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N6-甲基腺苷相关调节因子与骨关节炎:生物信息学和实验验证分析

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中国组织工程研究 2024年第11期28卷 1724-1729页

作者：袁长深廖书宁李哲官岩兵吴思萍胡琪梅其杰段戡广西中医药大学第一附属医院四肢骨伤科广西壮族自治区南宁市530023 广西中医药大学研究生院广西壮族自治区南宁市530000

背景:越来越多证据表明N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine,m6A)调节因子与骨关节炎密切相关,被认为是防治骨关节炎新方向,但具体作用机制不明。目的:通过对骨关节炎基因芯片数据集进行生物信息学分析,探讨m6A对骨关节炎的作用,解析骨关节... 详细信息

背景:越来越多证据表明N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine,m6A)调节因子与骨关节炎密切相关,被认为是防治骨关节炎新方向,但具体作用机制不明。目的:通过对骨关节炎基因芯片数据集进行生物信息学分析,探讨m6A对骨关节炎的作用,解析骨关节炎发病机制。方法:首先利用R软件提取GEO数据库中GSE1919数据集中骨关节炎相关m6A调节因子及其表达量,进而对提取结果行基因差异分析及GO、KEGG富集分析;接着对PPI网络拓扑学分析结果和机器学习结果取交集得到m6A关键调节因子,并通过体外细胞实验验证。结果与结论:①提取得到16个骨关节炎相关m6A调节因子表达量,通过差异分析获得ZC3H13、YTHDC1、YTHDF3、HNRNPC等11个m6A差异调节因子;②GO富集分析显示,骨关节炎相关m6A差异调节因子在生物过程中主要于mRNA转运、RNA分解代谢、胰岛素样生长因子受体信号通路调控等发挥作用;③KEGG富集分析显示,差异调节因子主要参与p53、白细胞介素17和AMPK信号通路;④综合PPI网络拓扑学分析和机器学习结果获得m6A关键调节因子——YTHDC1;⑤体外细胞实验结果表明,m6A关键调节因子——YTHDC1在对照组与骨关节炎组中表达存在显著差异(P<0.05);⑥结果显示,YTHDC1与骨关节炎发生发展密切相关,有望成为m6A治疗骨关节炎的分子靶点。

关键词：骨关节炎 N6-甲基腺苷生物信息学机器学习调节因子软骨细胞实验验证

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生物力学作用对成骨细胞生物特性的影响

中国组织工程研究 2024年第21期28卷 3407-3412页

作者：熊婉琦李振豪崔焱刘家河李陈致吴铭健李炎城杨帆刘保一大连大学附属中山医院辽宁省大连市116001 中国科学院金属研究所辽宁省沈阳市110000

背景:骨形成是成骨细胞合成和分泌类骨质并促进其矿化的过程,在此过程中普遍存在力学信号转导。成骨细胞在体内主要受到重力、压应力、拉伸力、流体剪切力和静水压力等力学因素的调节,不同的力学作用通过激素、细胞骨架蛋白和微小RNA等... 详细信息

背景:骨形成是成骨细胞合成和分泌类骨质并促进其矿化的过程,在此过程中普遍存在力学信号转导。成骨细胞在体内主要受到重力、压应力、拉伸力、流体剪切力和静水压力等力学因素的调节,不同的力学作用通过激素、细胞骨架蛋白和微小RNA等调节成骨细胞的增殖、分化和凋亡等生物特性。通过明确生物力学作用对成骨细胞的影响,为成骨细胞在骨代谢疾病中的治疗提供思路及参考依据。目的:综述不同生物力学作用对成骨细胞生物特性的影响。方法:采用PubMed、Web of Science、FMRS、中国知网及万方数据库进行文献检索,检索2000-2023年发表的相关文献,纳入与生物力学作用对成骨细胞影响有关的包括基础研究及组织工程研究在内的所有文献,最终对70篇文献进行综述。结果与结论:不同生物力学作用对成骨细胞的增殖、分化和凋亡等生物特性产生影响,这些影响和作用力的强度和时间相关,具体作用如下:①微重力条件下,成骨细胞的增殖和分化受到抑制,导致骨密度下降,从而形成骨质疏松症。②相比于微重力,超重力对成骨细胞的增殖产生促进作用。③压应力对成骨细胞的影响存在加载强度和时间的依赖性。适宜的压应力可促进成骨细胞的增殖和分化,有益于骨组织的形成和修复;而过度的压应力则会导致成骨细胞凋亡和骨组织的破坏。④在成骨细胞上施加不同类型的拉伸力,其生物学效应存在差异。研究表明,伸长率在0-12%的范围内对成骨细胞的增殖有促进作用。⑤流体剪切力具有促进成骨细胞增殖和分化的作用,同时还能够增强生物材料的骨诱导作用。⑥静水压可以对成骨细胞的增殖、分化和凋亡等生物学行为产生影响,这些作用与静水压施加的时间和强度密切相关。研究不同生物力学作用对成骨细胞的影响,对于深入理解骨生长和维护机制具有重要意义。

