側坐核の転写プロファイルと慢性モルヒネに対するトランスクリプトーム応答に対する無菌状態の影響

分子・細胞性神経科学
オンライン版2023年6月12日発売、103874号
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側坐核の転写プロファイルと慢性モルヒネに対するトランスクリプトーム応答に対する無菌状態の影響

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1044743123000684?CMX_ID=&SIS_ID=&dgcid=STMJ_AUTH_SERV_PUBLISHED&utm_acid=268419638&utm_campaign=STMJ_AUTH_SERV_PUBLISHED&utm_in=DM380756&utm_medium=email&utm_source=AC_

著者リンクオーバーレイパネルJonathon P. Sens a, Rebecca S. Hofford a b, Drew D. Kiraly a b c d 1
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引用元
https://doi.org/10.1016/j.mcn.2023.103874Get 権利と内容
要旨
オピオイド使用障害は、患者に多大な苦痛を与えるだけでなく、社会に多大な社会的・経済的コストをもたらす公衆衛生上の危機である。現在、オピオイド使用障害の患者さんには利用可能な治療法がありますが、多くの患者さんにとって耐えられないか、効果がないままです。そのため、この領域における治療薬開発の新たな道を開拓する必要性は非常に高い。オピオイド使用障害を含む物質使用障害のモデルにおいて、乱用薬物に長期間さらされると、辺縁系部分構造において顕著な転写およびエピジェネティックな調節異常が生じることが実証されている。このような薬物に対する遺伝子制御の変化は、薬物摂取や薬物探索行動を永続させる重要な原動力であると広く信じられている。したがって、乱用薬物に反応する転写制御を形成しうる介入策の開発は、高い価値を持つことになる。過去10年間、消化管の常在菌（総称して腸内細菌叢）が神経生物学や行動の可塑性に多大な影響を与えることを実証する研究が急増している。私たちのグループや他の研究者によるこれまでの研究では、腸内細菌叢の変化が複数のパラダイムでオピオイドに対する行動反応を変化させることが実証されています。さらに、抗生物質による腸内細菌叢の枯渇が、モルヒネ長期曝露後の側坐核のトランスクリプトームを著しく変化させることも、以前に報告しました。本論文では、無菌マウス、抗生物質処理マウス、コントロールマウスを用い、モルヒネ投与後の側坐核の転写制御に及ぼす腸内細菌叢の影響について包括的に解析した結果を報告する。これにより、モルヒネに対する反応だけでなく、ベースラインの転写制御におけるマイクロバイオームの役割を詳細に理解することができる。その結果、抗生物質で治療した成体マウスとは異なる方法で、無菌状態が顕著な遺伝子調節異常をもたらし、変化した遺伝子経路は細胞の代謝プロセスに大きく関連していることがわかりました。これらのデータは、脳機能の調節における腸内細菌叢の役割について新たな知見を提供し、この分野におけるさらなる研究の基礎を築くものである。
はじめに
オピオイド使用障害（OUD）は、慢性的な精神疾患であり、悪影響があるにもかかわらず薬物摂取量が増加し、コントロールできなくなること、断薬期間と再発が頻繁に起こること、そしてあまりにも頻繁に致命的な過剰摂取に陥ることが特徴です。近年、OUDが医学界や研究界から多大な注目を浴びているにもかかわらず、過剰摂取と再発の割合は近年増加の一途を辿っています（Hedegaard et al.、2018）。OUDの負担を軽減するために現在利用可能な薬物療法がありますが、これらの治療は、あまりにも多くの人にとって効果がない、または耐えられないままです。社会的スティグマ、効果のない医療トレーニング、医療格差により、かなりの数の患者がオピオイド使用からの断薬に失敗しています（Kreekら、2019； Pessarら、2021； Dydykら、2022）。治療薬開発のための新規ターゲットの同定は、この分野にとって重要なニーズです。
