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Gut（IF 23.059）| 肠菌-脑轴-免疫：肠道菌群调控阿尔茨海默病的新机制

2022-02-18

中科新生命

1859

美国埃默里大学叶克强教授等人于2022年1月在Gut（IF 23.059）期刊发表题为“Gut microbiota regulate Alzheimer’s disease pathologies and cognitive disorders via PUFA associated neuroinflammation”的文章，该研究通过阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）小鼠模型和人源化粪菌移植（FMT）实验发现，AD相关肠道菌群（以拟杆菌属富集为特征）可通过激活C/EBPβ/AEP通路，并上调促炎症性的多不饱和脂肪酸（Poly-unsaturated fatty acid，PUFA）代谢，以增强小神经胶质细胞活化及神经炎症，从而促进AD病理及认知障碍。这些发现支持行为缺陷、小胶质细胞激活和AD病理需要复杂的肠道微生物组，肠道微生物组有助于AD小鼠模型的病理，并且人类微生物组的失调可能是AD的危险因素。

研究材料

SPF 3×Tg AD小鼠、无菌小鼠（GF，3×Tg品系）、AD患者粪菌、3株拟杆菌属菌株

技术路线

· 步骤1：肠道菌群可促进AD小鼠的AD病理、认知障碍及小神经胶质细胞活化，激活C/EBPβ/AEP通路，上调PUFA代谢相关促炎症酶表达；

· 步骤2：肠道菌群增加小鼠大脑中的炎症性代谢产物水平，调节炎症性通路及胰岛素/IGF-1通路，短链脂肪酸（SCFAs）驱动C/EBPβ/AEP通路活化、AD小鼠的认知障碍及炎症；

· 步骤3：PUFA代谢相关拟杆菌属菌株在移植了AD患者菌群的无菌小鼠中增加，增强小鼠的AD病理及认知障碍，促进C/EBPβ/AEP通路活化，并上调炎症。

研究结果

1. 肠道菌群刺激3×Tg小鼠AD病理、认知缺陷和小胶质细胞激活

与SPF 3×Tg AD小鼠相比，3×Tg衍生GF小鼠海马和纤维状蛋白包涵体中的AT8、Aβ42减少，表明当肠道菌群耗尽时，AD病理得到缓解（图1 A-C）。同时，Y迷宫中的行为表明，GF小鼠与SPF小鼠相比，空间记忆功能显著改善（图1 D、E）。半自动定量形态三维测量显示，与SPF小鼠相比，GF小鼠的小胶质细胞形态发生了显著改变（图1 F-I）。

图1 与SPF小鼠相比，无菌小鼠显示出AD病理减少和认知功能改善

2. 肠道菌群激活C/EBPβ/AEP通路，提高PUFA代谢相关促炎酶表达水平

最近的研究表明C/EBPβ/AEP信号通路在时间和空间上调控AD病理，为了评估是否需要完整的肠道微生物组来刺激这一通路，从而导致AD发病机制，作者通过免疫印迹分析，发现与SFP小鼠相比，GF小鼠大脑中的C/EBPβ/AEP信号传导减弱，作为记忆障碍导致AD发病和炎症核心网络的花生四烯酸（AA）代谢途径相关的Lox5、Cox1和Cox2水平明显降低（图2 A、B）。蛋白酶测定显示GF小鼠的AEP酶活性低于SPF小鼠，这与活性AEP水平降低保持一致（图2 C）。GF小鼠中IL-6浓度（C/EBPβ是其主要转录因子）显著降低（图2 D）。qPCR结果显示，GF小鼠的CEBPβ靶点/AA通路基因表达下降（图2 E），与RNAseq数据趋势一致。上述结果表明，复杂的肠道菌群促进AD小鼠模型的病理过程。

图2 无菌小鼠表现出减弱的C/EBPβ/AEP通路和AA相关炎症

3. 肠道菌群提高炎症代谢物水平，并改变大脑中的炎症和胰岛素/IGF-1途径

为了评估肠道微生物组对AD相关转录反应的整体影响，作者对GF和SPF小鼠海马样本转录组测序，结果显示两者整体基因表达模式存在显著差异，与GF小鼠相比，参与AA代谢途径的基因在SPF小鼠中差异表达（上调：Hpgd、Ptges3和Cyp1b1；下调：Ptges2），这与上述的观测结果相符（图3 A-D）。此外，SPF小鼠的胰岛素信号传导及其相关的下游途径发生了异常改变，免疫印迹实验也证明了这一结果（图3 E、F）。这些结果表明，肠道菌群影响AD小鼠海马区基因的表达。

图3 肠道菌群影响AD小鼠模型海马区mRNA表达的转录组图谱

4. SCFAs可引起GF小鼠C/EBPβ/AEP激活、认知障碍和炎症反应，并被PGE2-G促进

前期研究表明SCFAs与AD相关，GF小鼠粪便和血清中SCFAs水平降低。为了研究SCFAs是否会部分模拟定殖SPF小鼠的肠道菌群触发C/EBPβ/AEP通路激活，作者设置了GF小鼠SCFAs补充饲喂实验。结果表明，相比对照GF小鼠，补充SCFAs小鼠中C/EBPβ下游靶标、AEP蛋白酶活性、IL-6和Aβ42水平显著增加，认知缓解水平降低（图4 A-H）。代谢组分析结果显示，与SPF相比，GF小鼠粪便中的PUFA代谢物显著减少，同时补充SCFAs和PGE2-G（代谢组分析鉴定出的标志物）刺激小胶质细胞形态的成熟和活化（图4 J-L）。这些结果表明SCFAs可引起GF小鼠C/EBPβ/AEP激活、认知障碍和炎症反应，并被PGE2-G促进。

图4 SCFAs引发无菌小鼠炎症反应中C/EBPβ/AEP的激活和认知缺陷，PGE2-G能加剧这些反应

5. FMT后受体小鼠肠道特定菌群增加，增强AD病理，促进认知障碍

为了确定人源性肠道菌群在转移到GF小鼠时是否会影响疾病结果，作者分别将AD患者和健康人（HC）粪便移植给GF小鼠。结果显示受体小鼠肠道菌群和供体相似，AD受体小鼠中拟杆菌属的3个种相对丰度显著增加（图5 A-E），体外定量实验表明，这3种微生物参与AA代谢，并产生AA衍生物（图5 I）。免疫荧光（IF）实验结果显示，受体小鼠ThS阳性Aβ聚集体、AT8/T22和Aβ42增加（图6 A-C）。与HC小鼠相比，AD受体小鼠在Y迷宫中表现出认知缺陷，小胶质细胞高度活化且形态成熟（图6 D-K）。这些结果表明AD患者肠道菌群会促进GF受体小鼠AD进程。

图5 移植AD患者粪菌后的无菌小鼠肠道拟杆菌属相对丰度升高