2021-06-04
近期，派森諾與上海交通大學附屬瑞金醫院合作，在(zai)《Microbiome》（影響因子：11.607）發(fa)表論(lun)文，結合(he)生(sheng)理(li)實驗、高通量測序、代謝(xie)組檢測與(yu)糞菌移植等實驗，研究了(le)骨鈣蛋(dan)白對帕金(jin)森病的神(shen)經保(bao)護(hu)作用，及其作用機制，可喜可賀！
腸-腦軸研究背景
帕金森(sen)病（PD）是一種神經退行性疾病，不(bu)能完全(quan)治愈。近年(nian)的(de)(de)研(yan)究(jiu)顯示PD患者與健康人(ren)的(de)(de)腸(chang)道(dao)(dao)微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)群落具(ju)有(you)差異。腸(chang)道(dao)(dao)微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)的(de)(de)主要(yao)(yao)(yao)代謝產物(wu)是短鏈脂肪酸（SCFAs），能將腸(chang)道(dao)(dao)菌群的(de)(de)信號傳遞給宿(su)主，且對(dui)調節腦功能和血(xue)液(ye)組織(zhi)屏障的(de)(de)完整性有(you)積(ji)極的(de)(de)作用(yong)，但同時(shi)也是PD模型中(zhong)，加速神經炎(yan)癥(zheng)和α-觸(chu)核蛋白病的(de)(de)主要(yao)(yao)(yao)調節因(yin)子(zi)。因(yin)此，深(shen)入研(yan)究(jiu)腸(chang)道(dao)(dao)微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)，對(dui)治療或改善PD具(ju)有(you)重要(yao)(yao)(yao)意義。
骨鈣蛋白（OCN）是(shi)一種成骨細胞分(fen)泌蛋白，它(ta)對(dui)腦(nao)功(gong)能有調節作用，可穿透血腦(nao)屏(ping)障，與海馬CA3區神經元(yuan)(yuan)直接結合，恢復小(xiao)鼠(shu)認(ren)知功(gong)能。已有研(yan)(yan)究(jiu)表明，OCN可能會影響(xiang)菌(jun)群(qun)組(zu)成，因(yin)此(ci)，本研(yan)(yan)究(jiu)假設OCN可以通(tong)過調節PD小(xiao)鼠(shu)的(de)腸(chang)道(dao)微(wei)生物組(zu)來預(yu)防運動損傷和多巴胺(an)能神經元(yuan)(yuan)丟失，并針對(dui)OCN、腸(chang)道(dao)菌(jun)群(qun)對(dui)PD的(de)治療(liao)作用與機理進行(xing)了研(yan)(yan)究(jiu)。
腸-腦軸研究方法
測序平臺：Illumina高通(tong)量測序平臺
測序(xu)區域：微生物組細(xi)菌16S rRNA基因V3-V4區
腸-腦軸研究結果
1. OCN對PD小鼠的神(shen)經保護(hu)作(zuo)用，及其與腸(chang)道菌(jun)群的關(guan)聯
動物實驗(yan)結果顯示，OCN可預防6-羥基多(duo)巴(ba)胺(an)（6-OHDA）誘導的(de)帕(pa)金(jin)森病小鼠(shu)的(de)運動損(sun)傷和多(duo)巴(ba)胺(an)能(neng)神(shen)經(jing)(jing)元損(sun)失。服用(yong)(yong)(yong)(yong)OCN前4周使用(yong)(yong)(yong)(yong)抗(kang)生素消(xiao)除腸道(dao)菌群后，OCN對小鼠(shu)運動功能(neng)的(de)改善(shan)和多(duo)巴(ba)胺(an)神(shen)經(jing)(jing)元損(sun)傷的(de)保(bao)護(hu)作用(yong)(yong)(yong)(yong)不再(zai)有效，這(zhe)表(biao)明OCN對PD小鼠(shu)的(de)神(shen)經(jing)(jing)保(bao)護(hu)作用(yong)(yong)(yong)(yong)是(shi)由腸道(dao)菌群介導。糞便菌群移植(zhi)實驗(yan)也(ye)得出了相同的(de)結論。
