腸菌-腦軸-免疫：腸道菌群調控阿爾茨海默病的新機制
美國埃默里大學葉克強教授等人于2022年1月在Gut（IF 23.059）期刊發表題為“Gut microbiota regulate Alzheimer’s disease pathologies and cognitive disorders via PUFA associated neuroinflammation”的文章，該研究通過阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）小鼠模型和人源化糞菌移植（FMT）實驗發現，AD相關腸道菌群（以擬桿菌屬富集為特征）可通過激活C/EBPβ/AEP通路，并上調促炎癥性的多不飽和脂肪酸（Poly-unsaturated fatty acid，PUFA）代謝，以增強小神經膠質細胞活化及神經炎癥，從而促進AD病理及認知障礙。這些發現支持行為缺陷、小膠質細胞激活和AD病理需要復雜的腸道微生物組，腸道微生物組有助于AD小鼠模型的病理，并且人類微生物組的失調可能是AD的危險因素。
研究材料
SPF 3×Tg AD小鼠、無菌小鼠（GF，3×Tg品系）、AD患者糞菌、3株擬桿菌屬菌株
技術路線
· 步驟1：腸道菌群可促進AD小鼠的AD病理、認知障礙及小神經膠質細胞活化，激活C/EBPβ/AEP通路，上調PUFA代謝相關促炎癥酶表達；
· 步驟2：腸道菌群增加小鼠大腦中的炎癥性代謝產物水平，調節炎癥性通路及胰島素/IGF-1通路，短鏈脂肪酸（SCFAs）驅動C/EBPβ/AEP通路活化、AD小鼠的認知障礙及炎癥；
· 步驟3：PUFA代謝相關擬桿菌屬菌株在移植了AD患者菌群的無菌小鼠中增加，增強小鼠的AD病理及認知障礙，促進C/EBPβ/AEP通路活化，并上調炎癥。
研究結果
1. 腸道菌群刺激3×Tg小鼠AD病理、認知缺陷和小膠質細胞激活
與SPF 3×Tg AD小鼠相比，3×Tg衍生GF小鼠海馬和纖維狀蛋白包涵體中的AT8、Aβ42減少，表明當腸道菌群耗盡時，AD病理得到緩解（圖1 A-C）。同時，Y迷宮中的行為表明，GF小鼠與SPF小鼠相比，空間記憶功能顯著改善（圖1 D、E）。半自動定量形態三維測量顯示，與SPF小鼠相比，GF小鼠的小膠質細胞形態發生了顯著改變（圖1 F-I）。
圖1 與SPF小鼠相比，無菌小鼠顯示出AD病理減少和認知功能改善
2. 腸道菌群激活C/EBPβ/AEP通路，提高PUFA代謝相關促炎酶表達水平
最近的研究表明C/EBPβ/AEP信號通路在時間和空間上調控AD病理，為了評估是否需要完整的腸道微生物組來刺激這一通路，從而導致AD發病機制，作者通過免疫印跡分析，發現與SFP小鼠相比，GF小鼠大腦中的C/EBPβ/AEP信號傳導減弱，作為記憶障礙導致AD發病和炎癥核心網絡的花生四烯酸（AA）代謝途徑相關的Lox5、Cox1和Cox2水平明顯降低（圖2 A、B）。蛋白酶測定顯示GF小鼠的AEP酶活性低于SPF小鼠，這與活性AEP水平降低保持一致（圖2 C）。GF小鼠中IL-6濃度（C/EBPβ是其主要轉錄因子）顯著降低（圖2 D）。qPCR結果顯示，GF小鼠的CEBPβ靶點/AA通路基因表達下降（圖2 E），與RNAseq數據趨勢一致。上述結果表明，復雜的腸道菌群促進AD小鼠模型的病理過程。
最近的研究表明C/EBPβ/AEP信號通路在時間和空間上調控AD病理，為了評估是否需要完整的腸道微生物組來刺激這一通路，從而導致AD發病機制，作者通過免疫印跡分析，發現與SFP小鼠相比，GF小鼠大腦中的C/EBPβ/AEP信號傳導減弱，作為記憶障礙導致AD發病和炎癥核心網絡的花生四烯酸（AA）代謝途徑相關的Lox5、Cox1和Cox2水平明顯降低（圖2 A、B）。蛋白酶測定顯示GF小鼠的AEP酶活性低于SPF小鼠，這與活性AEP水平降低保持一致（圖2 C）。GF小鼠中IL-6濃度（C/EBPβ是其主要轉錄因子）顯著降低（圖2 D）。qPCR結果顯示，GF小鼠的CEBPβ靶點/AA通路基因表達下降（圖2 E），與RNAseq數據趨勢一致。上述結果表明，復雜的腸道菌群促進AD小鼠模型的病理過程。
圖2 無菌小鼠表現出減弱的C/EBPβ/AEP通路和AA相關炎癥
3. 腸道菌群提高炎癥代謝物水平，并改變大腦中的炎癥和胰島素/IGF-1途徑
