抑郁癥是全球健康的一大負擔，2019 年冠狀病毒病大流行對精神健康造成的不利影響更是加劇了這一狀況。上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院在《Cell Metabolism》上發表了題為“Gut bacteria-driven homovanillic acid alleviates depression by modulating synaptic integrity”的研究成果，在此研究中，通過抑郁癥小鼠模型研究了這些獨特的腸道微生物及其調節代謝物，并進一步探索了腸道微生物代謝物與突觸功能相互作用的機制，突觸功能是抑郁癥情緒和認知的潛在關鍵調節因子。進而闡明抑郁癥中腸道微生物群-腦軸的復雜相互作用和分子機制，為開發抑郁癥治療靶向療法鋪平新途徑。

本研究的宏基因組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。

圖1 技術路線圖

研究成果

1.腸道微生物代謝物HVA在抑郁癥中發揮作用

通過469例參與者（包括 262 名抑郁癥患者和 207 名健康對照者）組成的大隊列樣本采集血清和糞便，分別進行代謝組學和宏基因組學測序分析。結果表明大多數差異細菌屬于四個門：厚壁菌門、變形菌門、擬桿菌門和放線菌門（圖2C）。大多數神經遞質在酪氨酸、色氨酸和谷氨酸代謝等代謝途徑中表現出富集 。從該池中選擇了三種效應量最顯著的代謝物，HVA，L-色氨酸和L-酪氨酸（圖2F）。

然后，對代謝物、細菌和HAMD評分之間進行 Spearman 相關性分析（圖 2G）。結果顯示，三種代謝物與HAMD評分負相關；代謝物HVA與細菌的相關性最強；四種腸道微生物Roseburia intestinalis、Bifidobacterium longum、Roseburia feecis 和 Eubacterium rectale，與 HVA 水平呈正相關（圖 2H），在抑郁癥患者中豐度較低。采用DIABLO算法評估代謝組學與宏基因組學數據之間的相關性。結果表明，這兩個組學數據集之間存在顯著相關性。抑郁癥中血清和糞便中 HVA 的濃度降低。以上結果表明 HVA 在連接腸道微生物組和抑郁癥方面的關鍵作用。

圖2 （A-H） 抑郁癥患者的腸道微生物組和新陳代謝發生變化

2.Intestinal B. longum在促進R. intestinalis的促進下產生 HVA

為了確定 HVA 是否是腸道微生物組衍生的代謝物，我們量化了胃腸道組織和大腦中的 HVA 水平。研究發現胃腸道HVA總量較高，與無特定病原體（SPF）小鼠相比，無菌（GF）小鼠在胃腸道組織（3B）以及大腦和血清（3C和3D）中，HVA水平顯著降低。這些結果強調了腸道微生物組對 HVA 產生的重大貢獻。

以小鼠飼料提取物為底物體外單獨培養每種細菌。結果表明，B. longum可以產生HVA。將這三種細菌各自施用于小鼠，發現在 R. intestinalis 給藥后，B. longum的相對豐度和HVA水平顯著升高（圖3G 和圖3H），表明 R. intestinalis 可以增強B. longum的豐度，進而產生 HVA。且在體外共培養 B. longum 和 R. intestinalis時無法觀察到這種促進，證實了體內腸道微生物組之間的動態和復雜的相互作用。

圖3（A-U） 抑郁癥小鼠模型中的腸道微生物群和 HVA 代謝。

3.Intestinal B. longum和R. intestinalis以及HVA在具有抑郁行為的小鼠模型中耗盡

為了驗證臨床抑郁癥患者腸道微生物組和代謝物改變，進一步研究了小鼠模型中Intestinal B. longum、R. intestinalis和 HVA 的變化。使用了兩種具有抑郁行為的成熟小鼠模型，包括CUMS模型和CORT干預模型（圖3I）。在兩種模型中，盲腸內容物中B. longum和R. intestinalis的豐度（圖3P-3S）以及HVA的血清濃度（圖3T和3U）均顯著降低。

4.HVA、B. longum 或 R. intestinalis 可緩解小鼠的抑郁表型

接下來進一步研究了 HVA 和腸道微生物是否具有治療小鼠模型抑郁癥的潛力。首先評估藥代動力學參數以確定HVA的給藥劑量，由于HVA的吸收半衰期約為6小時，每天兩次用HVA治療小鼠以保持其血清濃度。基于這些參數，在CUMS和CORT小鼠模型中以100或300mg / kg的劑量施用HVA，每天兩次，持續5周。行為表型測試表明HVA對抑郁癥和心率變異性（HRV）具有治療作用，作為迷走神經活動的指標。300 mg/kg 劑量的 HVA 在改善抑郁表型方面比 100 mg/kg 更有效。

