2025-04-07
隨著全球人口老齡化加劇，腦衰老引發(fa)的(de)認知功能障礙成為日(ri)益(yi)突(tu)出的(de)健康問題，其中(zhong)阿爾茨海默病（AD）的(de)患病率(lv)逐年攀升。腸(chang)道(dao)菌群作為腸(chang)道(dao)微環境的(de)關(guan)鍵部分，雖與認知功能緊密相關(guan)，但它與衰老相關(guan)認知障礙的(de)聯系及(ji)機制尚不(bu)明(ming)確。近期，河北醫科大學(xue)許順江教授團隊在International Journal of Biological Macromolecules發(fa)表文章“Dynamic changes in the gut microbiota play a critical role in age-associated cognitive dysfunction via SCFAs and LPS synthesis metabolic pathways during brain aging”，揭示自然衰老過程(cheng)中(zhong)，部分關(guan)鍵的(de)腸(chang)道(dao)細菌分類(lei)群，借助短鏈脂肪酸(suan)（SCFAs）和(he)脂多糖（LPS）合(he)成代謝途徑，在與年齡相關(guan)的(de)認知功能障礙中(zhong)起到了(le)至關(guan)重(zhong)要的(de)作用。
本研究中(zhong)16S rRNA 測序和部(bu)分(fen)(fen)數據分(fen)(fen)析工作由上海派森諾生物(wu)科技股(gu)份(fen)有限(xian)公司完成。
技術路線
研究(jiu)方法
1、實(shi)驗材料(liao)與樣(yang)本(ben)采(cai)集(ji)：特定(ding)環境下飼(si)養清潔級(ji) 3 周齡的(de) SAMR1 和 SAMP8 小鼠，于 1、3、6、9 月齡時收集(ji)糞便，評估(gu)認(ren)知功能(neng)后采(cai)集(ji)血清、結腸和海馬組織(zhi)樣(yang)本(ben)。同時招募(mu) 60 歲(sui)以上(shang)的(de)遺(yi)忘型(xing)輕度認(ren)知障礙(ai)（aMCI）患者(zhe)和認(ren)知正常對(dui)照（NC），采(cai)集(ji)糞便和血清樣(yang)本(ben)。
2、腸道(dao)(dao)菌(jun)(jun)群測(ce)序(xu)：對(dui)小鼠和人類糞(fen)便(bian)樣本進(jin)行16S rRNA基(ji)因測(ce)序(xu)，確定腸道(dao)(dao)菌(jun)(jun)群組成(cheng)，使用PICRUSt2軟件預測(ce)腸道(dao)(dao)菌(jun)(jun)群功能。
3、糞便(bian)微(wei)生物群移(yi)植(zhi)（FMT）實驗：將 10 周齡小鼠(shu)進(jin)一步(bu)分為 SAMR1 、SAMP8 和 FMT 組（移(yi)植(zhi)前接受抗生素處(chu)理）；后續制備SAMR1 小鼠(shu)糞便(bian)懸液(ye)，移(yi)植(zhi)給 FMT 組持續 3個月。
4、數據(ju)分(fen)析(xi)(xi)：使用 SPSS21.0 進行統計分(fen)析(xi)(xi)，包括(kuo)正態(tai)檢(jian)驗、組間差(cha)異分(fen)析(xi)(xi)、相關性分(fen)析(xi)(xi)等，以此探究腸道菌群與(yu)認知(zhi)功能之間的關系。
圖(tu)1 整體實驗示意(yi)圖(tu)
研究結果
1、SAMP8 小鼠的認知障礙及(ji)類阿爾茨(ci)海默病(bing)樣(yang)的病(bing)理特(te)征
選用SAMP8 及同源對照 SAMR1 小鼠進行Morris水迷宮實驗，發現(xian)SAMP8 小鼠表現(xian)出認(ren)知(zhi)障礙，且海馬體中AD病樣病理(li)特征顯著明顯于SAMR1 （圖 2F - I），適合用于研(yan)究年齡相關(guan)的阿爾茨(ci)海默病。
圖(tu)2 SAMP8小鼠認知功能觀測實驗(yan)和AD樣病理特(te)征(zheng)差異比較結果
2、SAMP小鼠腸(chang)道菌群發生動態(tai)變化
分析不同月齡的(de)(de)SAMR 1和SAMP 8小鼠糞便(bian)樣(yang)本測序結果(guo)，Chao1 指(zhi)數和 Faith_pd 指(zhi)數均隨月份同增長（圖 3A - B）； β 多(duo)樣(yang)性表現(xian)為組內(nei)聚集(ji)，組間(jian)分散，在多(duo)個月齡間(jian)有顯著差異(yi)（圖3C - H）;且兩種模型的(de)(de)top30屬在自然衰(shuai)老過程中，豐度均發生動態(tai)變化。
