調(diào)益生菌的含量來改善OVX大鼠的骨質(zhì)疏松的骨微結(jié)構(gòu)。同時該研究指出Y1R拮抗劑可能是治療PMO的一種新型潛在策略。