Nat Med (IF 58.7) | 南方医科大学周宏伟等破译“肠-肝-脑”轴新机制，为微生物 - 宿主互作研究打造黄金范式！
2025-06-20
中科新生命
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在肝硬化患者中，肝性脑病（HE）的发生率高达 50% - 70%，而肠道菌群失调与之存在密切关联。由于肝脏借助门静脉系统与肠道直接相通，因此肠-肝-脑轴在HE的发展中至关重要。
2025年1月，南方医科大学深圳医院周宏伟、广州医科大学高杰、东南大学祁小龙及南方医科大学陈金军等团队在Nature Medicine（IF=58.7）杂志上发表了题为“The gut–brain axis underlying hepatic encephalopathy in liver cirrhosis”的文章。文章通过多组学技术，探究了HE发病过程中的关键菌群及代谢物在疾病进程的作用机制。
研究材料
人粪便、血清，小鼠粪便、血清、组织
技术方法
宏基因组、代谢组、转录组、粪菌移植、qPCR
技术路线
步骤1：构建GBM模块评估肠道微生物群的神经毒性潜力；
步骤2：基于GBM发现并验证单胺合成能力在肝硬化病人中提升，并锁定关键物种R. gnavus和关键酶PDC；
步骤3：R. gnavus定植证实PDC在诱导单胺合成和神经毒性中的关键作用，并检测了肠道到大脑的单胺的变化；
步骤4：突变株定植发现PDC和PEA介导肝硬化鼠神经毒性，以及靶向PDC或PEA降低HE微生物群神经毒性；
步骤5：临床试验评估发现高血清PEA水平与TIPS后HE风险增加有关。
研究结果
1. 肝硬化患者单胺合成潜能升高
利用GBMs评估四个肝硬化宏基因组数据的肠道微生物群神经毒性潜力，发现肝病患者预测的单胺合成和肌醇合成模块显著增加，通过随机效应荟萃分析发现单胺合成的效应量最为显著，且R. gnavus与PDC基因丰度的相关性最强。
图1 肝硬化患者中R. gnavus源性PDC基因丰度增加
2. 肝硬化患者脑内PEA积聚
定植R. gnavus以证实PDC是单胺合成和神经毒性中的关键。代谢分析发现，在Rg-WT小鼠粪便中，单胺类物质含量显著增加。分析从肠道到大脑的单胺的变化证实肝脏具有最强的MAO-B活性，肝硬化小鼠肝脏和外周血清中MAO-B的活性显著降低，肝硬化且定植了R. gnavus的小鼠显示PEA积聚在大脑中。综上，在肝硬化期间，R. gnavus的增加导致PEA在脑内的病理性积累，形成肠-肝硬化-脑轴。
图2 当MAO-B活性因肝硬化而降低时，R. gnavus导致PEA在脑内的病理性积累
3. R. gnavus诱导肝硬化小鼠HE行为
使用肝硬化模型来检验R. gnavus是否能诱导经肠-肝硬化-脑轴的神经毒性及其与HE的相关性，发现移植了R. gnavus的小鼠表现出脑内PEA水平升高，并表现出焦虑样行为，且只有R. gnavus定植的小鼠，在主要关节处出现类似于HE患者典型的星形震颤。为了确定这些异常行为的神经病理学基础，评估定植后大脑神经表型，发现R. gnavus定植导致皮层星形胶质细胞肿胀和激活，胶质纤维酸性蛋白（GFAP）荧光强度、细胞体积和分支数量增加。综上，R. gnavus可诱导肝硬化小鼠的神经毒性和HE样症状。
4. PDC和PEA介导肝硬化鼠神经毒性
为了确定PDC诱导的神经毒性中的关键作用，使用突变株Rg-Mu单定植肝硬化小鼠，发现与Rg-WT相比，它失去了诱导脑PEA积累、焦虑样行为、记忆障碍、昏迷或神经病理改变的能力。为探索抑制细菌PDC活性的治疗方法，从TargetMol中确定了77个R. gnavus衍生PDC的潜在抑制剂，这些抑制剂实验表明（S)-α-FMT或PDCI（PDC抑制剂）具有最高的抑制效率，且在动物模型中，PDCI显著减少了脑PEA积累，减少了鼠兔引起的行为和神经病理异常，证实PDC作为治疗靶点的潜力。使用PEA单克隆抗体特异性阻断PEA的作用PEA抗体的施用不仅有效降低了脑中的PEA水平，还减轻了R. gnavus诱导的神经毒性作用。
