Profilierung von Nebennierenkortikosteroiden im Blut und lokalen Geweben von Mäusen bei chronischem Stress

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7278 (2023) Diesen Artikel zitieren

262 Zugriffe

1 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Stress erhöht die Plasmakonzentrationen von Kortikosteroiden, ihre Gewebespiegel sind jedoch unklar. Unter Verwendung eines Paradigmas der wiederholten sozialen Niederlage untersuchten wir die Auswirkungen von chronischem Stress auf die Gewebespiegel von Corticosteron (CORT), Progesteron (PROG), 11-Desoxycorticosteron (11DOC) und 11-Dehydrocorticosteron (11DHC) sowie auf die Darmmikrobiota, die die Darmflora verändern kann Stress-Reaktion. Männliche BALB/c-Mäuse, Flüssigkeitschromatographie-Tandem-Massenspektrometrie und 16S-RNA-Gensequenzierung wurden zum Screening der Steroidspiegel bzw. des fäkalen Mikrobioms verwendet. Stress verursachte einen stärkeren Anstieg von CORT im Gehirn, in der Leber und in der Niere als im Dickdarm und in den Lymphorganen, wohingegen 11DHC im Dickdarm, in der Leber und in der Niere am höchsten und im Gehirn und in den Lymphorganen viel niedriger war. Das CORT/11DHC-Verhältnis im Plasma war ähnlich wie im Gehirn, in anderen Organen jedoch viel niedriger. Stress veränderte auch die Gewebespiegel von PROG und 11DOC und das PROG/11DOC-Verhältnis war in lymphatischen Organen viel höher als im Plasma und anderen Organen. Stress wirkte sich auf die β-, aber nicht auf die α-Diversität der Darmmikrobiota aus, und die LEfSe-Analyse ergab mehrere Biomarker, die mit der Stressbehandlung in Zusammenhang stehen. Unsere Daten deuten darauf hin, dass sozialer Niederlagenstress die Diversität der Darmmikrobiota moduliert und gewebeabhängige Veränderungen der lokalen Kortikosteroidspiegel induziert, die oft nicht ihre systemischen Spiegel widerspiegeln.

Die Reaktion auf belastende physische und psychische Herausforderungen stellt adaptive Prozesse dar, um das Überleben des Einzelnen zu schützen und seine Körpersysteme unter den aktuellen Bedingungen aufrechtzuerhalten1. Stressreize lösen eine Kaskade von Ereignissen in der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse (HPA) aus, die zur Aktivierung der Nebennierenrinde und zur Freisetzung von Glukokortikoiden, Cortisol beim Menschen und Corticosteron (CORT) bei Ratten und Mäusen führt. Obwohl sich die Nervenbahnen der Stressreaktionen im Gehirn je nach Art des Stressors unterscheiden, wird angenommen, dass die Aktivierung der HPA-Achse ein letzter gemeinsamer Weg ist, der zu einem Nettoanstieg der zirkulierenden Glukokortikoide führt2. Glukokortikoide wirken auf viele Gewebe und lösen genomische und nichtgenomische Wirkungen aus, die das Stoffwechsel-, Immun-, kognitive und reproduktive System regulieren3. Zusätzlich zu den Glukokortikoiden führt Stress auch zu einem schnellen Anstieg der Sekretion von Progesteron (PROG) und 11-Desoxycorticosteron (11DOC) aus der Nebennierenrinde4,5.

Die lokale Wirkung von Glukokortikoiden hängt nicht nur von ihren Plasmakonzentrationen ab, da einige Gewebe den lokalen Steroidspiegel aktiv regulieren können. Enzyme der Glukokortikoid-De-novo-Synthese werden nicht nur in der Nebennierenrinde exprimiert, sondern auch in anderen Geweben wie dem Darm6,7,8, den Lymphorganen9,10,11 und Immunzellen12,13, obwohl nur die ersten Schritte der Steroidsynthese gefunden wurden in Letzterem. Darüber hinaus exprimieren einige Zellen das Enzym 11-Hydroxysteroid-Dehydrogenase Typ 1 (11HSD1), das inaktive 11-Oxo-Derivate von Glukokortikoiden, Cortison und 11-Dehydrocorticosteron (11DHC) in aktive Glukokortikoide Cortisol und CORT umwandelt und so den lokalen Spiegel effektiv verstärkt aktive Glukokortikoide. Dieses Enzym wird in vielen Geweben exprimiert, darunter Leber, Niere, Darm14, lymphatische Organe15,16 und Immunzellen17. In einigen Geweben wie der Niere und dem Darm können CORT und Cortisol durch das Enzym 11-Hydroxysteroid-Dehydrogenase Typ 2 (11HSD2)14 auch lokal in ihre inaktiven 11-Oxo-Derivate 11DHC und Cortison umgewandelt werden. Zusätzlich zu peripheren Geweben zeigt das Gehirn auch eine lokale Produktion von Steroiden durch De-novo-Synthese oder durch lokale Umwandlung von Steroiden, die ihren Ursprung in peripheren endokrinen Organen, einschließlich der Nebenniere, haben18,19. Interessanterweise erhöht Stress nicht nur den systemischen Spiegel von Glukokortikoiden, sondern reguliert auch steroidogene Enzyme, einschließlich 11HSD1, auf zeit- und gewebeabhängige Weise20,21,22, was darauf hindeutet, dass die lokale Produktion und der Metabolismus von Kortikosteroiden sowie deren Veränderungen als Reaktion auf Stress moduliert werden können die Auswirkungen der HPA-Achsenreaktion in bestimmten Geweben.

Obwohl angenommen wird, dass die Enzyme der extraadrenalen Steroidogenese und 11HSDs die lokalen Kortikosteroide formen, wurde die Profilierung von Gewebekortikosteroiden als Reaktion auf chronischen Stress nie direkt quantifiziert, mit Ausnahme der CORT-Konzentration im Gehirn, in der Thymusdrüse und im Darm von chronisch gestressten Ratten und Mäusen23,24. Daher zielte die vorliegende Studie darauf ab, die systemischen und lokalen Spiegel von Pregnenolon (PREG), PROG, 11DOC, CORT und 11DHC im Blut, Gehirn und peripheren Geweben von Mäusen zu vergleichen, die chronischem Stress ausgesetzt waren, und zwar anhand des Modells wiederholter sozialer Niederlagen. Da eine Reihe von Studien gezeigt haben, dass chronische Stressbelastung die Struktur der Darmmikrobengemeinschaft verändert25 und dass die Darmmikrobiota das Verhalten und die Stressreaktionen des Wirts26 verändern und die Gewebespiegel einiger Steroide modulieren kann27, haben wir auch ermittelt, ob die Belastung Chronischer psychosozialer Stress veränderte die Gemeinschaftsstruktur der Mikrobiota bei Versuchstieren.

Die Experimente wurden an 9 Wochen alten männlichen BALB/c-Mäusen (Institut für Physiologie, Tschechische Akademie der Wissenschaften, Prag) durchgeführt, die in einem temperaturkontrollierten Raum (22 ± 1 °C) an einem 12/12- h Hell-Dunkel-Zyklus (Licht an um 7 Uhr morgens) mit freiem Zugang zu Pelletnahrung Altromin 1314 (Altromin, Lage, Deutschland) und Leitungswasser. Nach einer zweiwöchigen Eingewöhnungszeit wurden die Mäuse zufällig in zwei Gruppen (Stress- und Kontrollgruppe; n = 5 Tiere pro Gruppe) aufgeteilt und einzeln in den Käfigen untergebracht. Das in dieser Studie verwendete Stressprotokoll für soziale Niederlagen ähnelte dem in unserer vorherigen Arbeit verwendeten Resident-Intruder-Paradigma22. Kurz gesagt, das Protokoll basierte auf der Tatsache, dass eine männliche Maus ihr Territorium gegen einen unbekannten männlichen Eindringling verteidigt und dass die Exposition eines jüngeren Eindringlings gegenüber dem Bewohner eine unvorhersehbare allostatische Belastung darstellt, die mit der Aktivierung der HPA-Achse verbunden ist. Als Bewohner dienten ältere sexuell erfahrene Männer (n = 9), die vor dem Experiment sieben Tage lang einzeln untergebracht wurden, ohne dass die Bettwäsche gewechselt wurde. Nach der siebentägigen Isolationszeit wurde jeder Eindringling dreimal pro Woche (jeden zweiten Tag) einem anderen Bewohner ausgesetzt. Jeder Eindringling wurde dem Bewohner insgesamt 16 Mal ausgesetzt. Zunächst durften der Bewohner und der Eindringling 10 Minuten lang im Käfig des Bewohners in direktem physischen Kontakt miteinander bleiben. Anschließend wurden die Eindringlinge durch ein Stahlgitter getrennt, um den sensorischen Kontakt zwischen Bewohner und Eindringling für die nächsten 50 Minuten aufrechtzuerhalten. Dieser Aufbau verringerte das Verletzungsrisiko, während der Eindringling aufgrund der sensorischen Interaktion mit dem Bewohner einer ständigen psychischen Belastung ausgesetzt war. Nach der sozialen Interaktionssitzung wurde der Eindringling aus dem Käfig des Bewohners entfernt und in seinen Heimkäfig im selben Raum zurückgebracht. Kontrollmäuse (nicht gestresst) blieben ungestört in ihren Heimkäfigen in einem separaten Ruheraum und wurden einen Tag vor der Stressgruppe geopfert. Um die Auswirkung des zirkadianen Rhythmus zu minimieren, wurden alle Stresssitzungen zwischen 9 und 10:30 Uhr durchgeführt, mit Ausnahme der letzten, die um 8:55 Uhr begann, mit einem Abstand von 15 Minuten zwischen den jeweiligen Mäusen. Jede Maus wurde genau 80 Minuten nach Beginn des Stressors (20 Minuten nach der letzten Stresssitzung) getötet. Beide Gruppen von Mäusen (sowohl gestresste als auch Kontrollgruppe) wurden zwischen 10:15 und 11:40 Uhr getötet. Die Experimente wurden vom Ausschuss für Tierpflege und -nutzung des Instituts für Physiologie vvi der Tschechischen Akademie der Wissenschaften genehmigt.

