腸菌-腦軸-免疫：腸道菌群調控阿爾茨海默病的新機制
美國埃默里大學葉克強教授等人于2022年1月在Gut（IF 23.059）期刊發(fā)表題為“Gut microbiota regulate Alzheimer’s disease pathologies and cognitive disorders via PUFA associated neuroinflammation”的文章，該研究通過阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）小鼠模型和人源化糞菌移植（FMT）實驗發(fā)現，AD相關腸道菌群（以擬桿菌屬富集為特征）可通過激活C/EBPβ/AEP通路，并上調促炎癥性的多不飽和脂肪酸（Poly-unsaturated fatty acid，PUFA）代謝，以增強小神經膠質細胞活化及神經炎癥，從而促進AD病理及認知障礙。這些發(fā)現支持行為缺陷、小膠質細胞激活和AD病理需要復雜的腸道微生物組，腸道微生物組有助于AD小鼠模型的病理，并且人類微生物組的失調可能是AD的危險因素。
研究材料
SPF 3×Tg AD小鼠、無菌小鼠（GF，3×Tg品系）、AD患者糞菌、3株擬桿菌屬菌株
技術路線
· 步驟1：腸道菌群可促進AD小鼠的AD病理、認知障礙及小神經膠質細胞活化，激活C/EBPβ/AEP通路，上調PUFA代謝相關促炎癥酶表達；
· 步驟2：腸道菌群增加小鼠大腦中的炎癥性代謝產物水平，調節(jié)炎癥性通路及胰島素/IGF-1通路，短鏈脂肪酸（SCFAs）驅動C/EBPβ/AEP通路活化、AD小鼠的認知障礙及炎癥；
· 步驟3：PUFA代謝相關擬桿菌屬菌株在移植了AD患者菌群的無菌小鼠中增加，增強小鼠的AD病理及認知障礙，促進C/EBPβ/AEP通路活化，并上調炎癥。
研究結果
1. 腸道菌群刺激3×Tg小鼠AD病理、認知缺陷和小膠質細胞激活
與SPF 3×Tg AD小鼠相比，3×Tg衍生GF小鼠海馬和纖維狀蛋白包涵體中的AT8、Aβ42減少，表明當腸道菌群耗盡時，AD病理得到緩解（圖1 A-C）。同時，Y迷宮中的行為表明，GF小鼠與SPF小鼠相比，空間記憶功能顯著改善（圖1 D、E）。半自動定量形態(tài)三維測量顯示，與SPF小鼠相比，GF小鼠的小膠質細胞形態(tài)發(fā)生了顯著改變（圖1 F-I）。
圖1 與SPF小鼠相比，無菌小鼠顯示出AD病理減少和認知功能改善
2. 腸道菌群激活C/EBPβ/AEP通路，提高PUFA代謝相關促炎酶表達水平
最近的研究表明C/EBPβ/AEP信號通路在時間和空間上調控AD病理，為了評估是否需要完整的腸道微生物組來刺激這一通路，從而導致AD發(fā)病機制，作者通過免疫印跡分析，發(fā)現與SFP小鼠相比，GF小鼠大腦中的C/EBPβ/AEP信號傳導減弱，作為記憶障礙導致AD發(fā)病和炎癥核心網絡的花生四烯酸（AA）代謝途徑相關的Lox5、Cox1和Cox2水平明顯降低（圖2 A、B）。蛋白酶測定顯示GF小鼠的AEP酶活性低于SPF小鼠，這與活性AEP水平降低保持一致（圖2 C）。GF小鼠中IL-6濃度（C/EBPβ是其主要轉錄因子）顯著降低（圖2 D）。qPCR結果顯示，GF小鼠的CEBPβ靶點/AA通路基因表達下降（圖2 E），與RNAseq數據趨勢一致。上述結果表明，復雜的腸道菌群促進AD小鼠模型的病理過程。
最近的研究表明C/EBPβ/AEP信號通路在時間和空間上調控AD病理，為了評估是否需要完整的腸道微生物組來刺激這一通路，從而導致AD發(fā)病機制，作者通過免疫印跡分析，發(fā)現與SFP小鼠相比，GF小鼠大腦中的C/EBPβ/AEP信號傳導減弱，作為記憶障礙導致AD發(fā)病和炎癥核心網絡的花生四烯酸（AA）代謝途徑相關的Lox5、Cox1和Cox2水平明顯降低（圖2 A、B）。蛋白酶測定顯示GF小鼠的AEP酶活性低于SPF小鼠，這與活性AEP水平降低保持一致（圖2 C）。GF小鼠中IL-6濃度（C/EBPβ是其主要轉錄因子）顯著降低（圖2 D）。qPCR結果顯示，GF小鼠的CEBPβ靶點/AA通路基因表達下降（圖2 E），與RNAseq數據趨勢一致。上述結果表明，復雜的腸道菌群促進AD小鼠模型的病理過程。
圖2 無菌小鼠表現出減弱的C/EBPβ/AEP通路和AA相關炎癥
3. 腸道菌群提高炎癥代謝物水平，并改變大腦中的炎癥和胰島素/IGF-1途徑
