抑郁癥是全球健康的一大負擔，2019 年冠狀病毒病大流行對精神健康造成的不利影響更是加劇了這一狀況。上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院在《Cell Metabolism》上發表了題為“Gut bacteria-driven homovanillic acid alleviates depression by modulating synaptic integrity”的研(yan)究成果，在此研(yan)究中，通(tong)過(guo)抑(yi)郁癥小鼠模型研(yan)究了(le)這些獨特的腸(chang)道(dao)微(wei)(wei)生(sheng)物及其調節代謝物，并進(jin)一步探索(suo)了(le)腸(chang)道(dao)微(wei)(wei)生(sheng)物代謝物與突觸(chu)功能相互(hu)(hu)作(zuo)用的機(ji)制(zhi)，突觸(chu)功能是抑(yi)郁癥情緒和認知的潛在關鍵(jian)調節因子。進(jin)而(er)闡明抑(yi)郁癥中腸(chang)道(dao)微(wei)(wei)生(sheng)物群-腦軸(zhou)的復(fu)雜相互(hu)(hu)作(zuo)用和分子機(ji)制(zhi)，為開發抑(yi)郁癥治療靶向療法鋪平新途(tu)徑。

本研究(jiu)的宏基因組和部(bu)分(fen)數據(ju)分(fen)析工(gong)作由上海(hai)派森諾(nuo)生(sheng)物科技股份(fen)有限公司(si)完成(cheng)。

圖1 技術路(lu)線圖

研究成果(guo)

1.腸(chang)道微生物(wu)代謝(xie)物(wu)HVA在(zai)抑郁(yu)癥(zheng)中發揮作用(yong)

通過(guo)469例參與者（包括 262 名抑郁癥(zheng)患者和(he) 207 名健康對(dui)照者）組成的大(da)隊(dui)列樣(yang)本采集血(xue)清(qing)和(he)糞便，分(fen)別(bie)進行代(dai)謝組學(xue)和(he)宏基因組學(xue)測序(xu)分(fen)析。結(jie)果表明大(da)多(duo)數差異細(xi)菌(jun)屬(shu)于四個門(men)(men)：厚壁菌(jun)門(men)(men)、變形菌(jun)門(men)(men)、擬(ni)桿菌(jun)門(men)(men)和(he)放線菌(jun)門(men)(men)（圖(tu)2C）。大(da)多(duo)數神經遞(di)質(zhi)在酪氨(an)酸(suan)(suan)、色氨(an)酸(suan)(suan)和(he)谷氨(an)酸(suan)(suan)代(dai)謝等(deng)代(dai)謝途徑中(zhong)表現出(chu)富集 。從該池中(zhong)選擇了(le)三種(zhong)效(xiao)應量最顯著的代(dai)謝物，HVA，L-色氨(an)酸(suan)(suan)和(he)L-酪氨(an)酸(suan)(suan)（圖(tu)2F）。

然后，對代(dai)謝(xie)物、細(xi)菌和HAMD評分(fen)之間(jian)進行(xing) Spearman 相關(guan)(guan)(guan)性(xing)(xing)分(fen)析(xi)（圖 2G）。結果(guo)(guo)顯示，三種代(dai)謝(xie)物與(yu)HAMD評分(fen)負(fu)相關(guan)(guan)(guan)；代(dai)謝(xie)物HVA與(yu)細(xi)菌的相關(guan)(guan)(guan)性(xing)(xing)最強；四(si)種腸道微生(sheng)物Roseburia intestinalis、Bifidobacterium longum、Roseburia feecis 和 Eubacterium rectale，與(yu) HVA 水平呈(cheng)正相關(guan)(guan)(guan)（圖 2H），在抑郁癥患者(zhe)中豐度較低。采用(yong)DIABLO算法評估(gu)代(dai)謝(xie)組學與(yu)宏(hong)基(ji)因組學數(shu)據之間(jian)的相關(guan)(guan)(guan)性(xing)(xing)。結果(guo)(guo)表明，這兩個組學數(shu)據集之間(jian)存在顯著相關(guan)(guan)(guan)性(xing)(xing)。抑郁癥中血清和糞便(bian)中 HVA 的濃(nong)度降低。以(yi)上結果(guo)(guo)表明 HVA 在連接腸道微生(sheng)物組和抑郁癥方面的關(guan)(guan)(guan)鍵作(zuo)用(yong)。