使用PAM 聚類發現物種(zhong)組成為4個cluster，在NMDS下被顯(xian)著分離（圖(tu) 3J）；衰老(lao)過程中(zhong)最(zui)具特異性(xing)的(de)屬也顯(xian)著變化（圖(tu) 3K），統計結果加以驗證(zheng)改變化（圖(tu) 3I）。
圖3 自然衰老(lao)過(guo)程中SAMR 1和SAMP 8小鼠(shu)腸道菌群的動態(tai)變化
3、FMT 改(gai)善 SAMP8 小鼠認(ren)知功能并改(gai)變其腸道(dao)菌群組(zu)成
Spearman分析(xi)發(fa)現(xian)(xian)，擬桿菌屬(shu)的(de)豐度(du)與(yu)認知功能呈負相關(guan)，而乳酸(suan)菌屬(shu)、顫(zhan)螺旋(xuan)菌屬(shu)等與(yu)認知功能呈正(zheng)相關(guan)（圖(tu) 4A）；FMT實驗中(zhong)，抗(kang)生素處(chu)理清除了 SAMP8 小鼠體內大(da)部(bu)分腸道菌群，表(biao)現(xian)(xian)為Chao1 和 Faith_pd 指數顯(xian)著(zhu)下降(jiang)（圖(tu) 4C - D）。PCA分析(xi)中(zhong)，抗(kang)生素治(zhi)療顯(xian)著(zhu)改(gai)變(bian)了微生物群落的(de)組(zu)成（圖(tu) 4E）。此外(wai)，門水平上，FMT組(zu)中(zhong)SAMP8小鼠的(de)微生物群落結構從Bacteroidetes和Firmicutes占主導地位轉變(bian)為Proteobacteria和Firmicutes占主導（圖(tu)4F）。
Morris水(shui)迷(mi)宮和 Y 迷(mi)宮自發交替(ti)實驗中(zhong)，與(yu)SAMP8 組(zu)(zu)(zu)相比，糞菌(jun)移植3 個(ge)月(yue)后的(de)(de)FMT 組(zu)(zu)(zu)小(xiao)鼠(shu)(shu)表(biao)現更好，包括(kuo)平臺穿越次數(shu)(shu)更多(duo)、自發交替(ti)率更高等（圖(tu) 4G - L）。微生(sheng)物(wu)組(zu)(zu)(zu)成上，FMT組(zu)(zu)(zu)的(de)(de)chao1和faith_pd指數(shu)(shu)得到(dao)恢(hui)復（圖(tu)4M-N）。PCOA分析(xi)顯(xian)著區分三(san)組(zu)(zu)(zu)的(de)(de)腸道(dao)菌(jun)群組(zu)(zu)(zu)成，且FMT組(zu)(zu)(zu)與(yu)SAMR 1組(zu)(zu)(zu)更相似（圖(tu)4O），該點在門(men)水(shui)平的(de)(de)注釋(shi)信息上得到(dao)印證（圖(tu)4P）。以(yi)上均表(biao)明(ming)動態變化的(de)(de)腸道(dao)微生(sheng)物(wu)群在小(xiao)鼠(shu)(shu)自然衰(shuai)老期間的(de)(de)認知下(xia)降中(zhong)起關鍵作用。
圖4 FMT改善了SAMP8小鼠(shu)的認知能力下(xia)降(jiang)并改變腸道菌群組成
4、腸道菌群與(yu)人類大腦衰(shuai)老過(guo)程(cheng)的相關性
研究人(ren)(ren)(ren)員從 GMrepo 數據(ju)庫提取不同年齡健康(kang)人(ren)(ren)(ren)群(qun)(qun)(qun)關鍵腸道(dao)菌(jun)群(qun)(qun)(qun)的豐度數據(ju)并(bing)分(fen)組比(bi)較，發現部分(fen)菌(jun)群(qun)(qun)(qun)的變化趨(qu)勢在人(ren)(ren)(ren)和(he)小鼠間(jian)存在異同，如乳酸菌(jun)屬(shu)(shu)、梭菌(jun)屬(shu)(shu)和(he)阿克曼(man)菌(jun)屬(shu)(shu)在人(ren)(ren)(ren)和(he)小鼠中都隨年齡增長(chang)而減少，但(dan)顫螺(luo)旋菌(jun)屬(shu)(shu)、瘤胃球菌(jun)屬(shu)(shu)和(he)多爾(er)菌(jun)屬(shu)(shu)在人(ren)(ren)(ren)和(he)小鼠中的變化趨(qu)勢相(xiang)反。