关键词：成骨细胞生物力学生物特性信号通路机械转导微小RNA 骨代谢骨质疏松

机器学习联合生物信息学鉴定骨关节炎细胞衰老关键基因及验证

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中国组织工程研究 2024年第20期28卷 3196-3201页

作者：袁长深廖书宁李哲吴思萍陈乐伟刘晋邑李彦宏段戡广西中医药大学第一附属医院四肢骨伤科广西壮族自治区南宁市530023 广西中医药大学研究生院广西壮族自治区南宁市530000

背景:细胞衰老与骨关节炎的发生、发展密切相关,但具体作用靶点及调控机制尚不清楚。目的:综合生物信息学和机器学习方法挖掘细胞衰老介导骨关节炎的关键基因,并利用实验加以验证,探讨细胞衰老在骨关节炎中的作用。方法:从GEO数据库中... 详细信息

背景:细胞衰老与骨关节炎的发生、发展密切相关,但具体作用靶点及调控机制尚不清楚。目的:综合生物信息学和机器学习方法挖掘细胞衰老介导骨关节炎的关键基因,并利用实验加以验证,探讨细胞衰老在骨关节炎中的作用。方法:从GEO数据库中获得骨关节炎基因表达谱以及从CellAge数据库中获得细胞衰老相关基因,二者取交集并提取交集基因表达量进行差异分析,然后对差异基因进行GO和KEGG分析,接着通过PPI网络分析和机器学习筛选骨关节炎细胞衰老关键基因,并进行体外细胞实验验证,采用qPCR方法检测关键基因的表达。结果与结论:①获得31个骨关节炎细胞衰老差异基因,GO分析显示主要参与白细胞分化调节、单核细胞分化、T细胞分化调节等生物过程,在DNA转录因子结合、组蛋白去乙酰化酶结合、染色质DNA结合、趋化因子结合中发挥作用;②KEGG分析表明骨关节炎细胞衰老差异基因主要在JAK/STAT信号通路、PI3K/Akt信号通路、FoxO信号通路中被激活;③通过PPI网络拓扑学分析和机器学习方法筛选出骨关节炎细胞衰老关键基因MYC;④体外细胞实验结果表明,实验组骨关节炎软骨细胞中MYC mRNA表达明显低于对照组(正常软骨细胞),差异有显著性意义(P<0.05);⑤结果表明,MYC可作为骨关节炎细胞衰老的关键基因,可能通过介导免疫应答、炎症反应和转录调控等成为骨关节炎防治的新靶标。

关键词：骨关节炎细胞衰老关键基因细胞实验机器学习生物信息学

干细胞工程化双面异性静电纺丝膜促进硬脊膜修复的体外实验

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中国组织工程研究 2024年第10期28卷 1540-1546页

作者：徐敬之王文博孙慧雯顾勇苏州大学附属第一医院骨科江苏省苏州市215000

背景:目前临床上采用自体组织或明胶海绵等材料对硬脊膜进行修补,但都存在不同程度的缺陷,因此亟需一种可以促进硬脊膜修复的生物材料。目的:利用定向静电纺丝及胶原自组装技术构建双面异性静电纺丝膜,并将其负载骨髓间充质干细胞构建... 详细信息

