Vliv stresu na střevní mikrobiom

Bc. Kateřina Štaffová

Diplomová práce

The effect of stress on the gut microbiome

Anotace:

Střevní mikrobiom představuje dynamický a interaktivní mikro-ekosystém, jehož složení je vysoce individuální a v průběhu času se může měnit. Přestože jeho finální struktura zůstává relativně stabilní, dlouhodobé působení některých faktorů ji může výrazně ovlivnit. Již počáteční vývoj střevního mikrobiomu je klíčový, protože odchylky mohou mít dlouhodobé dopady, včetně vlivu na mozkové funkce v dospělosti. Stres v raném věku může významně ovlivnit složení střevní mikrobioty, což následně působí na celkové zdraví a psychickou odolnost jedince. Mikrobiální populace hraje klíčovou roli ve formování chování, kognitivních funkcí a schopnosti organismu reagovat na stres. Funkce střevních mikroorganismů nesouvisí pouze s trávením, ale jsou také součástí složité komunikační sítě osy střevo-mozek. Tato interakce ovlivňuje myšlenkové procesy, emocionální stabilitu i celkové chování. Stále větší pozornost se proto věnuje mikrobiální dysbióze neboli narušení mikrobiální homeostázy. Ta je stále častěji spojována se stresem, duševním zdravím a fungování osy střevo-mozek. Cílem této práce bylo posoudit změny střevní mikrobioty v důsledku stresu a zároveň zjistit, jaký vliv na tyto změny má pohlaví. Výzkumná část byla realizována na laboratorních myších. Zvířata byla rozdělena do skupin a vystavena zátěžové zkoušce ve formě restrikčního stresu. Po eutanázii byly odebrány vzorky stolice pro mikrobiologickou analýzu střevního mikrobiomu. K analýze byla použita metoda PCR, která zajistila amplifikaci genu 16S rRNA. Následovala denaturační gradientová elektroforéza (DGGE) a Sangerovo sekvenování, doplněné dalšími metodami počítačového zpracování dat. S využitím vícerozměrné analýzy dat PCoA (Principal Coordinates Analysis) bylo potvrzeno, že stres ovlivňuje složení střevní mikrobioty, přičemž tento efekt závisí i na pohlaví. U samců bylo po vystavení stresu zaznamenáno zvýšení mikrobiální diverzity, zatímco u samic zůstávala diverzita mikrobioty relativně stabilní i po působení stresového faktoru. Sekvenování bandů bylo provedeno u 12 vzorků. Významné rozdíly mezi pohlavími byly patrné zejména u rodu Bacterodies a skupiny laktobacilů. Rod Bacteroides zůstával přítomen u samic vystavených stresu ve vyšších počtech než u samců. Ve skupině laktobacilů došlo po vystavení stresu k menšímu poklesu v počtu bakterií u samic oproti samcům. Další identifikované bakteriální druhy byly přiřazeny k jednotlivým vzorkům a následně analyzovány s ohledem na dostupné vědecké poznatky. Výsledky této práce ukazují, že střevní diverzita samic zůstává stabilnější než u samců, přičemž samice si dokázaly udržet vyšší zastoupení prospěšných bakterií i po vystavení stresu. Tento poznatek naznačuje, že pohlaví může hrát významnou roli v reakci střevního mikrobiomu na stres. Pozorované rozdíly mezi samci a samicemi mohou přispět k hlubšímu pochopení vztahu mezi pohlavím, stresem a střevní mikrobiotou, což by mohlo být prospěšné například pro oblasti medicíny nebo výživy. Získané poznatky však nelze zobecňovat a je nutné je vztáhnout ke konkrétní metodice a podmínkám této práce. K jejich potvrzení by bylo vhodné provést rozsáhlejší výzkum.

Abstract:

The gut microbiome represents a dynamic and interactive micro-ecosystem whose composition is highly individual and can change over time. Although its final structure remains relatively stable, long-term exposure to certain factors can significantly influence it. The initial development of the gut microbiome is crucial, as deviations can have long-term effects, including an impact on brain function in adulthood. Early-life stress can significantly affect the composition of the gut microbiota, which in turn influences overall health and psychological resilience. The microbial population plays a key role in shaping behavior, cognitive functions, and the body’s ability to respond to stress. The functions of gut microorganisms are not limited to digestion but are also part of a complex communication network known as the gut-brain axis. This interaction affects thought processes, emotional stability, and overall behavior. Increasing attention is therefore being paid to microbial dysbiosis, or the disruption of microbial homeostasis, which is increasingly associated with stress, mental health, and gut-bran axis functioning. The aim of this study was to assess changes in the gut microbiota due to stress and to determine how these changes are influenced by sex. The research was conducted on laboratory mice. The animals were divided into groups and subjected to a stress test in the form of restraint stress. After euthanasia, fecal samples were collected for microbiological analysis of the gut microbiome. The analysis was performed using the PCR method, which enabled amplification of the 16S rRNA gene. This was followed by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and Sanger sequencing, complemented by additional computational data processing methods. Using multivariate Principal Coordinates Analysis (PCoA, it was confirmed that stress influences the composition of the gut microbiota, with this effect also depending on sex. In males, exposure to stress resulted in increased microbial diversity, whereas in females, microbial diversity remained relatively stable even after exposure to the stressor. Sequencing of bands was performed on 12 samples. Significant differences between sexes were particularly evident in the genus Bacteroides and the group of lactobacilli. Bacteroides remained present in higher numbers in stressed females compared to males. In the lactobacilli group, stress exposure led to a smaller decline in bacterial numbers in females than in males. Other identified bacterial species were assigned to individual samples and subsequently analyzed concerning available scientific knowledge. The results of this study indicate that female gut diversity remains more stable than male gut diversity, with females maintaining a higher proportion of beneficial bacteria even after stress exposure. This finding suggests that sex may play significant role in the gut microbiome’s response to stress. The observed differences between males and females may contribute to a deeper understanding of the relationship between sex, stress, and gut microbiota, which could be beneficial in fields such as medicine or nutrition. However, the obtained findings cannot be generalized and must be considered within the specific methodology and conditions of this study. To confirm these results, further extensive research would be necessary.

Klíčová slova

Osa střevo-mozek, Neurotransmitery, Enterotypy, Duševní onemocnění, Funkce střevního mikrobiomu, Molekulární metody

Keywords

Neurotransmitters, Enterotypes, Mental illness, Gut microbiome function, Molecular methods, Gut-brain axis

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 21. 4. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: prof. Ing. Eva Vlková, Ph.D.
• Oponent: Ivana Hyršlová, externi

Česká zemědělská univerzita v Praze

Fakulta agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů

Magisterský studijní program:
Výživa a potraviny