圖2 （A-H） 抑郁(yu)癥患者的腸道微(wei)生物(wu)組和新陳代(dai)謝發生變化(hua)

2.Intestinal B. longum在(zai)促進(jin)R. intestinalis的促進(jin)下產(chan)生 HVA

為了(le)確定 HVA 是否是腸(chang)道(dao)微生物組衍生的代謝物，我們(men)量化了(le)胃(wei)腸(chang)道(dao)組織(zhi)和(he)大腦中的 HVA 水平。研(yan)究發現(xian)胃(wei)腸(chang)道(dao)HVA總量較高，與無(wu)特定病原體（SPF）小鼠(shu)相比，無(wu)菌（GF）小鼠(shu)在(zai)胃(wei)腸(chang)道(dao)組織(zhi)（3B）以及(ji)大腦和(he)血清（3C和(he)3D）中，HVA水平顯著降低。這些結果(guo)強調了(le)腸(chang)道(dao)微生物組對 HVA 產生的重大貢獻。

以小鼠(shu)飼料提(ti)取物(wu)為底物(wu)體(ti)(ti)外(wai)單獨培(pei)養(yang)每種細(xi)菌。結果表明，B. longum可以產(chan)生(sheng)(sheng)HVA。將這(zhe)三(san)種細(xi)菌各自施用于小鼠(shu)，發現在 R. intestinalis 給藥(yao)后，B. longum的(de)相對(dui)豐度和(he)HVA水平顯著升(sheng)高（圖3G 和(he)圖3H），表明 R. intestinalis 可以增強B. longum的(de)豐度，進(jin)而產(chan)生(sheng)(sheng) HVA。且(qie)在體(ti)(ti)外(wai)共培(pei)養(yang) B. longum 和(he) R. intestinalis時無(wu)法觀察到(dao)這(zhe)種促(cu)進(jin)，證實了體(ti)(ti)內腸道(dao)微生(sheng)(sheng)物(wu)組之間的(de)動態和(he)復雜的(de)相互(hu)作用。

圖3（A-U） 抑(yi)郁癥小鼠(shu)模型(xing)中的腸道微生物群和 HVA 代(dai)謝。

3.Intestinal B. longum和R. intestinalis以及HVA在(zai)具有抑郁行為的小鼠模型中耗盡

為了(le)驗證臨(lin)床抑郁癥(zheng)患者腸道微生(sheng)物(wu)組和代謝物(wu)改變，進一步研究了(le)小鼠模(mo)(mo)型中(zhong)Intestinal B. longum、R. intestinalis和 HVA 的(de)變化(hua)。使(shi)用了(le)兩種(zhong)具有抑郁行為的(de)成熟(shu)小鼠模(mo)(mo)型，包括(kuo)CUMS模(mo)(mo)型和CORT干預模(mo)(mo)型（圖3I）。在兩種(zhong)模(mo)(mo)型中(zhong)，盲(mang)腸內容物(wu)中(zhong)B. longum和R. intestinalis的(de)豐度（圖3P-3S）以(yi)及HVA的(de)血清濃度（圖3T和3U）均顯著降低。

4.HVA、B. longum 或 R. intestinalis 可(ke)緩(huan)解小鼠(shu)的抑郁表型(xing)