圖1 OCN給(gei)藥可預防6-OHDA誘導(dao)的帕金森病小鼠的運(yun)動損(sun)傷和多巴胺能神經元(yuan)損(sun)失(shi)
圖2 抗生(sheng)素預處理使(shi)OCN處理未能成(cheng)功(gong)預防帕(pa)金森病小鼠的運(yun)動損(sun)傷和多巴(ba)胺能神經元損(sun)失
圖3 糞便(bian)菌(jun)群移植實驗及運動障礙測試
2. PD小(xiao)鼠(shu)與OCN治(zhi)療PD小(xiao)鼠(shu)的(de)腸道(dao)微生物(wu)群落(luo)變化
微生物組測序結果顯示，PD小鼠腸道微生物組成與對照組有顯著差異（P<0.05），而OCN處理后，PD小鼠的微生物群落結構恢復到對照組的水平。從門水平上的微生物類群來看，PD小鼠與對照組也有顯著差異。與對照組相比，PD小鼠的Bacteroidetes、S24-7、Rikenellaceae、Erysipelotrichaceae相對豐度顯著降低，而Firmicutes、Lachnospiraceae、unclassified Clostridiales則顯著升高。有趣的是，OCN給藥后，PD小鼠的這種微生物類群變化得到了顯著改善。
PICRUSt功能預測分析發現，PD小(xiao)鼠腸(chang)道微生(sheng)(sheng)物(wu)的(de)(de)(de)(de)產丙酸(suan)能力(li)有明顯降(jiang)低，與此同時，與丁酸(suan)鹽(yan)生(sheng)(sheng)產相關(guan)的(de)(de)(de)(de)KO的(de)(de)(de)(de)相對(dui)豐度也發生(sheng)(sheng)了變化。值得注意的(de)(de)(de)(de)是，OCN給藥成功地逆(ni)轉了PD小(xiao)鼠的(de)(de)(de)(de)這(zhe)些變化。這(zhe)表明，OCN的(de)(de)(de)(de)干(gan)預可(ke)(ke)以(yi)改變PD小(xiao)鼠的(de)(de)(de)(de)微生(sheng)(sheng)物(wu)群落(luo)組成，還可(ke)(ke)能增(zeng)強細菌產生(sheng)(sheng)丙酸(suan)的(de)(de)(de)(de)潛能。
圖4 OCN給(gei)藥對6-OHDA誘導的PD小(xiao)鼠腸道微(wei)生物群落失調(diao)的調(diao)節(jie)作(zuo)用
3. OCN對(dui)PD小(xiao)鼠(shu)糞(fen)便丙酸水平的影響
為進一步研究細菌SCFAs是否發生改變，作者用氣相色譜/質譜（GC/MS）分析了糞便中SCFAs的含量。結果顯示，6-OHDA誘導的PD小鼠糞便丙酸含量顯著低于對照組，而OCN治療顯著逆轉了這一變化。相關性分析結果顯示，糞便中丙酸水平與S24-7、Rikenellaceae呈正相關，而與Lachnosipraceae、unclassified Clostridiales呈負相關。
更重要的(de)是，糞便(bian)中丙酸水平(ping)與曠場試驗(yan)、圓(yuan)柱(zhu)體試驗(yan)和(he)轉桿試驗(yan)的(de)運動功(gong)能參(can)數呈正相關。因此(ci)，腸道微生物對(dui)OCN神經保(bao)護作(zuo)用的(de)介導(dao)，可能與丙酸有(you)關。
圖5 OCN給藥可(ke)增加(jia)6-OHDA誘導(dao)的PD小鼠的糞便丙(bing)酸水平
4. 丙酸和(he)FFAR3激(ji)動劑(ji)預防PD小鼠運(yun)動損傷和(he)多(duo)巴胺能神經元丟失
為進(jin)一步驗證丙(bing)酸(suan)與(yu)PD小鼠(shu)(shu)運動功能(neng)改善的關系，作者在6-OHDA誘(you)導的PD小鼠(shu)(shu)飲(yin)水中加入(ru)丙(bing)酸(suan)鈉。結果表明，口服丙(bing)酸(suan)能(neng)有(you)效(xiao)改善曠場試驗、圓筒試驗中小鼠(shu)(shu)的運動功能(neng)，并阻止(zhi)PD小鼠(shu)(shu)大腦(nao)注射6-OHDA側近40%的多(duo)巴胺(an)能(neng)神經元丟失。這表明，丙(bing)酸(suan)可能(neng)是腸道微(wei)生物群落衍生的信號(hao)，與(yu)帕金森病的發展有(you)關，并且可能(neng)是OCN改善帕金森病的靶(ba)點。