研究(jiu)aMCI 患(huan)者和 NC健康對(dui)照(zhao)組(zu)，發現aMCI血清中(zhong)Aβ1-42水平(ping)顯著低于(yu)認知正常個體，p-Tau水平(ping)與(yu)Aβ1-42呈相反趨勢(shi)（圖(tu)(tu)5A-B）。16S測序結果中(zhong)，alpha和beta多樣性分(fen)析均有顯著差異（圖(tu)(tu)5E-F）。研究(jiu)發現關鍵菌群Lactobacillus、Oscillospira、kkermansia等都顯示出(chu)比單個細(xi)菌更好的辨別(bie)力（圖(tu)(tu)5G）。
圖5正常者和aMCI患者認知相關的腸道菌群(qun)組成變化及其預測(ce)價值
5、代(dai)謝(xie)途徑(jing)與(yu)認知功(gong)能(neng)障(zhang)礙的關系
使用(yong) PICRUSt2 預測(ce)并(bing)注(zhu)釋 16S rRNA 基因功能(neng)，得到(dao)與(yu)SCFAs和LPS相關(guan)(guan)的(de)(de)(de)代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)途(tu)(tu)(tu)徑豐(feng)度(du)(du)(du)(du)（6A-B），發現與(yu)SCFAs相關(guan)(guan)的(de)(de)(de)代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)途(tu)(tu)(tu)徑豐(feng)度(du)(du)(du)(du)隨年齡增長而降低(di)（圖 6C-E），LPS合成(cheng)(cheng)途(tu)(tu)(tu)徑的(de)(de)(de)豐(feng)度(du)(du)(du)(du)在(zai)衰(shuai)老(lao)過程中呈上升（圖 6F）。此外，FMT實驗中，與(yu) SAMP8 組相比，上述代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)通路(lu)的(de)(de)(de)豐(feng)度(du)(du)(du)(du)在(zai)FMT 組中得到(dao)恢復，丁酸代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)和LPS合成(cheng)(cheng)途(tu)(tu)(tu)徑受 FMT 的(de)(de)(de)影響最顯(xian)(xian)著（圖 6G-J）；分析aMCI關(guan)(guan)鍵代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)途(tu)(tu)(tu)徑的(de)(de)(de)豐(feng)度(du)(du)(du)(du)（圖 6K-N），發現多個SCFAs相關(guan)(guan)途(tu)(tu)(tu)徑的(de)(de)(de)豐(feng)度(du)(du)(du)(du)顯(xian)(xian)著低(di)于NC，而LPS合成(cheng)(cheng)途(tu)(tu)(tu)徑顯(xian)(xian)著升高。即與(yu)SCFAs和LPS相關(guan)(guan)的(de)(de)(de)代(dai)(dai)謝(xie)(xie)(xie)途(tu)(tu)(tu)徑均參(can)與(yu)了大腦衰(shuai)老(lao)過程中的(de)(de)(de)認知衰(shuai)退。
圖(tu)6可能(neng)參與(yu)SAMP8小鼠和aMCI患者認知(zhi)能(neng)力下(xia)降(jiang)的腸道微生(sheng)物群代(dai)謝途徑
6、腸(chang)道關鍵細菌與慢性全(quan)身(shen)性炎癥和(he)AD病理特(te)征相(xiang)關
檢測9 月齡 SAMR1 小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)和 SAMP8 小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)的血腦屏障（BBB）通透性和炎癥因子(zi)，發現(xian)SAMP8 小(xiao)鼠(shu)(shu)(shu)結腸（圖(tu) 7A-B）和海馬組織（圖(tu) 7C-D）中(zhong)(zhong)上皮緊(jin)密(mi)連接蛋白和閉合蛋白的表達顯著降(jiang)低，血清(qing)中(zhong)(zhong)的LPS、白細(xi)胞介素(su)- 1β（IL-1β）、白細(xi)胞介素(su) - 6（IL-6）和腫瘤壞死因子(zi) -α（TNF-α）水平顯著高(gao)于 SAMR1 （圖(tu) 7E-H）；aMCI患者血清(qing)中(zhong)(zhong)趨勢表現(xian)一致（圖(tu) 7I-L）。