接下來進一(yi)步研究了 HVA 和腸道微生物是否(fou)具有(you)治療小鼠模型(xing)抑郁癥的潛(qian)力。首(shou)先評(ping)估藥代動力學參數以確定(ding)HVA的給藥劑量(liang)，由于HVA的吸收半(ban)衰(shuai)期約(yue)為6小時，每天(tian)兩(liang)(liang)次用HVA治療小鼠以保持(chi)其血清濃度。基(ji)于這些參數，在CUMS和CORT小鼠模型(xing)中以100或300mg / kg的劑量(liang)施用HVA，每天(tian)兩(liang)(liang)次，持(chi)續5周(zhou)。行為表(biao)型(xing)測試表(biao)明HVA對(dui)抑郁癥和心率變異性(xing)（HRV）具有(you)治療作用，作為迷走神經活動的指標(biao)。300 mg/kg 劑量(liang)的 HVA 在改善抑郁表(biao)型(xing)方面比(bi) 100 mg/kg 更有(you)效。

然后，用HVA，B. longum和(he)(he)(he)R. intestinalis每(mei)天兩次，持續5周（圖4B和(he)(he)(he)4C）。行為測試表(biao)明(ming)，干預(yu)后不動時間顯著(zhu)減(jian)少（圖 4D-4G）和(he)(he)(he)蔗糖(tang)偏好增加（圖 4H 和(he)(he)(he) 4I）。還觀察到基(ji)于成熟腦源(yuan)性神(shen)經(jing)營養因(yin)子（mBDNF）蛋(dan)白表(biao)達(da)增加的(de)神(shen)經(jing)保護作用，mBDNF蛋(dan)白是神(shen)經(jing)源(yuan)性加工中的(de)關鍵(jian)調節蛋(dan)白（圖4J和(he)(he)(he)4K）。這些結果(guo)表(biao)明(ming) HVA、B. longum 和(he)(he)(he) R. intestinalis 在緩解小鼠抑(yi)郁(yu)表(biao)型方(fang)面的(de)潛力。

圖4（A-K） HVA、B. longum 或 R. intestinalis 可緩解小鼠(shu)模(mo)型(xing)中的抑郁表型(xing)

5.HVA 通過恢復(fu)海馬突(tu)觸來緩解抑(yi)郁癥

由(you)于(yu) HVA 對抑郁癥具有治(zhi)療作(zuo)用(yong)，增加海(hai)馬體(ti)中(zhong) mBDNF 的(de)表(biao)達，假設(she)腸道來源的(de) HVA 可以(yi)穿過血(xue)腦屏障(zhang) （BBB） 并直接(jie)在大(da)腦內發(fa)揮抗(kang)抑郁作(zuo)用(yong)。因此(ci)，將同位素標記(ji)的(de)HVA-d3施用(yong)于(yu)小(xiao)鼠(shu)(shu)，可以(yi)在血(xue)清和三個大(da)腦區域（延髓、海(hai)馬體(ti)和前額葉皮層）（圖(tu)5A）中(zhong)檢測到，表(biao)明HVA可以(yi)穿透BBB。我們還發(fa)現，接(jie)受(shou)HVA和B. longum干預(yu)的(de)小(xiao)鼠(shu)(shu)大(da)腦中(zhong)的(de)HVA濃度顯著增加（圖(tu)5B和5C）。與SPF小(xiao)鼠(shu)(shu)相比，GF小(xiao)鼠(shu)(shu)的(de)HVA水平降(jiang)低（圖(tu)5B-5D）證(zheng)實了大(da)腦中(zhong)的(de)HVA受(shou)腸道微生物組的(de)調節。

因為海馬體的突(tu)觸(chu)(chu)損(sun)傷被認為是抑(yi)郁癥的主要病理(li)基礎，進一步探索了(le)接受(shou)HVA，B. longum或 R. intestinalis治療的CUMS和CORT小鼠模(mo)型中的突(tu)觸(chu)(chu)可塑性 。免疫熒光分析(xi)（圖5D和5E）和蛋白質印(yin)跡分析(xi)（圖5F和5G）顯(xian)示，海馬體中的突(tu)觸(chu)(chu)前膜蛋白突(tu)觸(chu)(chu)蛋白-1（SYN1）在治療下顯(xian)著上調(diao)。結果表明，HVA保護了(le)海馬神經元的突(tu)觸(chu)(chu)前膜，并減輕了(le)與抑(yi)郁癥相關的突(tu)觸(chu)(chu)功能障礙(ai)。