Nach der letzten sozialen Interaktionssitzung wurden die Mäuse sofort mit Isoflurandampf betäubt. Diese Art der Anästhesie wurde gewählt, da die Isoflurananästhesie keinen signifikanten Einfluss auf die CORT-Werte während der Tötung hatte28. Kontrollmäuse wurden vorsichtig aus ihrem Heimkäfig entfernt und innerhalb einer Minute nach der Störung ihres Heimkäfigs tief betäubt. Blut wurde durch Herzpunktion gesammelt, 10 Minuten lang bei 4 ° C und 2000 g zentrifugiert und bei –80 ° C gelagert. Anästhesierte Mäuse wurden dann enthauptet und Proben von Gehirn (Großhirnrinde, Hippocampus), Leber, Niere, Dickdarm, Thymus und mesenterialem Lymphknoten (MLN) entnommen, in flüssigem Stickstoff eingefroren und bis zur weiteren Analyse bei –80 ° C gelagert. Proben von Kotpellets wurden vor Beginn der Stressperiode und unmittelbar nach deren Ende gesammelt, in sterile Röhrchen gegeben und bis zur Extraktion des genetischen Materials zur Sequenzierung bei –80 °C gelagert.

Steroide wurden zweimal aus Blut und Gewebehomogenaten extrahiert, die in 1 ml eiskaltem Wasser mit einem Polytron-Homogenisator (Kinematica AG, Luzern, Schweiz) zubereitet wurden. Blut (100 μl) plus 900 μl Wasser oder Homogenatproben (1000 μl) wurden durch Zugabe von 2 ml tert-Butylmethylether extrahiert. Die Mischung wurde dreimal 30 Sekunden lang verwirbelt (1500 U/min) und 15 Minuten lang bei 1500 g zentrifugiert, um die Wasser- und organische Phase zu trennen. Die zentrifugierten Proben wurden einfrieren gelassen und die obere organische Phase wurde in ein sauberes Röhrchen überführt. Die Wasserphase wurde erneut mit 2 ml tert-Butylmethylether extrahiert und die organischen Phasen vereinigt, im Stickstoffstrom bei 40 °C eingedampft und vor der Weiterverarbeitung für LC-MS/MS bei −80 °C gelagert Analyse. Die Proteinkonzentration von Gewebehomogenaten wurde in 10 μl Gewebehomogenat mit der Bicinchoninsäure-Methode gemessen.

Referenzstandards jeder Steroidverbindung (PREG PROG, 11DOC, CORT und 11DHC) und interne Standards (PROG-d9, CORT-d4) wurden in Methanol gelöst, um Stammlösungen von 0,5 mg/ml zu erhalten, und bis zu einer Woche bei –18 gelagert °C. Anschließend wurden den einzelnen oder Qualitätskontrolltestproben interne Standards bis zu einer Endkonzentration von 0,1 µg/ml zugesetzt. Kalibrierungskurven für die Quantifizierung der Steroidverbindung wurden erstellt, indem die Peakfläche (angepasst durch einen internen Standard) gegen die Konzentration relevanter Referenzstandards aufgetragen wurde. Kurven wurden unter Verwendung von sechs Kalibrierungspunkten im Konzentrationsbereich von 0,0001–1,000 µg/ml (einschließlich Kontrollprobe) erstellt. In diesem Bereich war die Reaktion des Massendetektors auf die Steroidkonzentration linear. Vor der LC-MS/MS-Analyse wurden die getrockneten Überstände jeder Probe in einem Ultraschallbad in 150 µl Methanol, das interne Standards enthielt, erneut gelöst, zentrifugiert (15 Min.; 13.500 U/min, Raumtemperatur) und durch 0,2 µm PVDF-Spinfilter (Thermo) filtriert Fisher Scientific, Rockwood, TN, USA). Die Extrakte wurden in Fläschchen überführt und vor der LC-MS/MS-Analyse bei –18 °C gelagert.

Die Steroidanalyse mittels LC-MS/MS wurde wie zuvor beschrieben durchgeführt7. Kurz gesagt, die chromatographische Trennung wurde auf einem Ultrahochleistungs-Flüssigkeitschromatographiesystem Dionex UltiMate 3000 (Dionex Softron GmbH, Germering, Deutschland) unter Verwendung einer Umkehrphasen-Kinetex XB-C18-Säule (2,1 × 100 mm, 2,6 µm; Phenomenex, Torrance, CA, USA) und Gradientenelution. Die massenspektrometrische Analyse wurde unter Verwendung eines Quadrupol-/Orbital-Ionenfallen-Q-Exactive-Massenspektrometers (Thermo Fisher Scientific, San Jose, CA, USA) durchgeführt, das mit einer beheizten Elektrospray-Ionisationsquelle (HESI-II) und der Xcalibur-Software, Version 4.0, ausgestattet war. Das Massenspektrometer wurde im Positivionenmodus mit den Quellenbedingungen betrieben: Sprühspannung 2,5 kV; Hüllgasfluss 49 AE; Hilfsgasfluss 12 AU und Spülgasfluss 2 AU; Kapillartemperatur 260 °C; Heiztemperatur 419 °C. Die Daten wurden mit der Xcalibur-Software erfasst. Nach jeder zehnten Analyse wurden Qualitätskontrollproben eingegeben, um die ordnungsgemäße Durchführung der LC-MS/MS-Analysen sicherzustellen. Die Messungen der Proben erfolgten in drei Wiederholungen. Die Steroidkonzentrationen in den Proben wurden aus Kalibrierungskurven extrapoliert und in ng pro ml (für Plasma) umgerechnet oder auf mg Protein des Gewebes normalisiert. Eine Steroidkonzentration galt als nicht bestimmbar, wenn sie unter dem niedrigsten Wert auf der Kalibrierungskurve (BC) lag.

Die relative Rückgewinnung der Steroide aus den Geweben wurde durch Vergleich der Peakfläche der Analyten in den Gewebeproben geschätzt, die mit Standardlösungen von CORT, 11DHC, 11DOC, PROG und Pregnenolon (PREG) in Konzentrationen von 300, 30, 3 und 0,3 ng versetzt wurden /ml vor und nach der Extraktion. Die mittlere relative Wiederfindung von Steroiden in den untersuchten Gewebeproben lag je nach Steroiden und Matrizen zwischen 75 und mehr als 90 % (PREG, 81,3 ± 5,0 %; PROG, 86,2 ± 2,5 %; 11DOC, 93,5 ± 3,2 %; CORT, 93,2 ± 4,9 %; 11DHC 77,6 ± 2,9 %.