背景:目前临床上采用自体组织或明胶海绵等材料对硬脊膜进行修补,但都存在不同程度的缺陷,因此亟需一种可以促进硬脊膜修复的生物材料。目的:利用定向静电纺丝及胶原自组装技术构建双面异性静电纺丝膜,并将其负载骨髓间充质干细胞构建人工硬脊膜,探讨该人工硬脊膜的各项理化性能以及生物特性。方法:采用静电纺丝技术及胶原自组装技术制备有序聚乳酸静电纺丝纤维的双面(一面为胶原蛋白,另一面为聚乳酸)异性静电纺丝膜(胶原组)、无序的聚乳酸静电纺丝膜(无序纤维组)、有序定向的聚乳酸静电纺丝膜(有序纤维组),通过扫描电镜、力学拉伸、水接触角测试、降解实验等来表征静电纺丝膜的理化性能。将胶原组(在胶原蛋白面接种骨髓间充质干细胞,即得到干细胞工程化静电纺丝膜)、无序纤维组、有序纤维组静电纺丝膜分别与骨髓间充质干细胞共培养,采用CCK-8法和活/死染色评估静电纺丝膜的生物相容性,整合素β1免疫荧光染色评估静电纺丝膜的黏附特性。将干细胞工程化静电纺丝膜及胶原组静电纺丝膜分别与骨髓巨噬细胞共培养,通过诱导型一氧化氮合酶(M1型)、CD206(M2型)免疫荧光染色及qRT-PCR检测炎症相关基因的表达来评估免疫调控性能。结果与结论:①定向静电纺丝纤维膜可模拟天然硬脊膜的纵向排列结构,胶原蛋白加入后,纤维膜的亲水性提高约2倍,力学性能提升了1.2倍;②与骨髓间充质干细胞共培养时,CCK-8和活/死染色显示,胶原组静电纺丝膜的细胞生物活性明显高于无序纤维组、有序纤维组;免疫荧光染色显示,胶原组整合素β1表达约为无序纤维组、有序纤维组的2.6倍,且细胞铺展形态良好;③与骨髓巨噬细胞共培养时,免疫荧光染色显示,干细胞工程化静电纺丝膜组M1型巨噬细胞荧光强度低于胶原组(P<0.01),M2型巨噬细胞荧光强度高于胶原组(P<0.01);qRT-PCR检测显示,干细胞工程化静电纺丝膜组促炎性基因肿瘤坏死因子α和白细胞介素1βmRNA表达低于胶原组(P<0.001),抑炎性基因白细胞介素10和转化生长因子βmRNA表达高于胶原组(P<0.001);④结果表明,干细胞工程化的两面异性人工硬脊膜可模拟正常硬脊膜的定向结构,内表面利于细胞生长黏附,外表面避免组织粘连,同时通过间充质干细胞旁分泌组分促进巨噬细胞向M2亚型极化,调控局部的炎症微环境。

关键词：硬脊膜修补人工硬脊膜静电纺丝胶原蛋白骨髓间充质干细胞聚乳酸

移植物类型对前交叉韧带重建后患者膝关节功能的影响

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中国组织工程研究 2024年第17期28卷 2753-2758页

作者：李露祎厉晓杰黑泽明刘华首都体育学院北京市100191 空军特色医学中心骨科北京市100142

背景:临床上常采用移植物重建前交叉韧带,而不同移植物类型又影响着患者术后膝关节功能和康复方案的制定。目的:回顾分析不同移植物类型对前交叉韧带重建后患者肌力、关节稳定性、功能性活动及重返运动的影响。方法:在PubMed、Web of Sc... 详细信息