物質使用障害の根底にある正確な神経生物学はまだ完全に解明されていませんが、オピオイドやその他の乱用薬物に対する行動反応の根底には、トランスクリプトームやエピジェネティックな効果が重要な役割を果たしていることを示す、確固たる研究群が存在します。乱用薬物に長期間さらされると、主要な大脳辺縁系核においてトランスクリプトーム上の変化が生じ、それは最後に薬物にさらされた後も長く続くことがある（McClung and Nestler, 2003; Robison and Nestler, 2011; Eipper-Mains et al, 2013）。このような遺伝子発現の変化は、重要な脳領域の機能的変化と関連し、薬物摂取や薬物探索行動を促す可能性があります。最近の研究では、薬物使用の持続的な効果は、転写因子の活性の変化、および刺激に応答して遺伝子が転写される傾向を変化させるエピジェネティックライターとイレイザーに起因するとされている（Renthalら、2009； Walkerら、2015； Nestlerら、2016； Browneら、2020）。このメカニズム研究の大部分は、OUDおよび他の物質使用障害の動物モデルで行われてきたが、同様の効果は、OUDのヒト患者でも実証されている（Egervari et al.、2017）。
OUDおよび他の物質使用障害のモデルにおける転写およびエピジェネティックな制御を検討する研究のほとんどは、中枢神経系（CNS）に焦点を当てている。しかし、最近の研究では、末梢因子がCNSの転写ホメオスタシスを維持する上で重要な役割を果たすことが示唆されています。過去10年間の研究により、腸内細菌と総称される腸管を占める細菌の集団が、脳内の転写ランドスケープの重要な制御因子であることが明らかになりました。マイクロバイオームを持たない完全無菌環境で育てたジャームフリー（GF）マウスは、前頭皮質や扁桃体を含む複数の脳領域で転写パターンが著しく変化します（Gaciasら、2016；Hobanら、2016、Hobanら、2018；Chuら、2019）。具体的には、GFマウスのミクログリアは、トランスクリプトームおよびエピジェネティックプロファイルが著しく異なり、これは正常なマイクロバイオームによるコロニー形成によって少なくとも部分的に可逆的である（Erny et al., 2015; Thion et al., 2018）。この効果は、マイクロバイオームを持ったことのないマウスにだけ見られるわけではありません。マイクロバイオームの嵩と複雑さを減らすために広域スペクトル抗生物質（Abx）を投与された成体マウスは、複数の脳領域でも転写制御を変化させています。例えば、Abx処理マウスの単一核配列決定では、前頭前野のすべてのニューロンおよびグリア細胞タイプにおける多数の遺伝子の制御が示されています（Chu et al., 2019）。
重要なのは、私たちのグループや他の研究者による研究により、マイクロバイオームとオピオイドに対する行動および転写反応との間の強固な相互作用が確認されたことです。マイクロバイオームの枯渇が、オピオイドに対する耐性およびオピオイド離脱症状の発現を変化させることが多数の報告で明らかにされています（Lee et al., 2018; Wang et al., 2018; Zhang et al., 2019; Jalodia et al., 2022）。我々は最近、Abxカクテルが広い用量範囲にわたってモルヒネに対する運動器感作および条件付場所選好を有意に低減することを報告した（Hofford et al.、2021）。また、Abxによるマイクロバイオームの枯渇は、オキシコドンとフェンタニルの両方の自己投与を促進する（Hofford et al., 2022; Simpson et al.） 最近の研究では、側坐核（NAc）において、マイクロバイオームの状態とモルヒネ治療との間に有意な転写相互作用があることを発見しました。薬物曝露を伴わないマイクロバイオーム枯渇はNAcの遺伝子発現にわずかな変化をもたらすだけだったが、マイクロバイオーム枯渇とモルヒネ反復投与の組み合わせは、トランスクリプトーム全体の遺伝子発現を強固に調節した（Hofford et al.、2021）。マイクロバイオーム枯渇による行動および転写の影響は、マイクロバイオーム由来の代謝産物である短鎖脂肪酸（SCFA）のカクテルによる補充によってほぼ可逆的であり、これらの細菌副産物がこの腸-脳シグナルの潜在的メカニズムであることが示唆された。