圖5（A-I）HVA 減輕海馬體(ti)突觸喪失

6.HVA 通(tong)過抑制自噬死亡來促進突觸可塑(su)性

作(zuo)者進一步探討(tao)了(le)HVA在自(zi)噬(shi)(shi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)，以(yi)闡明突(tu)觸(chu)可塑(su)性改善的(de)(de)(de)(de)機(ji)制。自(zi)噬(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)發生涉及一個非(fei)常復雜的(de)(de)(de)(de)機(ji)制，我(wo)們檢查了(le)微管(guan)相(xiang)關蛋(dan)白(bai)1輕鏈(lian)3（LC3）和SQSTM1/p62的(de)(de)(de)(de)表達，其是(shi)在海馬(ma)體的(de)(de)(de)(de)齒狀回 （DG）區域的(de)(de)(de)(de)自(zi)噬(shi)(shi)生化標志物（圖6A）。與對照(zhao)組相(xiang)比，在抑(yi)郁小鼠(shu)模型中(zhong)觀(guan)察到(dao)過度自(zi)噬(shi)(shi)，LC3 和 SQSTM1/p62 蛋(dan)白(bai)表達降低。HVA 干預(yu)后，這些(xie)蛋(dan)白(bai)的(de)(de)(de)(de)表達正(zheng)常化，類似于在正(zheng)常小鼠(shu)中(zhong)觀(guan)察到(dao)的(de)(de)(de)(de)水平。當用(yong) B. longum 或 R. intestinalis 處理時，也觀(guan)察到(dao)HVA的(de)(de)(de)(de)這種(zhong)影響(xiang)（圖6B-C）。

然后(hou)在(zai)HT22小鼠海(hai)馬(ma)神經(jing)元(yuan)細(xi)胞系(xi)中(zhong)進(jin)行了(le)體外實驗，其中(zhong)自(zi)噬(shi)(shi)是通(tong)過(guo)葡(pu)萄糖剝奪或 CORT 誘導(dao)的(de)。隨后(hou)，用HVA和(he)自(zi)噬(shi)(shi)抑制劑氯喹(kui)處理細(xi)胞。葡(pu)萄糖剝奪后(hou)，HT22細(xi)胞經(jing)歷了(le)細(xi)胞密度(du)降(jiang)低、廣泛的(de)細(xi)胞死亡和(he)明顯的(de)過(guo)度(du)自(zi)噬(shi)(shi)，其特(te)征是 LC3 和(he) SQSTM1/p62 蛋(dan)(dan)白(bai)的(de)耗竭以及自(zi)噬(shi)(shi)體內(nei)容(rong)物的(de)降(jiang)解。接受HVA和(he)氯喹(kui)處理的(de)細(xi)胞減輕了(le)自(zi)噬(shi)(shi)體內(nei)容(rong)物的(de)過(guo)度(du)降(jiang)解（圖6D-E）。在(zai)暴(bao)露于CORT的(de)細(xi)胞中(zhong)，我(wo)們還發現HVA抑制LC3蛋(dan)(dan)白(bai)的(de)轉化，抑制自(zi)噬(shi)(shi)體的(de)形成（圖6F-G）。綜上所述，HVA通(tong)過(guo)調節蛋(dan)(dan)白(bai)質(zhi)水平和(he)自(zi)噬(shi)(shi)體數量(liang)，對(dui)過(guo)度(du)自(zi)噬(shi)(shi)發揮(hui)抑制作用。

圖6（A-G）HVA 通(tong)過抑制自噬死亡(wang)來增(zeng)加海(hai)馬突觸可塑性

研(yan)究結論

研究表明，HVA由(you)B. longum產生(sheng)，由(you)含(han)有(you)R. intestinalis的混合菌增強，可有(you)效減輕抑郁并調節突(tu)觸完整性。該發(fa)現強調了(le)腸道微生(sheng)物群在(zai)調節突(tu)觸完整性方(fang)面的作(zuo)用，并為抑郁癥的新治療(liao)策略提供了(le)見解(jie)。

原(yuan)文鏈接(jie)：//doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136827