Riassunto analitico
L'asse intestino-cervello (Gut-Brain Axis, GBA) descrive la comunicazione bidirezionale tra il tratto gastrointestinale e il sistema nervoso centrale, coinvolgendo segnalazioni neuronali, endocrine ed immunitarie. Questo asse regola vari processi fisiologici, inclusa l'infiammazione e le risposte immunitarie. Nel contesto dell'infiammazione, diversi mediatori facilitano la comunicazione lungo la GBA, tra cui citochine proinfiammatorie e i metaboliti della via della chinurenina (kynurenine pathway, KP), il principale percorso del metabolismo del triptofano, che a loro volta possono viaggiare attraverso il flusso sanguigno e attraversare la barriera emato-encefalica, portando a neuroinfiammazione, un fattore implicato in molte malattie cerebrali. D'altra parte, l'esposizione a un ambiente arricchito (enriched environment, EE) sta emergendo come una promettente strategia per regolare la GBA. In questa tesi, abbiamo impiegato uno studio sistematico basato su analisi metaboliche e trascrizionali per indagare se l'esposizione a diverse condizioni ambientali (ambienti impoveriti e arricchiti) possa influenzare la via KP e i marcatori infiammatori nell'intestino di topi maschi adulti, modello di infiammazione indotta da lipopolisaccaride (LPS). Questo modello è stato ampiamente utilizzato per comprendere il ruolo della neuroinfiammazione nello sviluppo delle malattie psichiatriche.
In particolare, sono stati valutati metaboliti della KP e la trascrizione degli enzimi della via e delle citochine proinfiammatorie in diverse regioni intestinali (ileo e colon mediale, distale e prossimale).
Ventiquattro topi maschi sono stati esposti a condizioni arricchite (N=12) o impoverite (N=12) per 28 giorni. Successivamente, i topi di entrambi gli ambienti sono stati iniettati con soluzione salina (N=6) o LPS 830 μg/kg/ip (N=6). Gli animali sono stati sacrificati 24 ore dopo il trattamento. La Principal Component Analyses (PCA) è stata utilizzata per predire le differenze tra le regioni intestinali basate su un algoritmo di imputazione bottom-up che ha analizzato i diversi livelli dei metaboliti forniti.
I metaboliti e i livelli di mRNA delle molecole target sono stati valutati nell'ileo e nel colon prossimale tramite cromatografia liquida ad alte prestazioni – spettrometria di massa (HPLC-MS/MS) e reazione a catena della polimerasi quantitativa in tempo reale (RT-qPCR). In generale, questo studio ha rivelato che l'arricchimento ambientale può attenuare l'attivazione della KP e favorire la sintesi di metaboliti neuroprotettivi rispetto a quelli neurotossici in entrambi i tratti intestinali. D'altra parte, l’LPS porta a un aumento dell'espressione degli enzimi della KP, particolarmente nel colon prossimale dei topi esposti a ambienti impoveriti. Inoltre, è emerso che l'ambiente arricchito, anche in uno stato basale, è sufficiente per potenziare la sintesi della serotonina e indebolire l'espressione delle citochine proinfiammatorie. È interessante notare che l'ambiente arricchito ha comportato una significativa up-regulation di mRNA di un importante target di neuroplasticità, il BDNF, nel colon prossimale, sottolineando ulteriormente il dialogo tra l'intestino e il cervello. I risultati di questo studio hanno aperto la strada a futuri studi volti a fornire nuove intuizioni sull'eziologia delle malattie neuroinfiammatorie, portando infine a trattamenti più efficaci ed a un miglioramento della qualità della vita per gli individui affetti.
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Abstract
The gut-brain axis (GBA) describes the bidirectional communication between the gastrointestinal tract and the central nervous system, involving neural, endocrine, and immune signalling. This axis regulates various physiological processes, including inflammation and immune responses. In the context of inflammation, several mediators facilitate communication along the GBA, including proinflammatory cytokines and the metabolites of the kynurenine pathway (KP), the main route of tryptophan metabolism, which, in turn, can travel through the bloodstream and cross the blood-brain barrier, leading to neuroinflammation, a factor implicated in many brain diseases. On the other hand, exposure to an enriched environment (EE) is emerging as a promising strategy for regulating the GBA. In this thesis, we employed a systematic study based on the metabolic and transcriptional analyses to investigate whether exposure to different environmental conditions (i.e., impoverished and enriched environments) may influence the KP pathway and inflammatory markers in the gut of adult male mice, model of lipopolysaccharide (LPS)-induced inflammation. The latter model has been widely used to understand the role of neuroinflammation in the development of psychiatric diseases.
In particular, KP metabolites and the transcription of the enzymes of the pathway and of proinflammatory cytokines were evaluated in different gut regions (i.e., ileum and medial, distal, and proximal colon).
Twenty-four male mice were exposed to enriched (N=12) or impoverished conditions (N=12) for 28 days. Subsequently, mice from both environments were injected with either saline (N=6) or LPS 830 μg/kg/ip (N=6). Animals were sacrificed 24 hours after treatment. Principal Component Analyses were employed to predict the differences between the gut regions based on a bottom-up algorithm imputation that analysed the different metabolites’ levels provided.
The metabolites and mRNA levels of target molecules were evaluated in the ileum and proximal colon through High-Performance Liquid Chromatography – Mass Spectrometry (HPLC-MS/MS) and Real-Time quantitative Polymerase Chain Reaction (RT-qPCR). Overall, this study revealed that environmental enrichment can attenuate KP activation and promote the synthesis of neuroprotective metabolites over neurotoxic ones in both intestinal tracts. On the other hand, LPS leads to increased expression of KP enzymes, particularly in the proximal colon of mice exposed to impoverished environments. Furthermore, it emerged that the enriched environment, even in a basal state, is sufficient to enhance serotonin synthesis and weaken the expression of proinflammatory cytokines. Interestingly, the enriched environment resulted in a significant up-regulation of the mRNA level of a key neuroplasticity target, BDNF, in the proximal colon, further remarking the cross-talk between the gut and the brain. The results of this study paved the way for future studies aimed at providing new insights into the aetiology of neuroinflammatory diseases, ultimately leading to more effective treatments and improved quality of life for affected individuals.
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