阿尔茨海默病(阿尔茨海默病)和肠道菌群有关系吗?
原标题:“甘露聚糖酸钠治疗性重塑肠道微生物群,抑制肠道细菌氨基酸样神经感染,从而抑制阿尔茨海默病进展”
1.研究背景
一般认为阿尔茨海默病是一种神经退行性脑病。目前市场上治疗AD的药物只能改善症状,没有药物可以减缓或预防AD引起的神经损伤。本文研究人员发现肠道菌群可能与阿尔茨海默病有关,从而在小鼠模型中开展了AD过程中肠道菌群的变化及AD新药GV-971的作用机制研究。
2.方法
2.1研究5XFAD转基因(Tg)小鼠不同月龄RNA水平、肠道菌群和细胞的变化。
2.2用抗生素清除肠道菌群,确定AD进展过程中肠道菌群与神经炎症的关系。
2.3在行为实验中,测试了Tg小鼠、WT小鼠和GV-971处理的小鼠的辨别学习。
GV-971处理后小鼠肠道菌群和细胞的变化。
2.5进行小鼠粪便代谢物的途径富集分析。
2.6比较轻度认知障碍的AD患者与相应年龄段健康人血苯丙氨酸、异亮氨酸、Th1免疫细胞的差异。
3.结果
3.1 AD的进展与肠道菌群的变化和免疫细胞的浸润有关。
5XFAD转基因(Tg)小鼠模型用于评估肠道菌群变化在AD发病机制中的作用。Tg小鼠海马区突触素表达水平显著下降,表明突触变性(图1a),而9月龄Tg小鼠的行为测试显示辨别学习能力显著下降(图1b)。
16SrRNA测序比较了AD发展不同阶段的Tg小鼠和WT小鼠的肠道类型。对肠道类型的分析表明,Tg小鼠聚集在norank属中,WT小鼠聚集在乳杆菌属中(图1c)。在TG小鼠中,肠道微生物区系在AD的发展过程中发生了显著变化,但在WT小鼠中几乎没有变化(图1d)。利用OTUs技术发现,Tg小鼠肠道菌群在AD过程中发生了变化(图1e)。AD小鼠脑切片IBA1(小胶质细胞活化的标志)免疫组织化学染色显示明显的小胶质细胞活化期(图1f)。小胶质细胞活化可分为两种类型:促炎性M1和神经保护性M2亚型。在初始阶段,M1和M2小胶质细胞均增加,然后M1亚型持续增加,在7-9个月达到高峰,而M2小胶质细胞从3个月到5个月减少,此后维持在低水平(图1g)。通过分析AD发展过程中脑内浸润的外周免疫细胞,Tg小鼠脑内cd45高细胞的出现频率明显高于WT小鼠,与IBA1染色相似(图1f,h)。进一步分析AD进展过程中一系列时间点cd45高细胞亚型的变化(图1i)。利用k- means聚类,发现CD4+T细胞是CD4高细胞的主要组成部分,并总结了M1细胞的变化(图1i,J)。浸润的Th1和Th2细胞是CD4+细胞的两个主要亚型,表现出与M1和M2小胶质细胞相似的动力学(图1k)。随着肠道菌群格局的变化,免疫细胞群趋向于向Th1和M1占优势的状态变化。
图1。TG小鼠AD过程中肠道微生物失衡和免疫细胞的变化。
3.2肠道菌群是脑内免疫细胞浸润和小胶质细胞激活所必需的。
Tg小鼠中的抗生素治疗导致了肠道中微生物数量的显著减少(图2a)。随着这种变化,脑中浸润性促炎Th1细胞(图2b)和M1细胞(图2c)的数量减少。
WT小鼠和Tg小鼠一起饲养。对这些小鼠肠道菌群变化的分析表明,以相同方式饲养的WT小鼠和Tg小鼠的肠道菌群组成非常相似,但与单独饲养的WT小鼠相比有显著差异(图2d)。此外,在* * *共饲养的WT和Tg小鼠中浸润的Th1细胞也显著高于单独饲养的WT小鼠(图2e)。同时,共同饲养的WT小鼠M1细胞数量仅略有增加(图2f),说明微生物种群的变化主要影响浸润性免疫细胞而非常驻性免疫细胞。与免疫细胞的变化相一致,WT和Tg小鼠脑内细胞因子的表达表现出明显的相似性,但WT小鼠有所不同(图2g)。
图二。肠道菌群是免疫细胞浸润和小胶质细胞激活所必需的。