Um die Mikrobiomprofile der gestressten und nicht gestressten Tiere zu bestimmen, wurden Kotproben von einzelnen Mäusen unmittelbar nach dem freiwilligen Stuhlgang aseptisch in sterilen Röhrchen gesammelt und bei –80 °C gelagert. Kontrollproben wurden vor der Stressperiode (STAEX-Gruppe; n = 10) und dann einen Monat später bei nicht gestressten Mäusen (CTRL-Gruppe; n = 5) und gestressten Tieren nach der letzten Sitzung am Tag der Tötung (STRESS-Gruppe; n =) gesammelt 5). Aus jeder Stuhlprobe wurde die Gesamt-DNA mit einem QIAmp PowerFecal DNA Kit (Qiagen, Hilden, Deutschland) gemäß dem Protokoll des Herstellers extrahiert. Die extrahierte DNA wurde wie bereits erwähnt für die Sequenzierung und Mikrobiomanalyse genutzt29. Kurz gesagt, die Amplikons der V4V5-Region des 16S-rRNA-Gens wurden aus der extrahierten DNA hergestellt. Bibliotheken wurden mit dem NEBNext Fast DNA Library Prep Set (New England Biolabs, Ipswich, MA, USA) vorbereitet, gereinigt und quantifiziert. Die Sequenzierung der nächsten Generation wurde über die Ion Torrent-Plattform (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA) durchgeführt und die Sequenzierungsdaten sind in der GenBank (Zugangsnummer PRJNA896122) hinterlegt. Die Sequenzierung war für 3 Proben aus der STAEX-Gruppe nicht erfolgreich, daher wurde die anschließende Datenanalyse nur für 7 Proben aus dieser Gruppe (n = 7) durchgeführt.

Die statistischen Analysen wurden mit der Statistica-Software (StatSoft Inc. Tulsa, OK, USA) durchgeführt und die Daten werden als Mittelwert ± SEM ausgedrückt. Die Datensätze wurden mittels einseitiger oder zweifacher Varianzanalyse (ANOVA) analysiert, gefolgt von einem Post-hoc-Tukey-Test. Eine einfaktorielle ANOVA wurde verwendet, um die Gewebeprofile der Steroidspiegel und der CORT/11DHC-, PROG/11DOC-, CORT/PROG- und CORT/11DOC-Verhältnisse zu vergleichen, während die Auswirkung von wiederholtem sozialem Niederlagenstress auf die Steroidspiegel in einzelnen Geweben anhand ungepaarter Analysen analysiert wurde Schüler-T-Test. Mithilfe der Zwei-Wege-ANOVA wurde ermittelt, ob sich die Steroidspiegel in der Nebenniere und im Plasma je nach Stress und Steroidtyp unterscheiden und ob eine Wechselwirkung zwischen Stress und Steroidtyp besteht. Ein AP-Wert ≤ 0,05 wurde als signifikant angesehen.

Die Mikrobiomanalyse wurde wie zuvor beschrieben durchgeführt24. Kurz gesagt, im FASTQ-Format erhaltene bakterielle 16S-rDNA-Gensequenzen wurden mit der Pipeline QIIME 2 Version 2020.2 analysiert. Die Qualitätskontrolle wurde an demultiplexten Sequenzen unter Verwendung von DADA2 durch Herausfiltern chimärer Sequenzen durchgeführt. Anschließend wurde die Clusterbildung und Taxonomieklassifizierung mithilfe der SILVA-Datenbank mit 99 % OTU-Referenzsequenzen bewertet. Die α-Diversität (die die Artenvielfalt/-reichtum in einem Ökosystem/einer Gruppe von Kontrollmäusen oder gestressten Mäusen beschreibt) wurde mithilfe des Shannon-Diversitätsindex basierend auf dem Kruskal-Wallis-Test bestimmt. Nach der Verdünnung wurde eine Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) basierend auf der Bray-Curtis-Distanz (β-Diversität; Beschreibung der Artenvielfalt zwischen zwei Gruppen/Kontrollmäusen und gestressten Mäusen) erstellt. Die Boxplots für den Shannon-Diversitätsindex und die zweidimensionalen PCoA-Plots wurden in R-Studio (Version 3.6.3) (http://www.rstudio.com/) mit ggplot2 (https://ggplot2.tidyverse) erstellt. org)-Pakete. Ellipsen markieren 95 % der Konfidenz für jede Gruppe und ein P-Wert ≤ 0,05 wurde als statistisch signifikant angesehen. Die permutationelle multivariate Adonis-Analyse (Adonis/PERMANOVA) und die Bray-Curtis-Distanzmatrix wurden verwendet, um die Unähnlichkeit zwischen Proben mit einem Permutationssatz von 999 zu bewerten. Die lineare Diskriminanzanalyse (LDA) mit Effektgrößen-Algorithmus (LEfSe) wurde im Galaxy-Modul (http://www.galaxy.com/) durchgeführt ://huttenhower.sph.harvard.edu/galaxy) basiert auf dem faktoriellen Kruskal-Wallis-Test und dem paarweisen Wilcoxon-Test, um Gattungen mit signifikant unterschiedlichen relativen Häufigkeiten zwischen Stress- und Kontrollgruppen mit einem α-Wert von 0,05 und einem Schwellenwert von 2,0 im Logarithmus zu identifizieren LDA-Scores für diskriminierende Merkmale.

Die Studie wurde gemäß den Richtlinien der Deklaration von Helsinki durchgeführt und vom Ausschuss für den Schutz und die Verwendung von Versuchstieren des Instituts für Physiologie vvi der Tschechischen Akademie der Wissenschaften genehmigt. Alle Experimente wurden gemäß den einschlägigen Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Die Studie wird gemäß den ARRIVE-Richtlinien berichtet.

Die Steroidprofilierung in den Nebennieren sozial besiegter und nicht gestresster Mäuse ist in Abb. 1A und der ergänzenden Abb. S1 online zusammengefasst. Eine Zwei-Wege-ANOVA ergab einen signifikanten Haupteffekt von Stress (F1,48 = 19,12, P < 0,001), Steroidtyp (F5,48 = 78,62, P < 0,001) und Stress x Steroidtyp-Wechselwirkung (F5,48 = 3,99, P < 0,01). Tukeys Post-hoc-Test zeigte eine signifikante Hochregulierung von PREG und CORT in der Nebenniere, ohne dass sich die PROG- und 11DOC-Spiegel signifikant veränderten. Ebenso unterschieden sich die lokalen Konzentrationen von 11DHC, das von 11HSD2 aus CORT erzeugt wird, nicht zwischen den Nebennieren gestresster und nicht gestresster Mäuse.

Auswirkung einer sozialen Niederlage auf die Nebennieren- (A) und Plasmaspiegel (B) von Pregnenolon (PREG), Progesteron (PROG), 11-Desoxycorticosteron (11DOC), Corticosteron (CORT) und 11-Dehydrocorticosteron (11DHC). Rote Säulen, Kontrollmäuse ohne Stress (STRG); grüne Säulen, Mäuse, die einer chronischen sozialen Niederlage ausgesetzt sind (STRESS); BC, unter dem niedrigsten Wert der Kalibrierungskurve. Die Steroidmengen wurden für die Nebenniere in ng pro ml Plasma oder ng pro mg Protein umgerechnet. Die Daten werden als Mittelwert ± SEM (n = 3–5) angezeigt. Deutlich unterschiedliche Werte zwischen gestressten und nicht gestressten Mäusen: ***P < 0,001, **P < 0,01, *P < 0,05.

Wie erwartet stiegen die Plasmaspiegel von Kortikosteroiden während einer sozialen Niederlage unabhängig vom Steroidtyp mit Ausnahme von PREG signifikant an (Abb. 1B; ergänzende Abb. S1 online). Die zweistufige ANOVA zeigte einen signifikanten Effekt von Stress (F1,30 = 76,03, P < 0,001), Steroidtyp (F3,30 = 68,52, P < 0,001) und Stress x Steroidtyp-Wechselwirkung (F3,30 = 59,10, P <). 0,01). Im Gegensatz zu den Nebennieren führte Stress nicht nur zu einer signifikanten Hochregulierung von Plasma-CORT (× 26), sondern auch von PROG (× 45), 11DOC (× 27) und 11DHC (× 6).

Um Veränderungen im Gewebespiegel von Kortikosteroiden in peripheren Geweben während Stress zu identifizieren, wurden CORT, PROG, 11DOC und 11DHC in Gehirn, Dickdarm, Leber, Niere und lymphatischen Organen quantifiziert. Im Einklang mit dem Plasma erhöhte die soziale Belastung die lokalen Kortikosteroidspiegel, und dieser Anstieg hing vom jeweiligen Gewebe ab.

