Authors:	Valeri, Francesco
Title:	The effect of aged gut microbiota transfer in Alzheimer's disease
Online publication date:	30-Nov-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	Die Alzheimer-Krankheit ist weltweit eine der häufigsten Formen von Demenz bei älteren Menschen, wobei zwischen genetischer (familiärer) und umweltbedingter (sporadischer) Form unterschieden wird. Obwohl enorme Anstrengungen unternommen wurden, gibt es derzeit keine endgültige Heilung für diese progredierende Krankheit, abgesehen von einigen medizinischen Behandlungen, die die Symptome vorübergehend lindern können. Die Ätiologie der sporadischen Form der Alzheimer-Krankheit ist komplex, da mehrere Faktoren eine Rolle spielen und die zugrunde liegenden Ursachen nicht vollständig verstanden oder identifiziert sind. In den letzten zehn Jahren hat sich die Rolle der Darmmikrobiota im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen (z. B. Morbus Parkinson und M. Alzheimer) herauskristallisiert, da sie über die Darm-Hirn-Achse die Gehirnfunktion und das Verhalten des Wirts regulieren kann. Daher wurden mehrere Studien an keimfreien Mäusen oder an Mäusen, die Antibiotika oder Probiotika erhielten, durchgeführt. Unter den auf der Mikrobiota basierenden therapeutischen Ansätzen wird die Transplantation der fäkalen Mikrobiota als mögliche therapeutische Option für die Alzheimer-Krankheit angesehen. Darüber hinaus ist das Altern der Hauptrisikofaktor für die Alzheimer-Krankheit und eine interessante Frage, die im Zusammenhang mit der Darmmikrobiota zu untersuchen ist. In dieser Arbeit wurden mit Antibiotika vorbehandelte transgene 5XFAD-Mäuse (Modell für die Alzheimer-Krankheit) akut mit fäkaler Lösung behandelt, die aus Zäkummaterial von altersgleichen (1 Monat) oder mittelalten (1 Jahr) Wildtyp-Mäusen gewonnen wurde. Anschließend wurden physiologische Parameter (z. B. Körpertemperatur), Darmmorphologie, Verhalten sowie Alzheimer- und altersbedingte Merkmale (z. B. Amyloidablagerungen und LBP) untersucht. Die kultivierbaren fäkalen Keime der Enterobacteriaceae- und Lactobacillaceae-Familien wurden als Referenzbakterien verwendet, da sie eine wichtige gegensätzliche Rolle für die Homöostase des Wirts spielen. Zunächst wurden bei mittelalten ("alten", 1 Jahr) Spendern im Vergleich zu "jungen" (1 Monat alten) Wildtypspendern höhere Konzentrationen von Enterobacteriaceae und Lactobacillaceae festgestellt. Die chronische Verabreichung von Antibiotika konnte die Ausgangswerte für Enterobacteriaceae und Lactobacillaceae im Darm sowohl der Mütter der Empfängertiere als auch der 5XFAD-Nachkommen (Empfänger) reduzieren. Anschließend wurden die Enterobacteriaceae- und Lactobacillaceae-Konzentrationen in den 5XFAD-Empfängermäusen 1 und 6 Wochen nach der Verabreichung der Fäkalienlösung von Wildtyp-Spendern untersucht. Interessanterweise wurden zu beiden Zeitpunkten signifikant höhere Lactobacillaceae-Konzentrationen festgestellt, was darauf hindeutet, dass ein einmaliger, akuter Transfer von Zäkummaterial von älteren Spendern in der Lage war, zumindest teilweise einen gealterten Phänotyp bei den Empfängertieren zu etablieren. Als weitere Analyse bestätigte die qPCR eine verringerte Menge an Firmicutes sowohl bei den älteren Spendern als auch bei den mit Zäkuminhalt von alten Spendern behandelten 5XFAD-Mäusen. Verhaltenstests, mit denen Gedächtnisverluste sowie Angst- und Depressionsähnliche Verhaltensweisen, die mit der AD-Pathologie in Verbindung gebracht werden, beurteilt werden (d. h. Nesting-Test, Radialarm-Wasserlabyrinth, T-Labyrinth und Neophobie-Test), zeigten keine Unterschiede aufgrund der erhaltenen Behandlungen, was auf das vergleichsweise junge Alter der Empfängertiere zurückzuführen sein könnte. Einige der untersuchten Duodenalstrukturen (d.h. Zottenlänge, Submukosa- und Muskeldicke), von denen bekannt ist, dass sie eine entscheidende Funktion bei den Absorptions- und Stoffwechselprozessen ausüben, wiesen bei 5XFAD-Mäusen, die Zäkuminhalt