為了評估腸道微生物組對AD相關轉錄反應的整體影響，作者對GF和SPF小鼠海馬樣本轉錄組測序，結果顯示兩者整體基因表達模式存在顯著差異，與GF小鼠相比，參與AA代謝途徑的基因在SPF小鼠中差異表達（上調：Hpgd、Ptges3和Cyp1b1；下調：Ptges2），這與上述的觀測結果相符（圖3 A-D）。此外，SPF小鼠的胰島素信號傳導及其相關的下游途徑發生了異常改變，免疫印跡實驗也證明了這一結果（圖3 E、F）。這些結果表明，腸道菌群影響AD小鼠海馬區基因的表達。
圖3 腸道菌群影響AD小鼠模型海馬區mRNA表達的轉錄組圖譜
4. SCFAs可引起GF小鼠C/EBPβ/AEP激活、認知障礙和炎癥反應，并被PGE2-G促進
前期研究表明SCFAs與AD相關，GF小鼠糞便和血清中SCFAs水平降低。為了研究SCFAs是否會部分模擬定殖SPF小鼠的腸道菌群觸發C/EBPβ/AEP通路激活，作者設置了GF小鼠SCFAs補充飼喂實驗。結果表明，相比對照GF小鼠，補充SCFAs小鼠中C/EBPβ下游靶標、AEP蛋白酶活性、IL-6和Aβ42水平顯著增加，認知緩解水平降低（圖4 A-H）。代謝組分析結果顯示，與SPF相比，GF小鼠糞便中的PUFA代謝物顯著減少，同時補充SCFAs和PGE2-G（代謝組分析鑒定出的標志物）刺激小膠質細胞形態的成熟和活化（圖4 J-L）。這些結果表明SCFAs可引起GF小鼠C/EBPβ/AEP激活、認知障礙和炎癥反應，并被PGE2-G促進。
圖4 SCFAs引發無菌小鼠炎癥反應中C/EBPβ/AEP的激活和認知缺陷，PGE2-G能加劇這些反應
5. FMT后受體小鼠腸道特定菌群增加，增強AD病理，促進認知障礙
為了確定人源性腸道菌群在轉移到GF小鼠時是否會影響疾病結果，作者分別將AD患者和健康人（HC）糞便移植給GF小鼠。結果顯示受體小鼠腸道菌群和供體相似，AD受體小鼠中擬桿菌屬的3個種相對豐度顯著增加（圖5 A-E），體外定量實驗表明，這3種微生物參與AA代謝，并產生AA衍生物（圖5 I）。免疫熒光（IF）實驗結果顯示，受體小鼠ThS陽性Aβ聚集體、AT8/T22和Aβ42增加（圖6 A-C）。與HC小鼠相比，AD受體小鼠在Y迷宮中表現出認知缺陷，小膠質細胞高度活化且形態成熟（圖6 D-K）。這些結果表明AD患者腸道菌群會促進GF受體小鼠AD進程。
圖5 移植AD患者糞菌后的無菌小鼠腸道擬桿菌屬相對豐度升高
圖6 移植AD患者糞菌后的無菌小鼠表現出增強的AD病理和認知缺陷
6. FMT后受體小鼠C/EBPβ/AEP通路激活且與炎癥水平升高相關
免疫印跡結果顯示p-C/EBPβ及其總蛋白、AEP及其上游轉錄因子、C/EBPβ及其下游響應基因水平均顯著增加（圖7 A-C）。炎性細胞因子定量和qPCR實驗結果顯示，AD受體小鼠中IL-6和IL-1β、ALOX-5相關基因表達水平顯著增加（圖7 D、E）。
免疫印跡結果顯示p-C/EBPβ及其總蛋白、AEP及其上游轉錄因子、C/EBPβ及其下游響應基因水平均顯著增加（圖7 A-C）。炎性細胞因子定量和qPCR實驗結果顯示，AD受體小鼠中IL-6和IL-1β、ALOX-5相關基因表達水平顯著增加（圖7 D、E）。
圖7 移植AD患者糞菌后的無菌小鼠小鼠表現出C/EBPβ/AEP通路激活且與炎癥水平升高相關
小編小結
本文的研究結果表明，人類微生物組可能是阿爾茨海默病的危險因素。通過個性化飲食、有益微生物群干預以及糞菌移植來調節腸道微生物群或可有助于減少炎癥和治療包括AD在內的腦部疾病。
中科優品推薦
【中科新生命】全面推出腸道微生物群-免疫系統多組學解決方案，多角度、多層次、全方位深入挖掘腸道菌群和免疫系統之間的關聯性，并結合表型結果，擬幫助科研人員開發一種新型干預性措施的潛在靶點。
腸-免疫-靶軸系統研究方案
· 16s/宏基因組----腸道微生物的組成及改變
· 免疫代謝組----腸道微生物產生的用于調控機體免疫的代謝物
· 免疫因子組----腸道微生物如何影響機體免疫
· 轉錄/蛋白質組----對終端靶器官應對炎癥響應機制的系統描述
【中科新生命】全面推出腸道微生物群-免疫系統多組學解決方案，多角度、多層次、全方位深入挖掘腸道菌群和免疫系統之間的關聯性，并結合表型結果，擬幫助科研人員開發一種新型干預性措施的潛在靶點。
腸-免疫-靶軸系統研究方案
· 16s/宏基因組----腸道微生物的組成及改變
· 免疫代謝組----腸道微生物產生的用于調控機體免疫的代謝物
· 免疫因子組----腸道微生物如何影響機體免疫
· 轉錄/蛋白質組----對終端靶器官應對炎癥響應機制的系統描述
Copyright(C) 1998-2025 生物器材網 電話：021-64166852;13621656896 E-mail：info@bio-equip.com