从“肠脑轴”到中药新疗法的突破！Alzheimers Res Ther揭示肠道微生物如何影响阿尔茨海默症

转自：生物谷

阿尔茨海默症（Alzheimer's Disease, AD）是一种主要影响老年人的神经退行性疾病，全球病例数量不断增加。近年来，肠道菌群失衡被认为与AD的发病机制密切相关，尤其是微生物代谢物对神经炎症的调控作用。然而，目前尚不清楚肠道微生物组和大脑中的神经炎症如何相互作用，或者这些相互作用如何影响大脑功能和认知。

近日，中国中医科学院赵海誉研究团队在Alzheimers Res Ther发表了题为Intestinal endogenous metabolites affect neuroinflammation in 5×FAD mice by mediating "gut-brain" axis and the intervention with Chinese Medicine的研究论文，揭示了肠道微生物群的改变对AD进展的重要影响，特别是在神经炎症和代谢调控方面的作用。研究发现，通过调控“肠脑轴”的代谢产物，可能为AD的治疗提供新的干预靶点。

1. AD进展与肠道菌群的改变

认知缺陷表现

5×FAD小鼠（转基因小鼠，简称Tg-M）在认知功能评估中显示出明显的认知缺陷，尤其在Y迷宫和莫里斯水迷宫（Morris Water Maze, MWM）测试中，定位平台所需时间显著长于野生型小鼠（Wild-Type Mice, WT-M）。

在MWM的探查试验中，Tg-M小鼠在目标象限的停留时间、移动距离和穿越平台的次数均低于WT-M小鼠。此外，尽管通常焦虑水平较高的动物在中心区域的探索时间较短，但Tg-M小鼠在该区域的停留时间是WT-M小鼠的2.4倍，且排泄的粪便量也显著增加。

雌性5×FAD小鼠（转基因小鼠，简称Tg-F）体重较低，表现出更高的死亡率和攻击性，其在认知任务中的表现显著低于同龄的Tg-M小鼠，尤其在MWM测试中潜伏期增加。

图1. AD小鼠认知缺陷和焦虑增加

CNS神经炎症

5×FAD转基因小鼠表现出加速的认知障碍、早期的淀粉样蛋白（Aβ）沉积以及突触退化，尤其在雄性小鼠的海马和皮层区域观察到快速的Aβ斑块积累。

ELISA检测显示，Tg-M小鼠大脑中三种Aβ（Aβ38、Aβ40、Aβ42）的浓度显著高于WT-M小鼠。免疫染色结果表明，5×FAD小鼠的大脑中活化的小胶质细胞和星形胶质细胞数量增加，尤其在Aβ斑块周围，这导致神经炎症和血脑屏障功能障碍。

此外，RT-PCR和Western blot分析发现主要组织相容性复合物II类（MHC-II）和促炎细胞因子（如IL-1α、TNF-α、MCP-1）的表达增加，抑制了小胶质细胞对Aβ的清除功能。与雄性小鼠相比，雌性Tg-F小鼠表现出更严重的神经炎症，其大脑中Aβ、IBA-1和GFAP水平显著提高。

图2. Aβ升高会诱发神经炎症

外周免疫系统变化

5×FAD小鼠在外周免疫系统中表现出明显的功能失调，尤其是Th1（CD3+CD8−INFγ+）、Th2（CD3+CD8−IL4+）和Th17（CD3+CD8−IL17α+）细胞在转基因小鼠（Tg-M）脾脏中的比例显著高于野生型小鼠（WT-M），而调节性T细胞（Treg, CD4+CD25+Foxp3+）的频率则降低。

Th1细胞被认为在阿尔茨海默症（AD）中具有有害作用，其水平升高与小胶质细胞激活、炎症因子表达增加、认知功能受损和突触可塑性紊乱相关。研究发现，尽管Tg-M小鼠的Th1和Th2细胞均有所增加，但Th1/Th2比率下降，表明外周炎症加剧可能导致Th1细胞的升高和Th2细胞的过度分泌，进而引发Th1/Th2失衡。Treg细胞在AD中起到神经保护作用，其暂时耗竭会加速认知障碍并促进小胶质细胞清除Aβ沉积。

图3. AD小鼠脾脏中免疫细胞的水平

抗生素诱导的肠道微生物组扰动影响了认知和神经炎症

抗生素（ABX）诱导的肠道微生物组扰动显著影响了5×FAD小鼠（Tg-M）的认知功能和神经炎症。16S rRNA基因扩增子测序显示，Tg-M小鼠粪便中的α微生物多样性显著增加，而PLS-DA分析揭示其肠道微生物组成发生了明显变化。ABX治疗导致Tg-M小鼠的α多样性急剧下降，并打破了肠道菌群的结构稳态，同时Aβ聚集减少，表明抗生素治疗促进了小胶质细胞的清除功能。

