2025-04-07
隨著全球人口老齡化加劇，腦衰老引發的認知功能障礙成為日益突出的健康問題，其中阿爾茨海默病（AD）的患病率逐年攀升。腸道菌群作為腸道微環境的關鍵部分，雖與認知功能緊密相關，但它與衰老相關認知障礙的聯系及機制尚不明確。近期，河北醫科大學許順江教授團隊在International Journal of Biological Macromolecules發表文章“Dynamic changes in the gut microbiota play a critical role in age-associated cognitive dysfunction via SCFAs and LPS synthesis metabolic pathways during brain aging”，揭示自然衰老過程中，部分關鍵的腸道細菌分類群，借助短鏈脂肪酸（SCFAs）和脂多糖（LPS）合成代謝途徑，在與年齡相關的認知功能障礙中起到了至關重要的作用。
本研究中16S rRNA 測序和部分數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
技術路線
研究方法
1、實驗材料與樣本采集：特定環境下飼養清潔級 3 周齡的 SAMR1 和 SAMP8 小鼠，于 1、3、6、9 月齡時收集糞便，評估認知功能后采集血清、結腸和海馬組織樣本。同時招募 60 歲以上的遺忘型輕度認知障礙（aMCI）患者和認知正常對照（NC），采集糞便和血清樣本。
2、腸道菌群測序：對小鼠和人類糞便樣本進行16S rRNA基因測序，確定腸道菌群組成，使用PICRUSt2軟件預測腸道菌群功能。
3、糞便微生物群移植（FMT）實驗：將 10 周齡小鼠進一步分為 SAMR1 、SAMP8 和 FMT 組（移植前接受抗生素處理）；后續制備SAMR1 小鼠糞便懸液，移植給 FMT 組持續 3個月。
4、數據分析：使用 SPSS21.0 進行統計分析，包括正態檢驗、組間差異分析、相關性分析等，以此探究腸道菌群與認知功能之間的關系。
圖1 整體實驗示意圖
研究結果
1、SAMP8 小鼠的認知障礙及類阿爾茨海默病樣的病理特征
選用SAMP8 及同源對照 SAMR1 小鼠進行Morris水迷宮實驗，發現SAMP8 小鼠表現出認知障礙，且海馬體中AD病樣病理特征顯著明顯于SAMR1 （圖 2F - I），適合用于研究年齡相關的阿爾茨海默病。
圖2 SAMP8小鼠認知功能觀測實驗和AD樣病理特征差異比較結果
2、SAMP小鼠腸道菌群發生動態變化
分析不同月齡的SAMR 1和SAMP 8小鼠糞便樣本測序結果，Chao1 指數和 Faith_pd 指數均隨月份同增長（圖 3A - B）； β 多樣性表現為組內聚集，組間分散，在多個月齡間有顯著差異（圖3C - H）;且兩種模型的top30屬在自然衰老過程中，豐度均發生動態變化。
使用PAM 聚類發現物種組成為4個cluster，在NMDS下被顯著分離（圖 3J）；衰老過程中最具特異性的屬也顯著變化（圖 3K），統計結果加以驗證改變化（圖 3I）。
圖3 自然衰老過程中SAMR 1和SAMP 8小鼠腸道菌群的動態變化
3、FMT 改善 SAMP8 小鼠認知功能并改變其腸道菌群組成
Spearman分析發現，擬桿菌屬的豐度與認知功能呈負相關，而乳酸菌屬、顫螺旋菌屬等與認知功能呈正相關（圖 4A）；FMT實驗中，抗生素處理清除了 SAMP8 小鼠體內大部分腸道菌群，表現為Chao1 和 Faith_pd 指數顯著下降（圖 4C - D）。PCA分析中，抗生素治療顯著改變了微生物群落的組成（圖 4E）。此外，門水平上，FMT組中SAMP8小鼠的微生物群落結構從Bacteroidetes和Firmicutes占主導地位轉變為Proteobacteria和Firmicutes占主導（圖4F）。
Morris水迷宮和 Y 迷宮自發交替實驗中，與SAMP8 組相比，糞菌移植3 個月后的FMT 組小鼠表現更好，包括平臺穿越次數更多、自發交替率更高等（圖 4G - L）。微生物組成上，FMT組的chao1和faith_pd指數得到恢復（圖4M-N）。PCOA分析顯著區分三組的腸道菌群組成，且FMT組與SAMR 1組更相似（圖4O），該點在門水平的注釋信息上得到印證（圖4P）。以上均表明動態變化的腸道微生物群在小鼠自然衰老期間的認知下降中起關鍵作用。
圖4 FMT改善了SAMP8小鼠的認知能力下降并改變腸道菌群組成