spearman分析(xi)發(fa)現， 9 月齡的 SAMR1 和 SAMP8 中(zhong)，關(guan)(guan)鍵腸道(dao)(dao)細菌(jun)(jun)與(yu)(yu)(yu)結腸和海馬組織(zhi)中(zhong) Claudin 5 和 Occludin 的水(shui)(shui)平(ping)呈(cheng)正相(xiang)關(guan)(guan)，與(yu)(yu)(yu)血清中(zhong)炎(yan)癥(zheng)因子(zi)水(shui)(shui)平(ping)以(yi)及海馬組織(zhi)中(zhong)的AD病(bing)樣病(bing)理(li)特征呈(cheng)負相(xiang)關(guan)(guan)。人類(lei)的關(guan)(guan)鍵腸道(dao)(dao)菌(jun)(jun)群與(yu)(yu)(yu)血清中(zhong) β 淀粉樣蛋白 1-42（Aβ1-42）水(shui)(shui)平(ping)呈(cheng)正相(xiang)關(guan)(guan)，與(yu)(yu)(yu)LPS、IL-1β、IL-6、TNF-α 和磷酸化 tau 蛋白（p-Tau）水(shui)(shui)平(ping)呈(cheng)負相(xiang)關(guan)(guan)。即關(guan)(guan)鍵腸道(dao)(dao)細菌(jun)(jun)群與(yu)(yu)(yu)腸道(dao)(dao)屏障完整(zheng)性、慢性全身炎(yan)癥(zheng)、血腦屏障完整(zheng)性以(yi)及阿(a)爾(er)茨海默(mo)病(bing)樣病(bing)理(li)特征相(xiang)關(guan)(guan)。（圖(tu) 7M-N）
圖7關(guan)鍵腸道細(xi)菌與慢性(xing)(xing)全身性(xing)(xing)炎(yan)癥和AD病理特征的相(xiang)關(guan)性(xing)(xing)
研究(jiu)結論
在(zai)認(ren)知老(lao)(lao)化(hua)進(jin)程中，腸(chang)(chang)道菌群組成呈(cheng)現出動(dong)態變化(hua)的(de)特征。研究表(biao)明(ming)Lactobacillus、Akkermansia、Clostridium、Oscillospira 和 Dorea 是與認(ren)知下降(jiang)相(xiang)關(guan)(guan)的(de)關(guan)(guan)鍵細(xi)菌類(lei)群，同時 短鏈脂(zhi)肪酸（SCFAs）和脂(zhi)多(duo)糖（LPS）相(xiang)關(guan)(guan)的(de)代謝途徑，參與到(dao)認(ren)知老(lao)(lao)化(hua)引發的(de)相(xiang)關(guan)(guan)疾病(bing)進(jin)程中。這一(yi)發現為預防和治療(liao) AD 等(deng)神經(jing)退(tui)行性疾病(bing)提供了與腸(chang)(chang)道菌群相(xiang)關(guan)(guan)的(de)潛在(zai)靶(ba)點，這對(dui)于認(ren)知老(lao)(lao)化(hua)期間阿爾茨海(hai)默病(bing)（AD）的(de)預防和治療(liao)意義(yi)重大。
原文引(yin)用：Xiaoying Ma, Jiaying Liu, Lei Jiang, Zhaoyu Gao, Zhongli Shi, Nan Zhang, Zhen Wang, Shujin Li, Rui Zhang, Shunjiang Xu,
Dynamic changes in the gut microbiota play a critical role in age-associated cognitive dysfunction via SCFAs and LPS synthesis metabolic pathways during brain aging,
International Journal of Biological Macromolecules,
Volume 304, Part 2,2025,140945,ISSN 0141-8130,
原(yuan)文鏈接：//doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.140945