背景:临床上常采用移植物重建前交叉韧带,而不同移植物类型又影响着患者术后膝关节功能和康复方案的制定。目的:回顾分析不同移植物类型对前交叉韧带重建后患者肌力、关节稳定性、功能性活动及重返运动的影响。方法:在PubMed、Web of Science、Cochrane、中国知网、万方数据库中进行检索,中文检索词为“前交叉韧带重建术,自体移植物,同种异体移植物,人工韧带,骨-髌腱-骨,股四头肌肌腱,腘绳肌肌腱,腓骨长肌肌腱,康复训练,重返运动”;英文检索词为“anterior cruciate ligament reconstruction,autografts,allografts,artificial ligaments,bone-patellatendon-bone,quadriceps tendon autograft,hamstring tendon autograft,peroneus longus tendon autograft,rehabilitation,exercise,protocol,return to sport”。结果与结论:选用骨-髌腱-骨移植物的患者应加强股四头肌离心收缩练习,康复后期应关注股四头肌耐力和爆发力的恢复。与骨-髌腱-骨移植物和腘绳肌肌腱移植物相比,选用股四头肌肌腱移植物的患者在5-8个月内符合回归标准的患者明显更少,应制定较长时间的训练计划,训练周期尽量持续到3年以上。选用腘绳肌肌腱移植物应强化多角度下腘绳肌力量训练,尤其是屈膝60°以上的周期至少持续至术后18周。选用腓骨长肌肌腱移植物的患者后续应加强踝关节周围肌肉力量,以足底肌肉力量为主。选用同种异体移植物应注意移植物经低剂量辐射消毒后其抗张力性降低20%,因此应关注膝关节稳定性训练。选用人工韧带移植物的患者3-6周内可渐进性增强股四头肌和腘绳肌力量训练,重视早期本体感觉练习,对平衡、跳跃及灵活性进行针对性训练。

关键词：前交叉韧带重建自体移植物同种异体移植物人工韧带康复膝关节功能

急性髓系白血病细胞条件培养液对间充质干细胞的生物学影响

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中国组织工程研究 2024年第31期28卷 4995-5002页

作者：张弛可王飞清吴丹杨波成金阳陈娟唐东昕刘洋李艳菊贵州医科大学贵州中医药大学第一附属医院贵州医科大学细胞工程生物医药技术国家地方联合工程实验室贵州医科大学附属医院血液科

背景：目前，关于急性髓系白血病骨髓微环境中的骨髓间充质干细胞生物学功能及分子改变尚不完全清楚。目的：综合生物信息学和细胞实验探究急性髓系白血病患者来源骨髓间充质干细胞的生物学功能改变，并探讨急性髓系白血病细胞条件培养... 详细信息

背景：目前，关于急性髓系白血病骨髓微环境中的骨髓间充质干细胞生物学功能及分子改变尚不完全清楚。目的：综合生物信息学和细胞实验探究急性髓系白血病患者来源骨髓间充质干细胞的生物学功能改变，并探讨急性髓系白血病细胞条件培养液在其中的作用。方法：从GEO数据集中筛选差异基因进行富集分析，并构建蛋白质互作网络和获取Hub基因。培养急性髓系白血病患者和健康供者的骨髓间充质干细胞，使用急性髓系白血病细胞条件培养液处理健康供者的骨髓间充质干细胞，对各组细胞进行成脂诱导分化、成骨诱导分化、β-半乳糖苷酶染色、细胞周期检测和Hub基因的验证。结果与结论：(1)从GSE84881中获取急性髓系白血病患者和健康供者的骨髓间充质干细胞基因表达数据，筛选出184个上调基因和140个下调基因。(2)富集的生物学功能主要包括细胞周期、脂肪细胞分化、细胞代谢过程和MYC通路。根据Degree算法筛选出上调的10个Hub基因和下调的10个Hub基因。(3)通过体外细胞实验发现，与健康供者的骨髓间充质干细胞相比，急性髓系白血病患者骨髓间充质干细胞表面抗原未发生改变，但其成脂分化能力增强、成骨分化能力减弱、β-半乳糖苷酶阳性细胞数增多、细胞形态改变、细胞周期停滞、LGALS3表达增加以及MYC表达降低。经急性髓系白血病细胞条件培养液培养后，健康供者骨髓间充质干细胞出现相似改变。(4)结果表明，急性髓系白血病患者骨髓微环境中的间充质干细胞生物学功能发生改变，这为骨髓间充质干细胞与肿瘤的交互作用提供新的见解。

关键词：急性髓系白血病骨髓间充质干细胞条件培养液 GEO数据库生物信息学

川芎嗪对脊髓损伤大鼠铁死亡的调控作用及机制

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中国组织工程研究 2024年第26期28卷 4158-4163页

作者：陶经纬周婧雅赵毅任敬佩胡传宇徐林穆晓红范筱北京中医药大学东直门医院北京市100700 青岛市市立医院山东省青岛市266011

背景:研究表明脊髓损伤与铁死亡存在密切联系,而川芎嗪具有调控氧化还原反应的功能。目的:探究川芎嗪对脊髓损伤大鼠铁死亡的调控作用及机制。方法:将36只雌性SD大鼠随机分为假手术组、模型组及川芎嗪组,每组12只。模型组、川芎嗪组大... 详细信息