4、腸道菌群與人類大腦衰老過程的相關性
研究人員從 GMrepo 數據庫提取不同年齡健康人群關鍵腸道菌群的豐度數據并分組比較，發現部分菌群的變化趨勢在人和小鼠間存在異同，如乳酸菌屬、梭菌屬和阿克曼菌屬在人和小鼠中都隨年齡增長而減少，但顫螺旋菌屬、瘤胃球菌屬和多爾菌屬在人和小鼠中的變化趨勢相反。
研究aMCI 患者和 NC健康對照組，發現aMCI血清中Aβ1-42水平顯著低于認知正常個體，p-Tau水平與Aβ1-42呈相反趨勢（圖5A-B）。16S測序結果中，alpha和beta多樣性分析均有顯著差異（圖5E-F）。研究發現關鍵菌群Lactobacillus、Oscillospira、kkermansia等都顯示出比單個細菌更好的辨別力（圖5G）。
圖5正常者和aMCI患者認知相關的腸道菌群組成變化及其預測價值
5、代謝途徑與認知功能障礙的關系
使用 PICRUSt2 預測并注釋 16S rRNA 基因功能，得到與SCFAs和LPS相關的代謝途徑豐度（6A-B），發現與SCFAs相關的代謝途徑豐度隨年齡增長而降低（圖 6C-E），LPS合成途徑的豐度在衰老過程中呈上升（圖 6F）。此外，FMT實驗中，與 SAMP8 組相比，上述代謝通路的豐度在FMT 組中得到恢復，丁酸代謝和LPS合成途徑受 FMT 的影響最顯著（圖 6G-J）；分析aMCI關鍵代謝途徑的豐度（圖 6K-N），發現多個SCFAs相關途徑的豐度顯著低于NC，而LPS合成途徑顯著升高。即與SCFAs和LPS相關的代謝途徑均參與了大腦衰老過程中的認知衰退。
圖6可能參與SAMP8小鼠和aMCI患者認知能力下降的腸道微生物群代謝途徑
6、腸道關鍵細菌與慢性全身性炎癥和AD病理特征相關
檢測9 月齡 SAMR1 小鼠和 SAMP8 小鼠的血腦屏障（BBB）通透性和炎癥因子，發現SAMP8 小鼠結腸（圖 7A-B）和海馬組織（圖 7C-D）中上皮緊密連接蛋白和閉合蛋白的表達顯著降低，血清中的LPS、白細胞介素- 1β（IL-1β）、白細胞介素 - 6（IL-6）和腫瘤壞死因子 -α（TNF-α）水平顯著高于 SAMR1 （圖 7E-H）；aMCI患者血清中趨勢表現一致（圖 7I-L）。
spearman分析發現， 9 月齡的 SAMR1 和 SAMP8 中，關鍵腸道細菌與結腸和海馬組織中 Claudin 5 和 Occludin 的水平呈正相關，與血清中炎癥因子水平以及海馬組織中的AD病樣病理特征呈負相關。人類的關鍵腸道菌群與血清中 β 淀粉樣蛋白 1-42（Aβ1-42）水平呈正相關，與LPS、IL-1β、IL-6、TNF-α 和磷酸化 tau 蛋白（p-Tau）水平呈負相關。即關鍵腸道細菌群與腸道屏障完整性、慢性全身炎癥、血腦屏障完整性以及阿爾茨海默病樣病理特征相關。（圖 7M-N）
圖7關鍵腸道細菌與慢性全身性炎癥和AD病理特征的相關性
研究結論
在認知老化進程中，腸道菌群組成呈現出動態變化的特征。研究表明Lactobacillus、Akkermansia、Clostridium、Oscillospira 和 Dorea 是與認知下降相關的關鍵細菌類群，同時 短鏈脂肪酸（SCFAs）和脂多糖（LPS）相關的代謝途徑，參與到認知老化引發的相關疾病進程中。這一發現為預防和治療 AD 等神經退行性疾病提供了與腸道菌群相關的潛在靶點，這對于認知老化期間阿爾茨海默病（AD）的預防和治療意義重大。
原文引用：Xiaoying Ma, Jiaying Liu, Lei Jiang, Zhaoyu Gao, Zhongli Shi, Nan Zhang, Zhen Wang, Shujin Li, Rui Zhang, Shunjiang Xu,
Dynamic changes in the gut microbiota play a critical role in age-associated cognitive dysfunction via SCFAs and LPS synthesis metabolic pathways during brain aging,
International Journal of Biological Macromolecules,
Volume 304, Part 2,2025,140945,ISSN 0141-8130,
原文鏈接：//doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.140945