von alten Spendern erhielten, eine deutlich veränderte Morphologie auf. Zu den physiologischen Merkmalen, die mit dem Alterungsprozess in Verbindung gebracht werden, gehört eine niedrigere Körpertemperatur bei den Empfängern von altem Spendermaterial. Dies und ein erhöhter Spiegel des Lipopolysaccharid-Bindungsproteins im Serum (LBP), eines Entzündungsproteins, das mit der Darmpermeabilität bei Erwachsenen und der Darmmikrobiota in Verbindung gebracht wird, deutet auf eine mögliche Übertragung von altersbedingten Merkmalen bei den Empfängermäusen hin. Darüber hinaus zeigten Analysen einiger mit der Alzheimer-Krankheit assoziierter Hirnregionen (z. B. präfrontaler Kortex und Gyrus dentatus) eine höhere Plaque-Belastung bei 5XFAD-Mäusen nach dem Transfer von Material älterer Tiere, was auf eine Verschlimmerung der mit der Transplantation verbundenen Pathologie schließen lässt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass gesunde Wildtypspender in der Lage waren, einige mit der Alterung verbundene Merkmale in einem Mausmodell für die Alzheimer-Krankheit zu übertragen und letztlich die frühen pathologischen Merkmale negativ zu beeinflussen. Frühere Berichte haben gezeigt, dass die Gefahr besteht, dass Pathologien, die mit der Darmmikrobiota in Verbindung stehen, wie Diabetes oder Fettleibigkeit, auf die Empfängermäuse übertragen werden. Unter den Umweltfaktoren, von denen bekannt ist, dass sie die Pathogenese der sporadischen Alzheimer-Krankheit beeinflussen, wurde in einer Vielzahl von Tier- und Humanstudien eine wiederholte Belastung durch Stress festgestellt. In dieser Arbeit wurde die Rolle von Stress in Bezug auf die Aktivierung der enterischen Neuronen bei Tamoxifen-induzierten Arc-sfGFP-Mäusen (im Alter von 4 Wochen) untersucht, die einem chronischen Stressparadigma der sozialen Niederlage ausgesetzt waren. Interessanterweise zeigten die Mäuse, die dem Stressparadigma ausgesetzt waren, eine signifikant höhere Anzahl GFP-positiver Neuronen im myenterischen Plexus des Ileums im Vergleich zu Kontrollmäusen, die keinem Stress durch chronische soziale Niederlage ausgesetzt waren. Weitere Studien sind erforderlich, um die Mechanismen zu erforschen, die dem Zusammenhang zwischen Stressereignissen und der Aktivierung der enteralen Neuronen zugrunde liegen, und um herauszufinden, ob das Mikrobiom in diesem Paradigma eine aktive Rolle spielt oder durch den Stress ebenfalls maßgeblich beeinflusst wird. Alzheimer’s disease represents one of the most common forms of dementia among the elderly worldwide divided into genetic (familial) and environmental (sporadic) forms. Although enormous effort has been carried out, currently there is not a definitive cure for this debilitating disease aside from some medical treatments that can temporarily reduce the symptoms. The etiology of Alzheimer’s disease sporadic form is complex as several factors have been involved and the underlying causes are not completely understood or identified. In the last decade, the role of the gut microbiota has been emerged in relation to neurodegenerative disorders (e.g., Parkinson’s and Alzheimer’s diseases) as it regulates the host brain function and behavior through the gut-brain axis. Therefore, several studies have been conducted on germ-free mice or mice subjected to antibiotics or probiotics. Among the microbiota-based therapeutic approaches, the fecal microbiota transplant has been considered as a valid therapeutic option for Alzheimer’s disease. In addition, aging is the main risk factor for Alzheimer's disease and an intriguing question to address in relation to the gut microbiota. In this thesis, antibiotics-pretreated transgenic 5XFAD mice for Alzheimer’s disease were acutely administrated with fecal solution provided by cecal material of age-matched (1-month-old, “young”) or middle aged (12-months-old, “old”) wild type mice. Then, physiological parameters (e.g., body temperature), gut morphology, behavioral tasks, and Alzheimer’s disease