背景:研究表明脊髓损伤与铁死亡存在密切联系,而川芎嗪具有调控氧化还原反应的功能。目的:探究川芎嗪对脊髓损伤大鼠铁死亡的调控作用及机制。方法:将36只雌性SD大鼠随机分为假手术组、模型组及川芎嗪组,每组12只。模型组、川芎嗪组大鼠采用改良Allen’s法建立脊髓损伤模型,造模后分别腹腔注射生理盐水、川芎嗪注射液,1次/d,连续治疗28d;假手术组不建模也不进行治疗。结果与结论:①川芎嗪组治疗14,21,28 d的运动功能BBB评分低于假手术组(P<0.05)、高于模型组(P<0.05);②治疗28 d的苏木精-伊红染色显示,模型组大鼠脊髓组织可见空洞形成,局部见坏死组织及炎性浸润,并伴有纤维组织形成;川芎嗪组大鼠脊髓组织缺损面积较小,炎性浸润及纤维组织形成少于模型组;③治疗28 d的普鲁士蓝染色显示,模型组大鼠脊髓组织内可见大量铁沉积,川芎嗪组大鼠脊髓组织内铁沉积少于模型组;④治疗28 d,与假手术组比较,模型组大鼠脊髓组织内谷胱甘肽(GSH)、超氧化物歧化酶水平降低(P<0.05),丙二醛水平升高(P<0.05);与模型组比较,川芎嗪组大鼠脊髓组织内谷胱甘肽、超氧化物歧化酶水平升高(P<0.05),丙二醛水平降低(P<0.05);⑤治疗28d,qRT-PCR与Westernblot检测显示,与假手术组比较,模型组大鼠脊髓组织内谷胱甘肽过氧化物酶4、铁蛋白重链、铁输出蛋白的mRNA与蛋白表达水平均降低(P<0.05);与模型组比较,川芎嗪组大鼠脊髓组织内谷胱甘肽过氧化物酶4、铁蛋白重链、铁输出蛋白的mRNA与蛋白表达水平均升高(P<0.05);⑥治疗28 d的免疫荧光染色显示,假手术组大鼠脊髓组织神经元特异性核蛋白表达最多,模型组大鼠脊髓组织神经元特异性核蛋白表达最少;⑦结果表明,川芎嗪可通过调控铁死亡改善脊髓损伤大鼠的运动功能并起到神经保护作用。

关键词：川芎嗪脊髓损伤铁死亡神经保护作用氧化应激

机器学习鉴定KDELR3作为骨关节炎缺氧特征基因的实验验证

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中国组织工程研究 2024年第21期28卷 3431-3437页

作者：徐文飞明春玉梅其杰袁长深郭锦荣曾超段戡广西中医药大学第一附属医院四肢骨伤科广西壮族自治区南宁市530023 广西中医药大学附属瑞康医院老年病科广西壮族自治区南宁市530011

背景:缺氧与骨关节炎软骨细胞损伤的发生、发展密切相关,但具体作用靶点及调控机制尚不清楚。目的:运用机器学习方法鉴定KDEL(Lys-Asp-Glu-Leu)受体3(KDELR3)作为骨关节炎缺氧的特征基因及免疫浸润分析,以期为骨关节炎的治疗提供新的思... 详细信息