Bei nicht gestressten Kontrollmäusen wurde lokales CORT in allen Geweben mit Ausnahme der lymphatischen Organe nachgewiesen. Stress erhöhte die CORT-Spiegel in allen Geweben, einschließlich MLN und Thymus, signifikant (Abb. 2A; ergänzende Abb. S1 online). Dieser Anstieg betrug im Dickdarm fast das 20-fache, in der Niere das 40-fache und in der Leber und im Gehirn mehr als 60-mal. Die einfaktorielle ANOVA zeigte unterschiedliche CORT-Werte in den Geweben sowohl bei nicht gestressten (F4,18 = 3,23, P < 0,05) als auch bei gestressten (F6,27 = 7,73, P < 0,001) Tieren. Bei nicht gestressten Tieren ergab ein Post-hoc-Vergleich, dass die CORT-Werte in der Niere signifikant höher waren als die CORT-Werte im Dickdarm (P < 0,05) und im Kortex (P < 0,01). Bei gestressten Tieren waren die CORT-Werte im Hippocampus, in der Leber und in der Niere signifikant höher als in anderen Geweben (P < 0,05 oder P < 0,01). Im Gegensatz zu CORT wurde 11DHC bei nicht gestressten Tieren nur in der Niere und im Dickdarm nachgewiesen (Abb. 2B, ergänzende Abb. S1 online), ohne dass es signifikante Unterschiede zwischen beiden Geweben gab. Durch soziale Niederlagen stiegen die 11DHC-Spiegel in allen untersuchten Geweben; es gab jedoch signifikante Unterschiede zwischen den Geweben (einfaktorielle ANOVA, F6,25 = 11,41, P < 0,001); Die 11DHC-Spiegel waren im Dickdarm, in der Niere und in der Leber höher als in anderen Geweben (P < 0,001 oder P < 0,05).

Auswirkung sozialer Niederlage auf die Profilierung von (A) Corticosteron (CORT), (B) 11-Dehydrocorticosteron (11DHC), (C) Progesteron (PROG) und (D) 11-Desoxycorticosteron (11DOC) im Gehirn und peripheren Geweben. Die Daten sind Mittelwerte ± SEM (n = 4–5). Rote Säulen, Kontrollmäuse ohne Stress (STRG); grüne Säulen, Mäuse, die einer chronischen sozialen Niederlage ausgesetzt sind (STRESS); BC, unter dem niedrigsten Wert der Kalibrierungskurve; Hipp Hippocampus, MLN mesenterialer Lymphknoten. Die Steroidmengen wurden in ng pro mg Protein umgerechnet. Deutlich unterschiedliche Werte zwischen gestressten und nicht gestressten Mäusen: ***P < 0,001, **P < 0,01, *P < 0,05.

Ähnlich wie bei CORT erhöhte Stress die Gewebespiegel seiner Vorläufer PROG und 11DOC signifikant (Abb. 2C, D; ergänzende Abb. S1 online). Bei nicht gestressten Mäusen zeigte die einfaktorielle ANOVA signifikant unterschiedliche Gewebespiegel von PROG (einfaktorielle ANOVA, F4,19 = 28,72, P < 0,001), mit niedrigeren Werten im Kortex und im MLN als im Dickdarm, Hippocampus und in der Leber (P < 0,05 oder P < 0,001). Die Auswirkung von Stress war in allen Geweben außer der Leber offensichtlich und die Unterschiede zwischen den Gewebespiegeln von PROG blieben bei gestressten Tieren bestehen (einfaktorielle ANOVA, F6,27 = 12,73, P < 0,001). Die PROG-Spiegel im Hippocampus waren signifikant höher als die PROG-Spiegel in allen anderen Geweben (Hipp. vs. Dickdarm oder Kortex: P < 0,05; Hipp. vs. Leber, Niere oder MLN: P < 0,001; Hipp. vs. Thymus P < 0,01). Bei 11DOC erhöhte Stress die lokalen Konzentrationen dieses Steroids in allen Geweben mit Ausnahme der Leber signifikant (Abb. 2D). Die Profilierung des 11DOC-Gewebespiegels war PROG (einfaktorielle ANOVA; nicht gestresste Mäuse: F6,27 = 33,26, P < 0,001, gestresste Mäuse: einfaktorielle ANOVA, F6,28 = 10,17, P < 0,001) und dem 11DOC-Wert sehr ähnlich im Hippocampus gestresster Mäuse war signifikant höher als in allen anderen Geweben (Hipp vs. Dickdarm oder Kortex: P < 0,05; Hipp vs. Leber, Niere, MLN oder Thymus P < 0,001).

Um die funktionelle Relevanz von 11HSD1 und 11HSD2 im Gehirn und in peripheren Geweben zu untersuchen, wurde das Verhältnis von CORT/11DHC analysiert (Abb. 3A; ergänzende Abb. S2 online). Bei nicht gestressten Tieren war dieses Verhältnis im Plasma und in der Niere ähnlich, im Dickdarm jedoch zehnmal niedriger (einfaktorielle ANOVA, F2,11 = 4,83, P < 0,05). Bei gestressten Tieren unterschied sich das Verhältnis CORT/11DHC signifikant zwischen den Geweben (einfaktorielle ANOVA, F7,29 = 9,76, P < 0,001). Das Verhältnis war im Dickdarm, in der Leber, in der Niere und im MLN signifikant niedriger als im Plasma und im Gehirn (P < 0,05 oder P < 0,01). Darüber hinaus erhöhte Stress das CORT/11DHC-Verhältnis im Plasma signifikant (P < 0,01) und verringerte es in der Niere (P < 0,05).

Auswirkung sozialer Niederlage auf die Profilierung des Verhältnisses (A) CORT/11DHC, (B) PROG/11DOC, (C) CORT/PROG und (D) CORT/11DOC im Gehirn, peripheren Geweben und Plasma. Die Daten sind Mittelwerte ± SEM (n = 3–5). Rote Säulen, Kontrollmäuse ohne Stress (STRG); grüne Säulen, Mäuse, die einer chronischen sozialen Niederlage ausgesetzt sind (STRESS); ND, nicht bestimmt; Hipp, Hippocampus; MLN, mesenterialer Lymphknoten; CORT, Corticosteron; 11DHC, 11-Dehydrocorticosteron; PROG, Progesteron; 11DOC, 11-Desoxycorticosteron. Deutlich unterschiedliche Werte zwischen gestressten und nicht gestressten Mäusen: ***P < 0,001, **P < 0,01, *P < 0,05.

Es ist bekannt, dass es neben der Nebenniere Gewebe gibt, die nur einige Enzyme aus der gesamten Kaskade der De-novo-Synthese von Kortikosteroiden exprimieren18,19. Aus diesem Grund haben wir uns entschieden, auch andere Steroidverhältnisse in einzelnen Geweben zu berechnen (Abb. 3; ergänzende Abb. S2 online). Stress verringerte das PROG/11DOC-Verhältnis im Dickdarm, Hippocampus und Kortex signifikant, erhöhte jedoch das Verhältnis in MLN und Plasma; Stress veränderte das Verhältnis in der Leber nicht (Abb. 3B). Die Profilierung des PROG/11DOC-Verhältnisses zeigte signifikante Gewebeunterschiede sowohl bei unbelasteten (einfaktorielle ANOVA, F6,22 = 51,67, P < 0,001) als auch bei gestressten Tieren (einfaktorielle ANOVA, F7,31 = 18,93, P < 0,001). Bei gestressten Tieren war das PROG/11DOC-Verhältnis in lymphatischen Organen signifikant höher als in anderen Geweben (P < 0,001), wohingegen dieses Verhältnis bei nicht gestressten Mäusen im MLN und Plasma signifikant niedriger war als in anderen Geweben (P < 0,001).

Im Vergleich zu den CORT/11DHC- und PROG/11DOC-Verhältnissen erhöhte Stress sowohl die CORT/PROG- als auch die CORT/11DOC-Verhältnisse im Dickdarm, Gehirn und in der Leber signifikant (P < 0,01 oder P < 0,001), ohne dass dies Auswirkungen auf das Plasma oder das Plasma hatte Niere bzw. (Abb. 3C, D; ergänzende Abb. S2 online). Bei nicht gestressten Mäusen waren beide Verhältnisse im Plasma (Plasma und Niere für CORT/11DOC) mehr als 13-mal höher als in Leber, Gehirn und Dickdarm (CORT/PROG: einfaktorielle ANOVA, F4,16 = 15,42, P < 0,001). ; CORT/11DOC: einfaktorielle ANOVA, F5,22 = 11,64, P < 0,001). Im Gegensatz dazu erreichte das CORT/PROG-Verhältnis bei den gestressten Mäusen den höchsten Wert in der Niere (P < 0,001), wohingegen das CORT/11DOC-Verhältnis in der Leber am höchsten war (Leber vs. Niere P < 0,05; Leber vs. andere). Gewebe P < 0,001) (CORT/PROG: einfaktorielle ANOVA, F7,31 = 23,49, P < 0,001; CORT/DOC: einfaktorielle ANOVA, F7,31 = 12,14, P < 0,001).