3.3 GV-971可以改善认知障碍。
为了验证肠道菌群在AD发展中的重要作用,研究人员用GV-971(图3a)治疗APP/PS1小鼠三个月。直到13月龄,GV-971显著改善了认知障碍,这表明APP/PS1小鼠的空间学习能力和记忆能力在Morris水迷宫(MWM)训练测试(图3b)和探针测试(图3c)中得到增强。GV-971还能显著提高小鼠在Y迷宫中的表现(图3d)。
图3。GV-971对APP/PS1小鼠模型行为改变的影响。
3.4 GV-971通过改变肠道菌群来缓解神经炎症。
Tg小鼠每月口服GV-971显著改变了肠道菌群的组成(图4a,B)。与肠道菌群的变化相一致,GV-971处理的Tg小鼠,破坏了此前脑淋巴细胞和肠道细菌变化的相关性(图4c),脑内Th1细胞的减少(图4d)显著降低了小胶质细胞的激活(图4e)和各种脑细胞因子的水平(图4f)。同时,GV-971处理显著减少了Tg小鼠Aβ斑块的沉积和tau磷酸化,缓解了辨别性学习能力的下降(图4g–I)。
图4。GV-971通过重新调整肠道菌群来减少神经炎症。
3.5 GV-971通过调节氨基酸代谢抑制神经炎症。
代谢物的途径富集分析进一步揭示了氨基酸相关代谢途径和酶的显著变化,尤其是苯丙氨酸相关途径(图5a)。使用随机森林算法对这些氨基酸进行分类,苯丙氨酸在WT和Tg之间最常见,其次是异亮氨酸、5-羟色胺、组氨酸和乙酰鸟氨酸(图5b),表明它们与疾病的进展有很强的相关性。然后,在GV-971处理或未处理的Tg小鼠中检查粪便和血液样品中所选氨基酸的浓度,并与WT小鼠进行比较。Tg小鼠粪便中苯丙氨酸和异亮氨酸的浓度显著高于WT小鼠,GV-971治疗显著降低其浓度至与WT小鼠相当的水平(图5c)。血液中苯丙氨酸和异亮氨酸的浓度也有类似的变化(图5d)。暴露于苯丙氨酸或异亮氨酸的Th1细胞的分化显著增强,这被GV-971处理抑制(图5e)。苯丙氨酸和异亮氨酸显著促进Th1细胞的增殖,GV-971处理抑制苯丙氨酸诱导的Th1细胞的增殖,但异亮氨酸的作用几乎没有变化(图5f,蓝柱)。此外,通过注射苯丙氨酸和异亮氨酸处理野生型小鼠,血液中Th1细胞的频率显著增加(图5g)。轻度认知障碍患者血液中苯丙氨酸和异亮氨酸的浓度以及Th1细胞频率显著高于健康受试者(图5h,I)。此外,血液中苯丙氨酸和异亮氨酸水平的升高也在另一个AD的MCI中得到证实(图5j),表明血液中苯丙氨酸和异亮氨酸的异常积累以及Th1频率的增加可能是AD患者MCI和健康受试者MCI的特征。
图5。GV-971通过利用氨基酸代谢抑制神经炎症。
结论
图6。AD进展中的肠脑轴示意图及干预策略。
除了Aβ沉积和tau磷酸化外,AD发展过程中肠道菌群的变化也会引起代谢紊乱。代谢产物异常会引起外周炎症,增加免疫细胞的脑浸润,免疫细胞会与脑内M1小胶质细胞发生串扰,导致病理性神经炎症和认知障碍(左图)。口服GV-971可以调节肠道菌群,使紊乱的代谢产物正常化,减少外周免疫细胞对大脑的浸润,解决神经炎症,减少Aβ沉积和tau磷酸化,从而最终改善认知功能(右图)。
GV-971是一种抗AD药物,在III期临床试验中被证明可以逆转轻中度AD患者的认知障碍。本研究发现,GV-971有效地恢复了肠道菌群,降低了粪便和血液中苯丙氨酸和异亮氨酸的浓度,减轻了Th1相关的脑神经炎症。值得注意的是,经GV-971处理的Tg粪便在很大程度上可以模拟GV-971的疗效,而抗生素处理抵消了GV-971的疗效。这些发现表明GV-971的治疗作用主要是通过重建肠道微生物区系来实现的。在这篇论文中,研究人员认为GV-971提供了一种针对微生物群落的抗AD策略,值得进一步研究。