我々の前回の研究は、成体動物におけるマイクロバイオームの操作がオピオイドに応答する転写制御にどのような影響を与えるかについて重要な情報を提供したが、Abxを投与したマウスにはまだ腸内に抗生物質耐性菌の集団が存在し、大腸細菌の枯渇により非細菌性微生物の増殖が影響を受けることがある。ここでは、生理食塩水またはモルヒネを7日間投与したGFマウスのNAcトランスクリプトームの解析を行い、この重要な辺縁系報酬構造における転写制御に対する微生物群の生涯にわたる完全枯渇の影響についての洞察を提供します。この領域におけるマイクロバイオームによる強固な転写変化に関する我々の以前の知見（Hofford et al.、2021年）、および依存症様行動の駆動におけるNAcの重要性を示す広範な文献（Robison and Nestler、2011年）から、NAcはより深く分析するのに適したターゲットと考えられた。これらの新たな解析は、前回の研究のトランスクリプトーム解析と統合され、成人期初期の長期的なGF状態とマイクロバイオームの枯渇によって誘発される遺伝子発現のパターンを特定するために行われました。その結果、生理食塩水投与後のGFマウスのトランスクリプトームには、従来のマウスと比較して顕著な変化があることがわかりましたが、モルヒネ投与後のGFマウスの遺伝子発現にはわずかな変化しかないことが示されました。これらの知見は、発育期を含む中枢神経系における遺伝子発現の調節におけるマイクロバイオームの役割について、重要な追加情報を提供するものである。
セクションの抜粋
動物たち
本解析において、従来型飼育マウスは、Hoffordらによる2021年の公開原稿に記載されており、したがって、従来型マウスのすべての方法はその原稿（Hoffordら、2021）と同一である。従来飼育のC57BL／6J雄マウス（7〜9週齢、Jackson Laboratories）は、湿度および温度制御された病原体のないコロニー施設で、24時間の明暗サイクル（午前7時に点灯、午後7時に消灯）で集団飼育された。すべての試験は、以下の環境で行われた。
結果
この実験では、マウスを3つの異なるマイクロバイオーム状態群に分類しました（図1）。すなわち、対照水（H2O）で飼育した従来型マウス、モルヒネ投与開始の2週間前から広範な抗生物質を投与し、その後も抗生物質を投与し続けた従来型マウス（Abx）、そして出生時から無菌状態の第3グループ（GF）です。全群のマウスに生理食塩水または高用量（20mg/kg）モルヒネを毎日注射し、7日間投与した。
考察
乱用薬物に対する細胞および分子応答に対する腸内細菌叢の寄与を検討する研究の数が増えている（Kiralyら、2016；Leeら、2018；Zhangら、2019；Hoffordら、2021、Hoffordら、2022；Simpsonら、2022；García-Cabrerizoら、2023）。マイクロバイオームを変化させるために使用される利用可能なツールのうち、最も一般的なものは、経口Abxの投与とGF動物の使用の2つです。どちらの方法にも利点があり、以下のような適切な応用が可能です。
CRediTの著者の貢献声明
R.S.H.とD.D.K.は、動物実験を行った。J.P.S.、R.S.H.、D.D.K.はデータ解析と図表作成を行った。すべての著者が原稿の起草と編集に貢献した。
非合理的な参考文献
トーレら、2018年
競合する利益に関する宣言
著者らは、この仕事について金銭的またはその他の利益相反がないことを宣言する。
謝辞（Acknowledgements
本研究は、D.D.K.へのNIHグラントDA051551およびR.S.H.へのDA050906に加えて、D.D.K.とR.S.Hの両者にNARSAD Young Investigator Awardsの支援を受け、MorphineはNIDA drug supply programから提供を受けた。Kavya Devarakonda博士は、本原稿の最終稿の重要な編集に貢献した。
参考文献(51)
C.J. Browne et al.
オピオイド中毒のエピジェネティックメカニズム
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強迫性アルコール依存症モデルにおける腸内細菌叢と線条体ドパミン受容体発現の変化との関連性
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食物繊維から宿主生理へ：重要な細菌代謝産物としての短鎖脂肪酸
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Behav. Brain Res.
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F.L.A. Rabelo et al.
カスパーゼ依存的なメカニズムによるERK1/2およびCREBリン酸化の阻害は、酪酸で処理した線維肉腫細胞株におけるアポトーシスを促進する
Biochem. Biophys. Res. Commun.
(2003)
W. Renthal et al.
コカインによるクロマチン制御のゲノムワイド解析から、サーチュインの役割が明らかになった
Neuron
(2009)
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