Für die α-Diversität ergab der Kruskal-Wallis-Test keine statistisch signifikanten Unterschiede im Shannon-Index (P = 0,51) zwischen den drei Gruppen (Abb. 4A). PCoA basierend auf der Bray-Curtis-Distanz (α-Diversität) zeigte einen signifikanten Stresseffekt auf die Mikrobiom-Diversität (R2 = 0,160, P = 0,038). Wie in Abb. 4B gezeigt, lag die Gruppe der gestressten Mäuse im Schwerpunkt, während die Gruppen der verbleibenden beiden Gruppen weitgehend verstreut waren. Die relative Zusammensetzung der fäkalen Mikrobiota auf Stamm- und Familienebene war in allen Mausgruppen ähnlich und es gab keinen deutlichen Unterschied zwischen der Kontroll- und der Stressgruppe (P > 0,05). Die am häufigsten vorkommenden Stämme waren Bacillota (früher bekannt als Firmicutes) und Bacteroidota (früher bekannt als Bacteroidetes), während Lachnospiraceae und Muribaculaceae die am häufigsten vorkommenden Familien waren (Abb. 5A, B). Auf Gattungsebene waren Muribaculaceae (früher bekannt als S24-7) und Lachnospiraceae_NK4A136_group die am häufigsten vorkommenden Gattungen in allen Mäusegruppen (Abb. 5C). Um die spezifischen Taxa im fäkalen Mikrobiom in den gestressten und nicht gestressten Gruppen aufzuklären, wurde die LEfSe-Methode (LDA-Score > 2) verwendet. Laut dieser Analyse (Abb. 5D, E) standen fünf Bakteriengattungen mit Stress in der fäkalen Mikrobiota in Zusammenhang: Alistipes, Rikenella, Ruminiclostridium 5, Roseburia und Helicobacter, wohingegen Ruminoclostridium 9 die einzige Gattung war, die mit nicht gestressten Mäusen in Zusammenhang stand (CTRL-Gruppe). ). Die Gattungen aus der Gruppe Prevotellaceae NK3B31 und Parasutterella wurden mit dem fäkalen Mikrobiom von Mäusen vor der Stressbehandlung assoziiert (STAEX-Gruppe).

Auswirkung sozialer Niederlagen auf die Vielfalt der Zusammensetzung der Darmmikrobiota. (A) Boxplots, die die α-Diversität anhand des Shannon-Index in bakteriellen Mikrobiomen verschiedener Gruppen veranschaulichen (Kruskal-Wallis-Test, P = 0,51). (B) Das auf der Bray-Curtis-Distanz basierende Hauptkoordinatenanalysediagramm (PCoA) zeigte deutliche Cluster zwischen verschiedenen Gruppen. Das Konfidenzniveau der Ellipse betrug 95 %. STAEX, Kontrollproben, die vor der Stressperiode entnommen wurden (n = 7); CTRL, Proben von nicht gestressten Mäusen, die einen Monat später entnommen wurden, als Proben von der STAEX-Gruppe (n = 5); STRESS, Proben von Tieren, die über einen Zeitraum von 1 Monat gestresst waren.

Auswirkung sozialer Niederlage auf die relative Häufigkeit von Mikrobenpopulationen im Darm auf den Ebenen Stamm (A), Familie (B) und Gattung (C). Die lineare Diskriminanzanalyse-Effektgröße (LEfSe) auf Gattungsniveau im Darmmikrobiom zwischen gestressten (STRESS-Gruppe; n = 5) und Kontrolltieren (CTRL-Gruppe; n = 5) (D) und zwischen gestressten Tieren (STRESS-Gruppe) und Tieren zuvor die Stressbehandlung (STAEX-Gruppe; n = 7) (E).

Wir haben gezeigt, dass: (i) die Spiegel von CORT, 11DHC, PROG und DOC je nach Gewebe variieren, (ii) sich die lokalen Gewebespiegel nicht immer parallel zum systemischen Plasmaspiegel ändern und (iii) das Steroidprofil unterscheidet sich zwischen gestressten und nicht gestressten Mäusen. Bei gestressten Tieren waren die CORT-Spiegel in lokalen Geweben um das 19- bis 75-fache erhöht, verglichen mit einem 26-fachen Anstieg im Plasma. Die PROG- und 11DOC-Spiegel waren bei Stress in lokalen Geweben um das 1–30-fache höher, während der Plasmaspiegel von PROG um das 45-fache und der von 11DOC um das 27-fache anstieg. Eine ähnliche Hochregulierung von CORT, PROG und 11DOC wurde kürzlich im Gehirn und im Thymus präpubertärer Mäuse beobachtet, die akutem Stress ausgesetzt waren, obwohl die stimulierende Wirkung von Stress im Vergleich zu erwachsenen Tieren weniger ausgeprägt war30,31. 11DHC, ein bekannter Metabolit von 11HSD2, wurde in den meisten Geweben nicht gestresster Tiere nicht nachgewiesen, mit Ausnahme von Niere, Dickdarm und Plasma, wo Stress die 11DHC-Spiegel um das 65-, 40- bzw. Sechsfache erhöhte. Die nicht nachweisbaren Konzentrationen von 11DHC in Hirnregionen und lymphoiden Organen nicht gestresster Mäuse stimmen nicht mit den Daten von Hamden et al.18 und Salehzadeh et al.32 überein, die nachweisbare Konzentrationen dieses Steroids im Gehirn und in der Thymusdrüse berichteten. Die Gründe für diese Diskrepanz sind unbekannt, aber Unterschiede in der Empfindlichkeit und Linearität der verwendeten Methoden könnten einer davon sein. Darüber hinaus wurden die messbaren Mengen an 11DHC im Dickdarm und in der Niere unbelasteter Kontrollen nachgewiesen, also in den Geweben, die eine hohe 11HSD2-Dehydrogenase-Aktivität14 exprimieren und in denen höhere lokale Konzentrationen von 11DHC zu erwarten sind. Obwohl 11HSD2 überwiegend in Mineralocorticoid-Zielgeweben wie Niere und Dickdarm exprimiert wird14, wurde die Expression dieses Enzyms auf mRNA- oder Proteinebene auch in einigen anderen Organen, einschließlich Thymus, MLN und Milz, nachgewiesen, oft ohne klare funktionelle Bedeutung32,33 ,34. Daher könnte 11HSD2 unter basalen Bedingungen im Hippocampus, in der Hirnrinde und in den Lymphorganen inaktiv sein, oder 11DHC aus dem Blut könnte in diesen Geweben schnell durch 11HSD1 metabolisiert werden. Eine hohe Aktivität von 11HSD1, das CORT aus 11DHC regeneriert, wurde in der Leber gezeigt, aber 11HSD1 wurde auch im Gehirn, in der Thymusdrüse, in der Milz und in MLN gefunden14,16,33.

Stress erhöhte nicht nur die Plasma- und Gewebespiegel von CORT über die Werte der nicht gestressten Kontrollpersonen, sondern auch die Spiegel im Hippocampus, in der Leber und in der Niere waren höher als in anderen Geweben. Diese Ergebnisse deuten auf gewebespezifische Unterschiede der CORT-Spiegel hin, die möglicherweise auf die Sequestrierung von CORT im Gewebe durch Bindung an die MR- und GR-Rezeptoren35 oder auf die lokale Steroidogenese und/oder den Metabolismus von CORT und 11DHC über 11HSDs zurückzuführen sind. Andere haben gezeigt, dass der Hippocampus von Ratten, die einer chronischen sozialen Niederlage ausgesetzt waren, einen höheren CORT-Spiegel aufweist als der Cortex24 und dass die Dichte der Hippocampus-Kortikosteroidrezeptoren höher ist als im Cortex36. Allerdings ist ein signifikanter Anstieg der CORT/PROG- und CORT/11DOC-Verhältnisse im Gehirn zu verzeichnen bei gestressten Mäusen ohne Änderungen der entsprechenden Plasmaverhältnisse (Abb. 3, ergänzende Abb. S2 online) und die Fähigkeit des Hippocampus, PROG in CORT37 umzuwandeln, geben Hinweise auf eine lokale Produktion von Corticosteron. Darüber hinaus wurde über eine hohe Expression von 11HSD1 im Hippocampus berichtet38,39. Somit könnte der Anstieg von 11DHC aufgrund des 11HSD2-Metabolismus von peripherem CORT weiter zum erhöhten CORT im Gehirn beitragen. Das Verhältnis CORT/11DHC, das die Regeneration und Inaktivierung von Corticosteron über 11HSDs widerspiegelt, war im Plasma und Gehirn gestresster Mäuse signifikant höher als in Dickdarm, Niere, Leber und MLN. Das niedrige CORT/11DHC-Verhältnis und die relativ hohen 11DHC-Gewebespiegel im Dickdarm und in der Niere gestresster Tiere stimmen mit der hohen Aktivität von 11HSD2 überein, selbst wenn beide Gewebe 11HSD1 und 11HSD2 exprimieren. Wenn man bedenkt, dass 11HSD2 mit etwa 100-mal höherer Affinität an sein Substrat bindet als 11HSD114, könnte 11HSD2 eine dominantere Rolle im Kortikosteroidstoffwechsel in Geweben spielen, die beide Enzyme koexprimieren. Die höheren Werte des CORT/11DHC-Verhältnisses in Hirnregionen und teilweise in der Thymusdrüse als in anderen Geweben, die mit niedrigen Gewebespiegeln von 11DHC einhergehen, lassen auf eine unterschiedliche lokale Regeneration oder Akkumulation von Corticosteron schließen. Gehirn und lymphatische Organe sind Gewebe, in denen 11HSD2 fehlt oder seine Aktivität räumlich begrenzt und im Vergleich zu 11HSD1 sehr gering ist. Diese Gewebe zeigen eine signifikante 11HSD1-Aktivität, die CORT aus 11DHC16,33,39 regeneriert, und eine chronische soziale Niederlage, die die Regeneration von CORT aus 11DHC sowohl in lymphatischen Organen33 als auch im Hippocampus40 hochreguliert. Obwohl der Beitrag von Blutsteroiden zu den Gewebespiegeln nicht ausgeschlossen werden kann, zeigten Schliamser et al.41, dass der Blutgehalt des Hirngewebes zwischen 0,26 und 0,7 % schwankt, und Little et al.42 zeigten, dass der CORT-Spiegel im Hippocampus und Die Großhirnrinde wird durch die Perfusion mit Kochsalzlösung vor der Entfernung des Gehirns nicht wesentlich beeinflusst.