為了評估腸道微生物組對AD相關轉錄反應的整體影響，作者對GF和SPF小鼠海馬樣本轉錄組測序，結果顯示兩者整體基因表達模式存在顯著差異，與GF小鼠相比，參與AA代謝途徑的基因在SPF小鼠中差異表達（上調：Hpgd、Ptges3和Cyp1b1；下調：Ptges2），這與上述的觀測結果相符（圖3 A-D）。此外，SPF小鼠的胰島素信號傳導及其相關的下游途徑發(fā)生了異常改變，免疫印跡實驗也證明了這一結果（圖3 E、F）。這些結果表明，腸道菌群影響AD小鼠海馬區(qū)基因的表達。
圖3 腸道菌群影響AD小鼠模型海馬區(qū)mRNA表達的轉錄組圖譜
4. SCFAs可引起GF小鼠C/EBPβ/AEP激活、認知障礙和炎癥反應，并被PGE2-G促進
前期研究表明SCFAs與AD相關，GF小鼠糞便和血清中SCFAs水平降低。為了研究SCFAs是否會部分模擬定殖SPF小鼠的腸道菌群觸發(fā)C/EBPβ/AEP通路激活，作者設置了GF小鼠SCFAs補充飼喂實驗。結果表明，相比對照GF小鼠，補充SCFAs小鼠中C/EBPβ下游靶標、AEP蛋白酶活性、IL-6和Aβ42水平顯著增加，認知緩解水平降低（圖4 A-H）。代謝組分析結果顯示，與SPF相比，GF小鼠糞便中的PUFA代謝物顯著減少，同時補充SCFAs和PGE2-G（代謝組分析鑒定出的標志物）刺激小膠質細胞形態(tài)的成熟和活化（圖4 J-L）。這些結果表明SCFAs可引起GF小鼠C/EBPβ/AEP激活、認知障礙和炎癥反應，并被PGE2-G促進。
圖4 SCFAs引發(fā)無菌小鼠炎癥反應中C/EBPβ/AEP的激活和認知缺陷，PGE2-G能加劇這些反應
5. FMT后受體小鼠腸道特定菌群增加，增強AD病理，促進認知障礙
為了確定人源性腸道菌群在轉移到GF小鼠時是否會影響疾病結果，作者分別將AD患者和健康人（HC）糞便移植給GF小鼠。結果顯示受體小鼠腸道菌群和供體相似，AD受體小鼠中擬桿菌屬的3個種相對豐度顯著增加（圖5 A-E），體外定量實驗表明，這3種微生物參與AA代謝，并產生AA衍生物（圖5 I）。免疫熒光（IF）實驗結果顯示，受體小鼠ThS陽性Aβ聚集體、AT8/T22和Aβ42增加（圖6 A-C）。與HC小鼠相比，AD受體小鼠在Y迷宮中表現出認知缺陷，小膠質細胞高度活化且形態(tài)成熟（圖6 D-K）。這些結果表明AD患者腸道菌群會促進GF受體小鼠AD進程。
圖5 移植AD患者糞菌后的無菌小鼠腸道擬桿菌屬相對豐度升高
圖6 移植AD患者糞菌后的無菌小鼠表現出增強的AD病理和認知缺陷
6. FMT后受體小鼠C/EBPβ/AEP通路激活且與炎癥水平升高相關
免疫印跡結果顯示p-C/EBPβ及其總蛋白、AEP及其上游轉錄因子、C/EBPβ及其下游響應基因水平均顯著增加（圖7 A-C）。炎性細胞因子定量和qPCR實驗結果顯示，AD受體小鼠中IL-6和IL-1β、ALOX-5相關基因表達水平顯著增加（圖7 D、E）。
免疫印跡結果顯示p-C/EBPβ及其總蛋白、AEP及其上游轉錄因子、C/EBPβ及其下游響應基因水平均顯著增加（圖7 A-C）。炎性細胞因子定量和qPCR實驗結果顯示，AD受體小鼠中IL-6和IL-1β、ALOX-5相關基因表達水平顯著增加（圖7 D、E）。
圖7 移植AD患者糞菌后的無菌小鼠小鼠表現出C/EBPβ/AEP通路激活且與炎癥水平升高相關
小編小結
本文的研究結果表明，人類微生物組可能是阿爾茨海默病的危險因素。通過個性化飲食、有益微生物群干預以及糞菌移植來調節(jié)腸道微生物群或可有助于減少炎癥和治療包括AD在內的腦部疾病。
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【中科新生命】全面推出腸道微生物群-免疫系統(tǒng)多組學解決方案，多角度、多層次、全方位深入挖掘腸道菌群和免疫系統(tǒng)之間的關聯性，并結合表型結果，擬幫助科研人員開發(fā)一種新型干預性措施的潛在靶點。
腸-免疫-靶軸系統(tǒng)研究方案
· 16s/宏基因組----腸道微生物的組成及改變
· 免疫代謝組----腸道微生物產生的用于調控機體免疫的代謝物
· 免疫因子組----腸道微生物如何影響機體免疫
· 轉錄/蛋白質組----對終端靶器官應對炎癥響應機制的系統(tǒng)描述
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