然后，用HVA，B. longum和R. intestinalis每天兩次，持續5周（圖4B和4C）。行為測試表明，干預后不動時間顯著減少（圖 4D-4G）和蔗糖偏好增加（圖 4H 和 4I）。還觀察到基于成熟腦源性神經營養因子（mBDNF）蛋白表達增加的神經保護作用，mBDNF蛋白是神經源性加工中的關鍵調節蛋白（圖4J和4K）。這些結果表明 HVA、B. longum 和 R. intestinalis 在緩解小鼠抑郁表型方面的潛力。

圖4（A-K） HVA、B. longum 或 R. intestinalis 可緩解小鼠模型中的抑郁表型

5.HVA 通過恢復海馬突觸來緩解抑郁癥

由于 HVA 對抑郁癥具有治療作用，增加海馬體中 mBDNF 的表達，假設腸道來源的 HVA 可以穿過血腦屏障 （BBB） 并直接在大腦內發揮抗抑郁作用。因此，將同位素標記的HVA-d3施用于小鼠，可以在血清和三個大腦區域（延髓、海馬體和前額葉皮層）（圖5A）中檢測到，表明HVA可以穿透BBB。我們還發現，接受HVA和B. longum干預的小鼠大腦中的HVA濃度顯著增加（圖5B和5C）。與SPF小鼠相比，GF小鼠的HVA水平降低（圖5B-5D）證實了大腦中的HVA受腸道微生物組的調節。

因為海馬體的突觸損傷被認為是抑郁癥的主要病理基礎，進一步探索了接受HVA，B. longum或 R. intestinalis治療的CUMS和CORT小鼠模型中的突觸可塑性 。免疫熒光分析（圖5D和5E）和蛋白質印跡分析（圖5F和5G）顯示，海馬體中的突觸前膜蛋白突觸蛋白-1（SYN1）在治療下顯著上調。結果表明，HVA保護了海馬神經元的突觸前膜，并減輕了與抑郁癥相關的突觸功能障礙。

圖5（A-I）HVA 減輕海馬體突觸喪失

6.HVA 通過抑制自噬死亡來促進突觸可塑性

作者進一步探討了HVA在自噬中的作用，以闡明突觸可塑性改善的機制。自噬的發生涉及一個非常復雜的機制，我們檢查了微管相關蛋白1輕鏈3（LC3）和SQSTM1/p62的表達，其是在海馬體的齒狀回 （DG）區域的自噬生化標志物（圖6A）。與對照組相比，在抑郁小鼠模型中觀察到過度自噬，LC3 和 SQSTM1/p62 蛋白表達降低。HVA 干預后，這些蛋白的表達正常化，類似于在正常小鼠中觀察到的水平。當用 B. longum 或 R. intestinalis 處理時，也觀察到HVA的這種影響（圖6B-C）。

然后在HT22小鼠海馬神經元細胞系中進行了體外實驗，其中自噬是通過葡萄糖剝奪或 CORT 誘導的。隨后，用HVA和自噬抑制劑氯喹處理細胞。葡萄糖剝奪后，HT22細胞經歷了細胞密度降低、廣泛的細胞死亡和明顯的過度自噬，其特征是 LC3 和 SQSTM1/p62 蛋白的耗竭以及自噬體內容物的降解。接受HVA和氯喹處理的細胞減輕了自噬體內容物的過度降解（圖6D-E）。在暴露于CORT的細胞中，我們還發現HVA抑制LC3蛋白的轉化，抑制自噬體的形成（圖6F-G）。綜上所述，HVA通過調節蛋白質水平和自噬體數量，對過度自噬發揮抑制作用。

圖6（A-G）HVA 通過抑制自噬死亡來增加海馬突觸可塑性

研究結論

研究表明，HVA由B. longum產生，由含有R. intestinalis的混合菌增強，可有效減輕抑郁并調節突觸完整性。該發現強調了腸道微生物群在調節突觸完整性方面的作用，并為抑郁癥的新治療策略提供了見解。

原文鏈接：//doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136827