Stress induziert nicht nur Hyperkortikosteronämie, sondern reguliert über die Sekretion aus den Nebennieren auch die Plasmaspiegel von PROG und 11DOC, den direkten Vorläufern von CORT, hoch4,43,44. Wir haben gezeigt, dass Stress die PROG- und 11DOC-Spiegel nicht nur im Plasma, sondern auch in anderen Geweben erhöht. Hohe PROG- und 11DOC-Werte im Gehirn gestresster Mäuse, insbesondere im Hippocampus, können nicht nur auf die Anreicherung von Steroiden aus dem Blut hinweisen, sondern auch auf die De-novo-Synthese von Neurosteroiden im Gehirn45,46. Nach akutem Schwimmstress waren die PROG- und 11DOC-Spiegel im Hippocampus und anderen Gehirnregionen auf ähnliche Weise wie unsere Ergebnisse erhöht5. Ähnlich wie im Gehirn beobachteten wir erhöhte PROG- und 11DOC-Spiegel in den Lymphorganen von Mäusen, die sozialem Niederlagenstress ausgesetzt waren. Allerdings ist zu beachten, dass im Gegensatz zum Gehirngewebe das PROG/11DOC-Verhältnis in den lymphatischen Organen deutlich erhöht und nicht verringert war. Es wurde zuvor gezeigt, dass Thymus und einige Immunzellen vorgelagerte Enzyme exprimieren, die für die De-novo-Steroidogenese ohne das endgültige Glukokortikoid-synthetische Enzym Cyp11b1 erforderlich sind, und enzymatische Aktivitäten aufweisen, die mit der Produktion von PREG, PROG und 11DOC verbunden sind9,10,12,13,48. Darüber hinaus war das PROG/11DOC-Verhältnis in lymphatischen Organen signifikant höher als dieses Verhältnis im Plasma. Daher könnte das erhöhte Verhältnis in Thymus und MLN auf eine größere Versorgung mit zirkulierenden Steroiden und deren Sequestrierung in Lymphgewebe, einschließlich der Bindung an geeignete Rezeptoren, oder auf eine Hochregulierung der lokalen PROG-Synthese entweder de novo aus Cholesterin oder aus zirkulierenden Vorläufern zurückzuführen sein. Die erhöhten CORT/PROG- und CORT/11DOC-Verhältnisse bei gestressten Tieren spiegeln wahrscheinlich sowohl Unterschiede in der Sequestrierung von CORT, PROG und 11DOC wider, die de novo in der Nebenniere synthetisiert und über das Blut zu den Lymphorganen transportiert werden, als auch die Regeneration von CORT aus 11DHC16. 47.

Viele Studien haben gezeigt, dass Stress mit einem veränderten Wirtsmikrobiom verbunden ist; Höhere Cortisol-/Corticosteronspiegel können die mikrobielle Zusammensetzung des Darms verändern und die Darmmikrobiota kann die Stressreaktionen des Wirts verändern26,49,50. Unsere Ergebnisse zeigten keinen signifikanten Unterschied in der α-Diversität des fäkalen Mikrobioms von gestressten und nicht gestressten Mäusen, wir beobachteten jedoch einen signifikanten Unterschied in der β-Diversität des fäkalen Mikrobioms. In ähnlicher Weise hatte die Exposition von C57BL/6- und CD-1-Mäusen gegenüber sozialem Stress keinen Einfluss auf die α-Diversität der Darmmikrobiota des Wirts, veränderte jedoch die β-Diversität erheblich49,50. Im Gegensatz zu Mäusen konnte in einer Studie an Säuglingen kein Zusammenhang zwischen der Cortisol-Stressreaktion und der β-Diversität nachgewiesen werden, auch wenn die α-Diversität nur schwach mit der Cortisol-Stressreaktion assoziiert war51. Die relative Häufigkeit der Hauptstämme und Familien war in allen Gruppen relativ ähnlich, was das Fehlen einer direkten Verschiebung in der Struktur der Gemeinschaft zeigt, ein Befund, der zuvor bei sozial besiegten C57BL/6-Mäusen beobachtet wurde52. Die LEfSe-Analyse identifizierte jedoch mehrere Bakteriengattungen, die mit Stress assoziiert sind, wie Alistipes, Rikenella, Ruminiclostridium, Roseburia und Helicobacter. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit früheren Studien, die eine verstärkte Besiedlung des Magens durch Helicobacter pylori bei BALB/c-Mäusen, die psychischem Stress ausgesetzt waren,53, hochreguliertes Ruminoclostridium im fäkalen Mikrobiom von hitzegestressten Kaninchen54 und Alistipes bei BALB/c-Mäusen, die Gitterboden ausgesetzt waren, zeigten chronischer Stress55 oder wiederholter Stress durch Eintauchen in Wasser56. In ähnlicher Weise wurden Roseburia und Rikenella positiv mit Stress im Darmmikrobiom in Verbindung gebracht25,57,58. Darüber hinaus wurde eine positive Korrelation zwischen niedrigen Corticosteronspiegeln und einer geringen Häufigkeit von Rikenella bei gestressten Ratten beobachtet59. In anderen Studien führte chronischer Zwangsstress jedoch zu dramatischen Veränderungen der Mikrobiota des Dickdarms auf Stamm- und Gattungsebene, was mit verringerten Konzentrationen von Rikenella, Roseburia und Lachnospiraceae und erhöhten Konzentrationen von Prevotella einherging50,60. Während sozialer Stress die relative Häufigkeit von Lactobacillus in der Darmmikrobiota von CD-1-Mäusen verringerte, erhöhte er die relative Häufigkeit von Lactobacillus bei BALB/c-Mäusen (Abb. 5C). Dieses Ergebnis korreliert mit den Daten von Xu et al.61, die bei Ratten, die chronischem Stress ausgesetzt waren, erhöhte Werte mikrobieller Metaboliten, einschließlich Laktat, zeigten. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass Stress die Mikrobiomvielfalt beeinflusst und dass bestimmte Bakterientaxa als Biomarker im Zusammenhang mit Stressexposition angesehen werden können.

Zusammenfassend untersuchten wir die lokalen Konzentrationen von Kortikosteroiden in verschiedenen Gewebetypen bei nicht gestressten und chronisch gestressten männlichen Mäusen anhand eines Tiermodells sozialer Niederlage. Die Studie zeigte eine stressabhängige Hochregulierung der CORT-, 11DHC-, PROG- und 11DOC-Spiegel nicht nur im Plasma, sondern auch im Gehirn und anderen Geweben; Die Stressreaktion war jedoch gewebeabhängig und modulierte die fäkale Mikrobengemeinschaft. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Plasmaspiegel von Kortikosteroiden möglicherweise nicht immer den lokalen Werten in einzelnen Geweben entspricht und dass die Exposition gegenüber Kortikosteroiden unter Stress gewebeabhängig beeinflusst werden kann. Es bleibt jedoch die Frage offen, inwieweit diese Unterschiede auf das Ausmaß der Steroidenzymaktivitäten und der Steroidakkumulation im Gewebe (Grad der Rezeptorbindung, Blutfluss im Gewebe, Gewebeaufnahme) zurückzuführen sind.