and aging related hallmarks (e.g., amyloid deposition and LBP) were addressed. Cultivatable fecal Enterobacteriaceae and Lactobacillaceae families were used as reference bacteria since they exert a main opposite role on the host homeostasis. Firstly, higher levels of Enterobacteriaceae and Lactobacillaceae were assessed in middle aged compared to young wild type donors. Chronic antibiotics administration was able to reduce the baseline Enterobacteriaceae and Lactobacillaceae levels in the gut of both, dams and 5XFAD offspring mice. Then, Enterobacteriaceae and Lactobacillaceae levels were monitored in recipient 5XFAD mice at 1 and 6 weeks after having received fecal solution from wild type donors. Interestingly, significantly higher Lactobacillaceae levels were detected at both set time points, suggesting that a single-time, acute transfer of cecal material from the older donors was able to establish, at least partially, an aged phenotype in the recipient animals. As a further analysis, qPCR confirmed a decreased amount of Firmicutes in both donors’ and in 5XFAD mice treated with cecal content from old donors. Behavioral tests, used to assess memory decline as well as anxiety- and depressive-like behaviors associated to AD pathology (i.e., nesting test, radial arm water maze, T-maze and neophobia test), revealed lack of differences due to the received treatments, which might be due to the comparably young age of the recipient animals. Some of the investigated duodenum structures (i.e., villus length, submucosa and muscularis thickness), known to exerts a crucial function in the absorption and metabolism processes, showed significantly altered morphology in 5XFAD mice that received cecal content from old donors. Among the physiological features associated to the aging process, recipients of old donor material displayed lower body temperature. This, together with an increased level of serum lipopolysaccharide binding protein, an inflammation protein associated to intestinal permeability in adults and to gut microbiota, indicates a possible transmission of aging-related features in recipient mice. In addition, analyses of some of the brain regions (i.e., prefrontal cortex and dentate gyrus) associated to Alzheimer’s disease showed higher plaque load in 5XFAD mice after transfer of material from older animals, suggesting a worsening of the pathology associated to the transplantation. In conclusion, healthy wild type donors were able to transmit some features associated to aging in a mouse model for Alzheimer’s disease and ultimately affected its early pathological hallmarks. Previous reports revealed the risks of transmitting pathologies associated to gut microbiota, such as diabetes or obesity, into the recipient mice. Therefore, anatomic and environmental differences between humans and mouse models need to be considered in experimental design. Among the environmental factors known to influence the pathogenesis in sporadic Alzheimer’s disease, repeated exposure to stress has been reported in a wide variety of animal and human studies. Finally, in this thesis, the role of stress has been investigated in relation to enteric neurons activation in Tamoxifen-induced Arc-sfGFP mice (aged 4 weeks) subjected to chronic social defeat stress paradigm. Interestingly, mice subjected to stress paradigm showed significantly higher GFP-positive neurons cell counts in the ileum intestine myenteric plexus as compared to control mice that were not exposed to chronic social defeat. Further studies are required to shed light on the mechanisms underlying the connection between stressful events and the enteric neuron activation and if the microbiome plays an active role in this paradigm.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-9672
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-eece5069-c912-4bbb-a00c-118be26e94495
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	132 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen