Effects of wine versus de-alcoholised wine on the microbiota-gut-brain axis in a tau-pathology murine model of Alzheimer’s disease

Abstract

Alzheimer’s Disease (AD) is the most common disorder associated with cognitive impairment, and the main cause of dementia globally. Multiple evidence in the last decade suggest that the gut microbiome plays an important role in the pathogenesis and progression of AD via the microbiota-gut-brain axis, a network wherein microbiome and the central nervous system crosstalk via endocrine, immune, neural and microbial metabolites signalling pathways. Diet is the most prominent modulator of the gut microbiome, and dietary components targeting the microbiota have been proposed for preventing age-related decline and improve cognition. Scientific evidence suggests a possible protective effect of wine polyphenols against neurodegenerative disorders although the mechanisms are unknown, and studies to comprehensively assess the effect of wine on the aetiopathogenesis of AD are very scarce. Within the context of the gut-brain axis, the bidirectional interaction between wine bioactive components (i.e. wine polyphenols) and microbiota could be contributing to this neuroprotection. The overall aim of this study is to assess whether moderate wine consumption, within a balanced diet, exerts a protective effect in the early stages of AD or mild cognitive impairment, including effects on brain function, gut microbiota and microbial metabolism. Taking into account the recommendation of moderate wine consumption, the study also aims to clarify whether there are harmful effects per se derived from the ethanol content of wine. For that, a tau-pathology mouse model (P301S), which develops tau neurofibrillary tangles from 6 months of age onwards, was used. We performed a 6-month dietary intervention in which wild-type (WT) and transgenic male and female mice (TGP301S) were divided into different groups (n=20 per group, total 240 mice) that were fed with a standard diet that was supplemented or not with wine or de-alcoholised wine (200 ml/day). To uncover the role of wine components in brain function and intestinal homeostasis we utilized histological evaluation and immunofluorescence, 16S metagenomic sequencing, targeted and untargeted metabolomics, and mRNA sequencing to identify changes in microbiome, metabolome, and host transcriptome respectively. The results show that wine polyphenols supplementation (de-alcoholised wine) modulates several brain parameters in the hippocampal region of the TG model. This is evidenced by a reduction in the number of IBA-1-positive cells, a decrease in the levels of hyperphosphorylated tau as determined by Western blot analysis, and a decline in the expression of specific brain genes associated with inflammation. In addition, gut microbiota composition exhibited a shift towards a healthier profile than that observed in the control TG mice. Altogether, the result was an improvement in the phenotype of murine model of tauopathy with respect to that observed in the same model when supplemented with water. On the other hand, when the diet was supplemented with conventional red wine (with ethanol), these effects at the brain and gut level were less evident. This study presents for the first time ever an interactive view of wine polyphenol-induced changes in brain anatomical and molecular parameters, gut microbiome composition and microbial metabolism of tau-pathology mice, and a comprehensive view of changes in gut and host physiology especially in relation to AD hallmarks, mediated or not by ethanol.

Acknowledgements
MICIN (Project PID2019-108851RB-C21)

Effets du vin et du vin désalcoolisé sur l’axe microbiote-intestin-cerveau dans un modèle murin de pathologie tau de la maladie d’Alzheimer

La maladie d’alzheimer est le trouble le plus courant associé à une déficience cognitive et la principale cause de démence dans le monde. De nombreuses preuves recueillies au cours de la dernière décennie suggèrent que le microbiome intestinal joue un rôle important dans la pathogenèse et la progression de la maladie d’alzheimer par l’intermédiaire de l’axe microbiote-intestin-cerveau, un réseau dans lequel le microbiome et le système nerveux central dialoguent par l’intermédiaire de voies de signalisation endocriniennes, immunitaires, neuronales et de métabolites microbiens. L’alimentation est le principal modulateur du microbiome intestinal, et des composants alimentaires ciblant le microbiote ont été proposés pour prévenir le déclin lié à l’âge et améliorer la cognition. Des preuves scientifiques suggèrent un effet protecteur possible des polyphénols du vin contre les troubles neurodégénératifs, bien que les mécanismes soient inconnus, et que les études visant à évaluer de manière exhaustive l’effet du vin sur l’étiopathogénie de la maladie d’alzheimer soient très rares. Dans le contexte de l’axe intestin-cerveau, l’interaction bidirectionnelle entre les composants bioactifs du vin (c’est-à-dire les polyphénols du vin) et le microbiote pourrait contribuer à cette neuroprotection. L’objectif global de cette étude est d’évaluer si une consommation modérée de vin, dans le cadre d’un régime alimentaire équilibré, exerce un effet protecteur dans les premiers stades de la maladie d’alzheimer ou des troubles cognitifs légers, y compris des effets sur la fonction cérébrale, le microbiote intestinal et le métabolisme microbien. Compte tenu de la recommandation d’une consommation modérée de vin, l’étude vise également à clarifier s’il existe des effets nocifs en soi dérivés de la teneur en éthanol du vin. Pour ce faire, un modèle de souris à pathologie tau (p301s), qui développe des enchevêtrements neurofibrillaires tau à partir de l’âge de 6 mois, a été utilisé. Nous avons effectué une intervention alimentaire de 6 mois dans laquelle des souris de type sauvage (wt) et des souris transgéniques mâles et femelles (tgp301s) ont été divisées en différents groupes (n=20 par groupe, 240 souris au total) qui ont été nourris avec un régime standard complété ou non avec du vin ou du vin désalcoolisé (200 ml/jour). Pour découvrir le rôle des composants du vin dans la fonction cérébrale et l’homéostasie intestinale, nous avons utilisé l’évaluation histologique et l’immunofluorescence, le séquençage métagénomique 16s, la métabolomique ciblée et non ciblée, et le séquençage de l’arnm pour identifier les changements dans le microbiome, le métabolome et le transcriptome de l’hôte, respectivement. Les résultats montrent que la supplémentation en polyphénols de vin (vin désalcoolisé) module plusieurs paramètres cérébraux dans la région hippocampique du modèle tg. Ceci est mis en évidence par une réduction du nombre de cellules iba-1-positives, une diminution des niveaux de tau hyperphosphorylé tels que déterminés par analyse western blot, et un déclin de l’expression de gènes cérébraux spécifiques associés à l’inflammation. En outre, la composition du microbiote intestinal a évolué vers un profil plus sain que celui observé chez les souris tg de contrôle. Dans l’ensemble, il en résulte une amélioration du phénotype du modèle murin de tauopathie par rapport à ce qui est observé dans le même modèle lorsqu’il est supplémenté en eau. En revanche, lorsque le régime alimentaire était complété par du vin rouge conventionnel (avec de l’éthanol), ces effets au niveau du cerveau et de l’intestin étaient moins évidents. Cette étude présente pour la première fois une vue interactive des changements induits par les polyphénols du vin dans les paramètres anatomiques et moléculaires du cerveau, la composition du microbiome intestinal et le métabolisme microbien des souris atteintes de la pathologie tau, ainsi qu’une vue d’ensemble des changements dans la physiologie de l’intestin et de l’hôte, en particulier en relation avec les caractéristiques de la maladie d’Alzheimer, médiés ou non par l’éthanol.

Efectos del Vino Frente al Vino Desalcoholizado Sobre el Eje Microbiota-Intestino-Cerebro en un Modelo Murino de Taupatía en la Enfermedad de Alzheimer

La Enfermedad de Alzheimer (EA) es el trastorno más común asociado al deterioro cognitivo y la principal causa de demencia en todo el mundo. En la última década se ha demostrado que el microbioma intestinal desempeña un papel importante en la patogénesis y progresión de la EA a través del eje microbiota-intestino-cerebro, una red en la que el microbioma y el sistema nervioso central interactúan a través de vías de señalización endocrinas, inmunitarias, neuronales y de metabolitos microbianos. La dieta es el principal modulador del microbioma intestinal, y se han propuesto componentes dietéticos dirigidos a la microbiota para prevenir el declive relacionado con la edad y mejorar la cognición. Las pruebas científicas sugieren un posible efecto protector de los polifenoles del vino contra los trastornos neurodegenerativos, aunque se desconocen los mecanismos y los estudios para evaluar exhaustivamente el efecto del vino en la etiopatogenia de la EA son muy escasos. En el contexto del eje intestino-cerebro, la interacción bidireccional entre los componentes bioactivos del vino (es decir, los polifenoles del vino) y la microbiota podría estar contribuyendo a esta neuroprotección. El objetivo general de este estudio es evaluar si el consumo moderado de vino, dentro de una dieta equilibrada, ejerce un efecto protector en las primeras fases de la EA o del deterioro cognitivo leve, incluidos los efectos sobre la función cerebral, la microbiota intestinal y el metabolismo microbiano. Teniendo en cuenta el tipo de consumo de vino recomendado (moderado), el estudio también pretende comprobar si existen o no efectos nocivos per se derivados del contenido de etanol del vino. Para ello, se utilizó un modelo de ratón con patología tau (P301S), que desarrolla ovillos neurofibrilares tau a partir de los 6 meses de edad. Realizamos una intervención dietética de seis meses en la que ratones de tipo salvaje (WT) y ratones transgénicos machos y hembras (TGP301S) se dividieron en diferentes grupos (n=20 por grupo, total 240 ratones) que fueron alimentados con una dieta estándar suplementada o no con vino o vino desalcoholizado (200 ml/día). Para elucidar el papel de los componentes del vino en la función cerebral y la homeostasis intestinal, llevamos a cabo un estudio histológico y de inmunofluorescencia del cerebro, así como secuenciación metagenómica 16S, metabolómica dirigida y no dirigida, y secuenciación de ARNm, para identificar los cambios en el microbioma, el metaboloma y el transcriptoma del huésped, respectivamente. Los resultados muestran que la suplementación con polifenoles del vino (vino desalcoholizado) modula varios parámetros cerebrales en la región del hipocampo del modelo TG. Esto se evidencia por una reducción en el número de células IBA-1-positivas, una disminución en los niveles de tau hiperfosforilada según lo determinado por el análisis Western blot, y una disminución en la expresión de genes cerebrales específicos asociados con la inflamación. Además, la microbiota intestinal mostró un cambio hacia un perfil más saludable que el observado en los ratones TG control. En conjunto, el resultado fue una mejora del fenotipo del modelo murino de tauopatía tras la dieta con polifenoles del vino con respecto al observado en el mismo modelo cuando se suplementó con agua. En cambio, cuando la dieta se suplementó con vino tinto convencional (con etanol), estos efectos a nivel cerebral e intestinal fueron menos evidentes. Este estudio presenta por primera vez una visión interactiva de los cambios inducidos por los polifenoles del vino en los parámetros anatómicos y moleculares cerebrales, la composición del microbioma intestinal y el metabolismo microbiano de los ratones tau, así como una visión global de los cambios en la fisiología intestinal y del huésped, especialmente en relación con los rasgos distintivos de la EA, mediados o no por el etanol del vino.