背景:缺氧与骨关节炎软骨细胞损伤的发生、发展密切相关,但具体作用靶点及调控机制尚不清楚。目的:运用机器学习方法鉴定KDEL(Lys-Asp-Glu-Leu)受体3(KDELR3)作为骨关节炎缺氧的特征基因及免疫浸润分析,以期为骨关节炎的治疗提供新的思路与方法。方法:从GEO数据库下载骨关节炎相关的数据集和GSEA网站中获取缺氧相关基因;采用R语言对骨关节炎数据集进行批次校正及免疫浸润分析,并提取骨关节炎缺氧基因进行差异分析,对差异表达基因进行GO功能及KEGG信号通路分析;同时运用加权基因共表达网络分析(Weighted correlation network analysis,WGCNA)及机器学习筛选骨关节炎缺氧的特征基因,并进行体外细胞实验,运用数据集及qPCR验证表达并行相关免疫浸润分析。结果与结论:①经批次校正及主成分分析获得骨关节炎基因8492个,主要与Macrophages M2和Mast cells resting等免疫细胞密切相关;同时获得缺氧基因200个,进而得到41个骨关节炎缺氧差异表达基因。②GO分析主要涉及对营养水平、糖皮质激素反应等生物过程;涉及溶酶体腔、高尔基内腔等细胞组分;涉及14-3-3蛋白结合、DNA结合转录激活剂活性等分子功能。③KEGG分析骨关节炎缺氧差异表达基因与PI3K-Akt、FoxO及癌症中的微小RNA等信号通路有关。④运用WGCNA分析及机器学习筛选后获得特征基因KDELR3。⑤通过基因芯片验证后发现KDELR3基因在滑膜中实验组基因表达高于对照组(P=0.014),而半月板中实验组基因的表达却低于对照组(P=0.024)。⑥体外软骨细胞实验显示KDELR3基因在软骨中实验组表达高于对照组(P=0.005),同时KDELR3基因与Macrophages M0(P=0.014),T cells follicular helper(P=0.014)等密切相关。运用机器学习方法证实KDELR3可作为骨关节炎缺氧特征基因,可能通过改善缺氧来干预骨关节炎发病,期待能为更好地治疗骨关节炎提供新方向。

关键词：骨关节炎机器学习缺氧特征基因软骨细胞生物标志物免疫浸润分析

跑台运动对帕金森病模型大鼠肠道菌群结构及多样性的影响

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中国组织工程研究 2024年第14期28卷 2227-2233页

作者：马欣然刘欣昊李宇佳罗开亮马书杰胡军上海中医药大学康复医学院上海市201203 福建医科大学附属第一医院康复医学科福建省福州市350005 上海市第二康复医院上海市200441

背景:运动对于肠道菌群失调具有调节作用,能有效保护有益菌群,改善肠道环境;但跑台运动对帕金森病肠道微生物群落结构及多样性的影响及具体作用机制尚不明确。目的:利用16S rDNA技术分析跑台运动对帕金森病模型大鼠肠道菌群群落结构及... 详细信息

背景:运动对于肠道菌群失调具有调节作用,能有效保护有益菌群,改善肠道环境;但跑台运动对帕金森病肠道微生物群落结构及多样性的影响及具体作用机制尚不明确。目的:利用16S rDNA技术分析跑台运动对帕金森病模型大鼠肠道菌群群落结构及多样性的影响,并探讨非药物跑台运动改善帕金森病的作用机制。方法:18只SD大鼠随机选取12只,利用单侧黑质2点法脑注射6-羟基多巴胺诱导建立帕金森病大鼠模型;剩余6只为假手术组,采用相同定位及注射方式注射同等剂量含0.2%抗坏血酸的生理盐水。造模成功的12只帕金森病模型大鼠随机分为帕金森病模型组和跑台运动组,每组6只。跑台运动组进行中低强度跑台运动干预(10 m/min,30 min/d,5 d/周),连续干预4周。在最后1次跑台运动结束后24 h取大鼠新鲜粪便并置于液氮冻存,采用16S rDNA测序技术分析大鼠粪便菌群结构的变化。结果与结论:①跑台运动可明显改善帕金森病模型大鼠的行为学及黑质酪氨酸羟化酶阳性细胞表达,缓解由帕金森病引起的肠道微生物群落结构及多样性的变化,增加大鼠操作分类单位(OTUs)数量,调节Alpha及Beta多样性;②在肠道菌群门和属水平,帕金森病模型组中Firmicutes(厚壁菌门)/Bacteroidetes(拟杆菌门)丰度比值较假手术组减少,而Prevotella(普雷沃氏菌属)、Bacteroides(拟杆菌属)、Clostridium_XlV(梭菌属)等有益菌经跑台运动后有明显上升;③结果提示:跑台运动对于帕金森病所导致的行为学异常、多巴胺能神经元的毒性损伤及肠道微生物失衡具有显著调节作用,可缓解与菌群相关的疾病症状,对帕金森病改善具有积极作用。

关键词：跑台运动帕金森病肠道菌群 16S rDNA 大鼠