隨后，進(jin)一步對(dui)PD小(xiao)鼠(shu)進(jin)行FFAR3（介(jie)導丙酸保護作(zuo)用(yong)的主要受(shou)體類(lei)型(xing)）激動劑灌胃(wei)處理，得到了與丙酸類(lei)似的神(shen)經(jing)保護作(zuo)用(yong)。
圖6口服丙酸預防6-OHDA誘導的PD小鼠(shu)的運動障礙和多(duo)巴胺能神經元丟失
圖(tu)7在(zai)6-OHDA誘導的(de)PD小鼠中，給藥FFAR3激動劑防止運動障礙(ai)和(he)多巴(ba)胺能(neng)神經元丟失
5. 腸神(shen)(shen)經系統與丙酸對PD小鼠神(shen)(shen)經保護作用(yong)的(de)關聯
測(ce)量FFAR3在不(bu)同(tong)組織中的(de)(de)表達(da)后(hou)發現(xian)，FFAR3在空腸(chang)、回腸(chang)和結腸(chang)中的(de)(de)相對表達(da)遠(yuan)高于在皮(pi)質、海馬(ma)和大腦紋狀體等神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)器(qi)官中的(de)(de)相對表達(da)。順鉑（一(yi)種已(yi)知的(de)(de)腸(chang)道(dao)神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)毒素）灌胃實驗(yan)顯示，在腸(chang)道(dao)細胞耗盡(jin)的(de)(de)小(xiao)鼠中，丙(bing)酸對多巴胺(an)能神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元丟失(shi)的(de)(de)保(bao)護作(zuo)用(yong)不(bu)再顯著。這表明，丙(bing)酸對PD的(de)(de)神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)保(bao)護作(zuo)用(yong)可(ke)能與腸(chang)神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)系統(tong)有關(guan)，即丙(bing)酸可(ke)能作(zuo)為針(zhen)對腸(chang)神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)系統(tong)的(de)(de)FFAR3激動(dong)劑，對PD小(xiao)鼠發揮神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)保(bao)護作(zuo)用(yong)。
圖8腸神經系統介導了丙酸對6-OHDA誘導的(de)PD小(xiao)鼠的(de)神經保護作用。
綜上所述，OCN可通(tong)過改變腸道微生(sheng)(sheng)物(wu)群落，促進(jin)微生(sheng)(sheng)物(wu)來源的(de)(de)丙(bing)酸的(de)(de)產生(sheng)(sheng)，而(er)丙(bing)酸可以激活腸神經元(yuan)中的(de)(de)FFAR3，從而(er)發揮其(qi)對帕金(jin)森病的(de)(de)保(bao)護作用。
腸-腦軸研究結論
本研(yan)究通過(guo)多組學整合關聯研(yan)究的(de)策略(lve)，結合糞菌移植等實驗，對OCN、腸道菌群對PD的(de)治療作用與機理進(jin)行了研(yan)究，并(bing)得(de)出以下結論：
①OCN可(ke)顯(xian)著(zhu)改(gai)善(shan)PD小鼠運動功能障礙和多巴胺能神經元丟失(shi)；
②OCN處理可(ke)恢(hui)復PD小鼠(shu)的腸道菌群失(shi)調，使擬桿菌門豐度增(zeng)加(jia)，厚(hou)壁菌門豐度減(jian)少，并(bing)增(zeng)加(jia)丙酸鹽產生菌及糞便丙酸鹽水平；
③抗生素處理實(shi)驗與糞菌移植實(shi)驗表明腸道菌群介導了OCN的神經保護作用；
④口服丙酸(suan)鹽2個月可通過腸神經(jing)元依賴(lai)性的(de)方式(shi)，恢復PD小鼠(shu)的(de)運(yun)動(dong)功能及多巴(ba)胺能神經(jing)元；
⑤FFAR3（丙酸鹽受體）激動劑有類似(si)的神經保護作用。
腸-腦軸研究的測序和部(bu)分數據(ju)分析工作由(you)上(shang)海(hai)派(pai)森諾生物科技有限公司完成。