此外，ABX还降低了脑内MHC II类和炎症细胞因子（如IL-1α、TNF-α和MCP-1）的表达，可能重置了小胶质细胞的吞噬功能。ABX显著改善了Tg-M小鼠的认知障碍和焦虑，表现在MWM任务中的学习记忆提升和开放场测试中粪便排泄减少。这些结果表明，“肠脑轴”能够实现双向信息传递，且Tg-M小鼠的功能通路在氨基酸、碳水化合物和能量代谢等方面较WT-M小鼠更为丰富。

图4. 肠道微生物多样性的改变

2. 肠源性代谢物变化与氨基酸、碳水化合物和能量代谢的关系

短链脂肪酸（SCFAs）由肠道微生物发酵膳食纤维产生，调节能量代谢，并在微生物-肠-脑相互作用中发挥重要作用。

在Tg-M小鼠的粪便中，SCFAs产生菌的丰度显著变化，具体表现为有益菌如Erysipelotrichaceae和Bifidobacteriaceae的减少，以及Lachnospiraceae的增加。此外，Tg-M小鼠粪便中的哌啶酸（PA）水平下降，异丁酸（IBA）水平上升。纵向研究显示，Tg-M小鼠在9至11个月期间的粪便SCFAs水平快速增加，表明肠道微生物群的动态变化与SCFAs生成密切相关。

图5. AD小鼠粪便中 SCFA 的改变

3. 肠源性代谢物是肠脑轴的沟通中介

肠源性代谢物通过血液进入全身，影响大脑功能并在阿尔茨海默症等神经疾病中影响认知。使用气相色谱-串联质谱（GC-QQQ-MS）和液相色谱-串联质谱（LC-QQQ-MS）研究发现，5×FAD小鼠（Tg-M）的大脑中短链脂肪酸（SCFAs）水平与小胶质细胞激活呈正相关，且Tg-M小鼠的粪便、血清和脑组织中IBA水平高于野生型小鼠（WT-M）。

外周血中丙氨酸、色氨酸、牛磺酸等氨基酸水平显著增加，同时大脑中的丙氨酸、甲硫氨酸、GABA等浓度也显著升高。Tg-M小鼠表现出葡萄糖代谢障碍和线粒体功能障碍，PICRUSt分析预测其能量代谢出现障碍。在Tg-M小鼠中，丙酮酸水平显著升高，而柠檬酸和琥珀酸水平则显著降低，且外周和大脑中的代谢物变化趋势一致。这些结果表明，缺氧加重的线粒体功能障碍与Tg-M小鼠中脂质过氧化增加的现象相关。

图6. AD小鼠外周血和脑内源性代谢物的变化

4. 黄连解毒汤（HLJDD）通过调节肠道微生物代谢缓解AD小鼠的神经炎症

在对5个月大的雄性5×FAD小鼠进行六个月的HLJDD治疗后，研究发现其认知障碍和焦虑显著改善，表现为莫里斯水迷宫（MWM）测试中的学习和记忆能力提升，以及开放场测试中排便量减少。

HLJDD通过降低由Aβ和免疫细胞相互作用引发的炎症因子（如IL-1α和INF-γ）分泌，缓解了神经炎症。分析显示，HLJDD重塑了小鼠的肠道微生物结构，增加了SCFA产生菌的丰度，并降低了SCFAs的整体水平。HLJDD组的SCFAs水平与某些细菌群体呈负相关，而与其他细菌群体呈正相关。

此外，HLJDD还提高了粪便中胆碱水平，降低了色氨酸、GABA、牛磺酸和亮氨酸的含量，并通过调节外周免疫细胞（降低Th1和Th2细胞，增加Treg细胞）进一步改善了5×FAD小鼠的神经炎症和认知功能。

小结

总体而言，本研究探讨了肠道微生物群的改变如何影响阿尔茨海默症（AD）的进展，结果显示5×FAD小鼠在认知测试中表现出明显的缺陷，伴随脑中Aβ沉积和神经炎症的加重。

研究发现，短链脂肪酸（SCFAs）产生菌显著减少，而异丁酸等代谢物浓度升高，这些变化与神经炎症和认知功能下降密切相关。同时，外周免疫系统中的Th1细胞比例增加，调节性T细胞（Treg）比例减少，导致免疫失衡。

这些结果强调了“肠脑轴”在AD进展中的关键作用，表明通过调节肠道微生物及其代谢产物可能为AD的干预提供新的治疗靶点，为未来研究与临床应用奠定了基础。

参考文献：

Gu X, Fan M, Zhou Y, et al. Intestinal endogenous metabolites affect neuroinflammation in 5×FAD mice by mediating "gut-brain" axis and the intervention with Chinese Medicine. Alzheimers Res Ther. 2024;16(1):222. Published 2024 Oct 14. doi:10.1186/s13195-024-01587-5

关键词： alzheimersres res 微生物