图4 靶向PDC可减轻HE患者粪便微生物群诱导的神经毒性
5. 靶向PDC或PEA降低HE微生物群神经毒性
将3名健康对照（HC）供者和3名HE供者的粪便微生物群转移到肝硬化GF小鼠的肠道中，小鼠HE重现了HE供体中观察到的高粪便pdc编码基因水平的特征，PEA在大脑中积累，与GF组相比，HE微生物群诱导焦虑样行为和记忆保留受损，HC微生物群对行为改变没有显著影响。中介分析表明，HE菌群诱导记忆缺陷，神经元组织病理学检查显示HE小鼠的星形胶质细胞肿胀和小胶质细胞活化。使用PDCI或PEA抗体处理HE小鼠，发现这些处理显著减轻了HE微生物群的有害影响。总之，这些发现表明HE患者复杂的粪便微生物群可在肝硬化背景下诱导神经毒性，在这种情况下，PDC和PEA是有效的治疗靶点。
图5 皮层特异性神经元损伤是HE粪便微生物群诱导的神经毒性的标志
6. HE粪便微生物群诱导皮层特异性神经元损伤
对接受健康对照、HE和PDCI治疗的肝硬化小鼠的三个大脑区域进行了mRNA测序，PCoA显示脑区转录组谱紧密聚类，来自HE患者的微生物群主要影响CTX的整体基因表达，在较小程度上影响海马和纹状体，PDCI治疗可以使大多数这些上调或下调的基因重新正常化。将不同的基因聚集到功能类别中，发现与PEA直接相关的通路在HE小鼠中上调，HE小鼠中神经炎症通路中的基因也上调，细胞特异性富集分析显示，与HC小鼠相比，HE小鼠的CTX中神经元特异性基因的表达减少，与HE患者的CTX变化相似。在HE小鼠的CTX中，关键的神经元标记物，NeuN和MAP-2下调，此外，ELISA结果显示HE小鼠的CTX炎症增加，PDCI治疗逆转了这些与神经元损伤和炎症相关的转录变化。
图6 血清PEA水平与粪便pdc编码基因丰度相关，高基线PEA水平与TIPS后HE风险增加有关
7. 高血清PEA水平与TIPS后HE风险增加有关
收集103名参与者的粪便和血清样本，宏基因组测序显示，对照组和肝硬化患者之间的微生物群组成不同，无论HE状态如何，肝硬化患者之间没有显著差异，LEfSe突出了HE患者中R. gnavus的显著富集，与没有HE肝硬化的患者相比，HE患者血清PEA水平显著升高，但其他单胺类没有显著升高。对临床指标和微生物因素与血清PEA水平之间的分析相关性，发现只有HE发病和血清白蛋白浓度与血清PEA水平有显著相关性，在HE患者中调整白蛋白后，总PDC基因和R. gnavus基因成为血清PEA水平的重要决定因素。综上所述，这些结果表明，细菌性PDCs，特别是那些源自R. gnavus的PDCs，是HE患者PEA水平升高的原因。
小结
研究者通过构建GBMs模块来评估来自宏基因组数据集的细菌神经毒素，发现PDC基因在肝硬化患者中增加了大约10倍，在HE患者中增加更多。在患有肝硬化、不健康的鼠身上，植有R. gnavus的小鼠表现出脑PEA积聚，同时伴有记忆障碍、对称震颤和皮层特异性神经元丢失，这些都是HE患者的典型症状。PEA的积累主要是由于肝硬化导致肝脏和血清中单胺氧化酶- b活性降低所致。以PDC或PEA为靶点可逆转地鼠引起的神经系统症状。此外，HE患者的粪便微生物群移植到无菌肝硬化小鼠身上复制了这些症状，并进一步证实了靶向PDC或PEA的有效性。临床上，高基线PEA水平与肝内门静脉分流术后HE风险增加7倍有关。研究者的发现扩大了对肠-肝-脑轴的理解，并确定了一个有希望的HE治疗和预测靶点。
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