Die während der aktuellen Studie erstellten Daten können auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor zur Verfügung gestellt werden oder sind in der GenBank hinterlegt (Sequenzierungsdaten; Zugangsnummer PRJNA896122).

McEwen, BS Physiologie und Neurobiologie von Stress und Anpassung: Zentrale Rolle des Gehirns. Physiol. Rev. 87, 873–904 (2007).

Artikel PubMed Google Scholar

Herman, JP et al. Regulierung der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Stressreaktion. Kompr. Physiol. 6, 603–621 (2016).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Sapolsky, RM, Romero, LM & Munck, AU Wie beeinflussen Glukokortikoide Stressreaktionen? Integration freizügiger, unterdrückender, stimulierender und vorbereitender Maßnahmen. Endokr. Rev. 21, 55–89 (2000).

CAS PubMed Google Scholar

Hueston, CM & Deak, T. Über den zeitlichen Verlauf, die Allgemeingültigkeit und die Regulierung der Plasma-Progesteronfreisetzung bei männlichen Ratten durch Stressexposition. Endokrinologie 155, 3527–3537 (2014).

Artikel PubMed Google Scholar

Sze, Y., Gill, AC & Brunton, PJ Geschlechtsabhängige Veränderungen der neuroaktiven Steroidkonzentrationen im Gehirn von Ratten nach akutem Schwimmstress. J. Neuroendokrinol. 30, e12644 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Cima, I. et al. Darmepithelzellen synthetisieren Glukokortikoide und regulieren die T-Zell-Aktivierung. J. Exp. Med. 200, 1635–1646 (2004).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ergang, P. et al. Die Darmmikrobiota beeinflusst die Corticosteronproduktion im Dünndarm der Maus. Int. J. Mol. Wissenschaft. 22, 4229 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ahmed, A. et al. Immun-Escape von kolorektalen Tumoren durch lokale LRH-1/Cyp11b1-vermittelte Synthese immunsuppressiver Glukokortikoide. Mol. Oncol. https://doi.org/10.1002/1878-0261.13414 (2023).

Artikel PubMed Google Scholar

Vacchio, MS, Papadopoulos, V. & Ashwell, JD Steroidproduktion im Thymus: Auswirkungen auf die Thymozytenselektion. J. Exp. Med. 179, 1835–1846 (1994).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lechner, O. et al. Glukokortikoidproduktion im murinen Thymus. EUR. J. Immunol. 30, 337–346 (2000).

3.0.CO;2-L" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F1521-4141%28200002%2930%3A2%3C337%3A%3AAID-IMMU337%3E3.0.CO%3B2-L" aria-label="Article reference 10" data-doi="10.1002/1521-4141(200002)30:23.0.CO;2-L">Artikel CAS PubMed Google Scholar

Mittelstadt, PR, Taves, MD & Ashwell, JD Auf dem neuesten Stand: Die De-novo-Glukokortikoidsynthese durch hThymus-Epithelzellen reguliert die Antigen-spezifische Thymozytenselektion. J. Immunol. 200, 1988–1994 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Jia, Y. et al. Das steroidogene Enzym Cyp11a1 reguliert die Verzerrung der CD8+-T-Zellen vom Typ 2 bei allergischen Lungenerkrankungen. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 110, 8152–8157 (2013).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mahata, B. et al. Einzelzell-RNA-Sequenzierung zeigt, dass T-Helferzellen Steroide de novo synthetisieren, um zur Immunhomöostase beizutragen. Zelle. Rep. 7, 1130–1142 (2014).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chapman, K., Holmes, M. & Seckl, J. 11β-Hydroxysteroid-Dehydrogenasen: Intrazelluläre Torwächter der Glukokortikoidwirkung im Gewebe. Physiol. Rev. 93, 1139–1206 (2013).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ergang, P. et al. Hochregulierung der 11β-Hydroxysteroid-Dehydrogenase 1 in lymphatischen Organen während einer Entzündung bei der Ratte. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 126, 19–25 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Taves, MD et al. Lymphoide Organe von neugeborenen und erwachsenen Mäusen produzieren aktive Glukokortikoide bevorzugt aus Metaboliten, nicht aus Vorläufern. Gehirnverhalten. Immun. 57, 271–281 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zhang, TY, Ding, J. Immunol. 174, 879–889 (2005).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Hamden, JE et al. Steroidprofilierung von Glukokortikoiden im mikrodissezierten Mausgehirn über die gesamte Entwicklung hinweg. Entwickler Neurobiol. 81, 189–206 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Melcangi, RC, Garcia-Segura, LM & Mensah-Nyagan, AG Neuroaktive Steroide: Stand der Technik und neue Perspektiven. Zelle. Mol. Lebenswissenschaft. 65, 777–797 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Guo, X. et al. Auswirkungen von raffiniertem Xiaoyaosan auf depressives Verhalten bei Ratten mit chronischem, unvorhersehbarem, leichtem Stress durch Neurosteroide, deren Synthese und Stoffwechselenzyme. Molecules 22, 1386 (2017).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Jamieson, PM, Fuchs, E., Flugge, G. & Seckl, JR Abschwächung der hippocampalen 11β-Hydroxysteroid-Dehydrogenase Typ 1 durch chronischen psychosozialen Stress bei der Spitzmaus. Stress 2, 123–132 (1997).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Vodička, M. et al. Mikrobiota beeinflusst die Expression von Genen, die an der Regulierung der HPA-Achse und dem lokalen Metabolismus von Glukokortikoiden bei chronischem psychosozialem Stress beteiligt sind. Gehirnverhalten. Immun. 73, 615–624 (2018).

Artikel PubMed Google Scholar

Scheer, S. et al. Eine frühzeitige Antibiotikabehandlung verstärkt die Pathogenität von CD4+-T-Zellen bei Darmentzündungen. J. Leukoc. Biol. 101, 893–900 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Croft, AP et al. Einfluss kleinerer Laboreingriffe, Adrenalektomie, sozialer Niederlage oder akutem Alkoholkonsum auf regionale Gehirnkonzentrationen von Corticosteron. Gehirnres. 1238, 12–22 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Bailey, MT et al. Die Exposition gegenüber einem sozialen Stressor verändert die Struktur der Darmmikrobiota: Auswirkungen auf die stressorinduzierte Immunmodulation. Gehirnverhalten. Immun. 25, 397–407 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

de Weerth, C. Beeinflussen Bakterien unsere Entwicklung? Übersprechen zwischen Darmmikrobiota und HPA-Achse. Neurosci. Bioverhalten. Rev. 83, 458–471 (2017).

Artikel PubMed Google Scholar

Chu, L., Huang, Y., Xu, Y., Wang, LK & Lu, Q. Eine LC-APCI+-MS/MS-basierte Methode zur Bestimmung der Konzentration von Neurosteroiden im Gehirn männlicher Mäuse mit unterschiedlichen Darmmikrobiota . J. Neurosci. Methoden 360, 109268 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Wu, XY et al. Wirkung von Pentobarbital und Isofluran auf die akute Stressreaktion bei Ratten. Physiol. Verhalten. 145, 118–121 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Mekadim, C. et al. Dysbiose des Hautmikrobioms und des Darmmikrobioms bei der Melanomprogression. BMC Mikrobiol. 22, 63 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hamden, JE et al. Isofluran-Stress induziert die Glukokortikoidproduktion in den lymphoiden Organen der Maus. J. Endocrinol. 221, 137–148 (2021).

Artikel Google Scholar

Hamden, JE et al. Isofluran-Stress induziert regionalspezifische Glukokortikoidspiegel im Gehirn neugeborener Mäuse. J. Endocrinol. 255, 61–74 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Salehzadeh, M. et al. Glukokortikoidproduktion in lymphoiden Organen: Akute Wirkungen von Lipopolysaccharid bei neugeborenen und erwachsenen Mäusen. Endokrinologie 163, bqab244 (2022).

Artikel PubMed Google Scholar

Ergang, P. et al. Soziale Niederlage stimuliert die lokale Glukokortikoid-Regeneration in lymphatischen Organen. Endokr. Verbinden. 7, 1389–1396 (2018).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Almanzar, G. et al. Expression von 11-Hydroxysteroid-Dehydrogenase Typ 2 im menschlichen Thymus. Steroide 110, 35–40 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Turner, BB Gewebeunterschiede bei der Hochregulierung von Glukokortikoid-bindenden Proteinen bei der Ratte. Endocrinology 118, 1211–1216 (1986).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Brinton, RE & McEwen, BS Regionale Unterschiede bei der Regulierung von Nebennierensteroidrezeptoren vom Typ I und Typ II im Zentralnervensystem. Neurosci. Res. Komm. 2, 37–45 (1988).

CAS Google Scholar

Higo, S. et al. Endogene Synthese von Kortikosteroiden im Hippocampus. PLoS ONE 6, e21631 (2011).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Roland, BL, Krozowski, ZS & Funder, JW Glukokortikoidrezeptor, Mineralokortikoidrezeptoren, 11β-Hydroxysteroiddehydrogenase-1- und -2-Expression im Gehirn und in der Niere von Ratten: In-situ-Studien. Mol. Zelle. Endokrinol. 111, R1-7 (1995).

Artikel PubMed Google Scholar

Rajan, V., Edwards, CR & Seckl, JR 11-Hydroxysteroid-Dehydrogenase in kultivierten Hippocampuszellen reaktiviert inertes 11β-Dehydrocorticosteron und verstärkt so die Neurotoxizität. J. Neurosci. 16, 65–70 (1996).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Vodička, M. et al. Regulierung der 11β-Hydroxysteroid-Dehydrogenase Typ 1 und der 7α-Hydroxylase CYP7B1 bei sozialem Stress. PLoS ONE 9, e89421 (2014).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Schliamser, SE, Karlsson, K., Larsson, JE, Marklund, S. & Wahlström, G. Wechselwirkung zwischen Benzylpenicillin und Thiopental im Zentralnervensystem der männlichen Ratte. Pharmakol. Toxicol. 64, 222–227 (1989).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Little, HJ et al. Selektiver Anstieg des regionalen Glukokortikoids im Gehirn: Eine neuartige Wirkung von chronischem Alkohol. Neurowissenschaften 156, 1017–1027 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kalil, B., Leite, CM, Carvalho-Lima, M. & Anselmo-Franci, JA Rolle von Sexualsteroiden bei der Reaktion von Progesteron und Corticosteron auf akuten Zwangsstress bei Ratten: Geschlechtsunterschiede. Stress 16, 452–460 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Reddy, DS Physiologische Rolle von Nebennieren-Desoxycorticosteron-abgeleiteten neuroaktiven Steroiden bei stressempfindlichen Zuständen. Neurowissenschaften 138, 911–920 (2006).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Purdy, RH, Morrow, AL, Moore, PH Jr. & Paul, SM Stressinduzierte Erhöhungen der γ-Aminobuttersäure-Typ-A-Rezeptor-aktiven Steroide im Rattengehirn. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 88, 4553–4557 (1991).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Corpéchot, C. et al. Neurosteroide: 3α-Hydroxy-5α-pregnan-20-on und seine Vorläufer im Gehirn, Plasma und steroidogenen Drüsen männlicher und weiblicher Ratten. Endocrinology 133, 1003–1009 (1993).

Artikel PubMed Google Scholar

Rocamora-Reverte, L., Reichardt, HM, Villunger, A. & Wiegers, G. Autonomer T-Zell-Tod, induziert durch Regeneration inerter Glukokortikoid-Metaboliten. Zelltod-Dis. 8, e2948 (2017).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mukhopadhyay, R., Mishra, MK, Basu, A. & Bishayi, B. Wirkung der partikulären Antigenstimulation oder der In-vivo-Verabreichung von Interleukin-6 auf den Spiegel steroidogener Enzyme in Nebennieren und Lymphgewebe von Mäusen mit paralleler Veränderung endogener entzündlicher Zytokinspiegel. Zelle. Immunol. 261, 23–28 (2010).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Galley, JD et al. Die Einwirkung eines sozialen Stressors stört die Gemeinschaftsstruktur der mit der Dickdarmschleimhaut assoziierten Mikrobiota. BMC Mikrobiol. 14, 189 (2014).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Maltz, RM et al. Sozialer Stress beeinflusst Darmentzündungen, das Darmmikrobiom sowie den Spiegel und die Rezeptoren kurzkettiger Fettsäuren. J. Pädiatr. Gastroenterol. Nutr. 68, 533–540 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Keskitalo, A. et al. Die Diversität der Darmmikrobiota, nicht aber ihre Zusammensetzung, hängt mit der Cortisol-Stressreaktion im Speichel im Alter von 2,5 Monaten zusammen. Stress 24, 551–560 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Bharwani, A. et al. Strukturelle und funktionelle Folgen von chronischem psychosozialem Stress auf das Mikrobiom und den Wirt. Psychoneuroendocrinology 63, 217–227 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Guo, G. et al. Psychischer Stress fördert die Besiedlung des Magens durch Helicobacter pylori bei der BALB/c-Maus. Stress 12, 478–485 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Bai, X. et al. Hitzestress beeinflusst die mikrobiellen und metabolischen Veränderungen im Kot von Kaninchen. Vorderseite. Mikrobiol. 12, 817615 (2022).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Bangsgaard Bendtsen, KM et al. Die Zusammensetzung der Darmmikrobiota korreliert mit dem durch den Gitterboden verursachten Stress und Verhalten bei der BALB/c-Maus. PLoS ONE 7, e46231 (2012).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Li, S. et al. Lachnospiraceae-Verschiebung in der mikrobiellen Gemeinschaft von Mäusen: Auswirkungen von Kotproben auf den Wassereintauch-Rückhaltestress. AMB Express 7, 82 (2017).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, G. et al. Einfluss von chronischem zyklischem Hitzestress auf die Darmmorphologie, den oxidativen Status und die Bakteriengemeinschaften im Blinddarm bei Broilern. J. Therm. Biol. 91, 102619 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Wang, Q. et al. Die Ergänzung mit Sesamin lindert stressbedingte Verhaltensstörungen und psychische Störungen durch die Umgestaltung der Struktur der Darmmikrobiota. J. Agrar. Lebensmittelchem. 67, 12441–12451 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Pusceddu, MM et al. N-3-mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFAs) kehren die Auswirkungen von frühem Lebensstress auf die Darmmikrobiota um. PLoS ONE 10, e0139721 (2015).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Gao, X. et al. Chronischer Stress fördert Kolitis, indem er die Darmmikrobiota stört und eine Reaktion des Immunsystems auslöst. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 115, E2960–E2969 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Xu, M., Wang, C., Krolick, KN, Shi, H. & Zhu, J. Unterschied in der Erholung des Darmmikrobioms nach Stress und sein veränderter Stoffwechsel nach chronischem Stress bei Jugendlichen bei Ratten. Wissenschaft. Rep. 10, 3950 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die Autoren möchten Ivana Muricová vom Institut für Physiologie, CAS, Prag, für ihre Unterstützung bei täglichen Aktivitäten im Zusammenhang mit Stressphasen und Probenvorbereitung danken.

Diese Studie wurde von der Czech Science Foundation Grant 21-10845S (JP) unterstützt; die Tschechische Akademie der Wissenschaften L200112201 (PPLZ-Projekt; MV) und das Landwirtschaftsministerium der Tschechischen Republik, institutionelle Unterstützung MZE-RO0423 (VD).

Institut für Physiologie, Tschechische Akademie der Wissenschaften, Vídeňská 1083, 142 00, Prag 4 – Krč, Tschechische Republik

Karla Vagnerová, Peter Ergang, Martin Vodička & Jiří Pácha

Qualität und Pflanzenprodukte, Institut für Pflanzenforschung, Prag, Tschechische Republik

Michal Jagr & Vaclav Dvořáček

Institut für Tierphysiologie und Genetik, Tschechische Akademie der Wissenschaften, Prag, Tschechische Republik

Chahrazed Mekadim, Hana Sechovcová, Kateřina Olša Fliegerová & Jakub Mrázek

Fakultät für Agrarbiologie, Lebensmittel und natürliche Ressourcen, Abteilung für Mikrobiologie, Ernährung und Diätetik, Tschechische Universität für Biowissenschaften, Prag, Tschechische Republik

Hana Sechovcová

Abteilung für Physiologie, Fakultät für Naturwissenschaften, Karls-Universität, Prag, Tschechische Republik

Jiří Pácha

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Konzeptualisierung und Design von Experimenten: KV, MV und JP; Datenerfassung und -analyse: MJ, CM, PE, HS, KOF, VD; Analyse und Interpretation von Daten: KV, CM, JM, JP; Verfassen des Manuskripts: KV, CM, JP; Finanzierungseinwerbung: JP, MV und VD Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Karla Vagnerová.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Vagnerová, K., Jágr, M., Mekadim, C. et al. Profilierung von Nebennierenkortikosteroiden im Blut und lokalen Geweben von Mäusen bei chronischem Stress. Sci Rep 13, 7278 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34395-2

Zitat herunterladen

Eingegangen: 5. Januar 2023

Angenommen: 28. April 2023

Veröffentlicht: 04. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34395-2

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.

Nachricht

Profilierung von Nebennierenkortikosteroiden im Blut und lokalen Geweben von Mäusen bei chronischem Stress