摘要：研究表明J17能有效恢復(fù)AD模型小鼠血液和腦內(nèi)丁酸水平，改善認(rèn)知障礙，減少Aβ沉積和小膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度活化。
當(dāng)人類壽命不斷延長(zhǎng)，阿爾茨海默病(Alzheimer's disease, AD)已成為困擾全球的公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)。這種最常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病以進(jìn)行性認(rèn)知衰退為特征，目前缺乏有效治療方法。AD的神經(jīng)病理特征包括細(xì)胞外淀粉樣斑塊、神經(jīng)纖維纏結(jié)、神經(jīng)炎癥和神經(jīng)元丟失。其中，淀粉樣蛋白β(amyloid β, Aβ)作為淀粉樣斑塊的主要成分，其異常沉積被認(rèn)為是AD發(fā)病的核心環(huán)節(jié)。Aβ是由淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein, APP)經(jīng)β-分泌酶BACE1和γ-分泌酶順序切割產(chǎn)生。當(dāng)APP加工過(guò)程失調(diào)，Aβ生成增加，同時(shí)小膠質(zhì)細(xì)胞清除功能受損，共同導(dǎo)致Aβ沉積。更棘手的是，Aβ沉積又會(huì)激活小膠質(zhì)細(xì)胞，引發(fā)神經(jīng)炎癥反應(yīng)，形成惡性循環(huán)。
近年來(lái)，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在AD發(fā)病中的作用日益受到關(guān)注。在眾多微生物代謝產(chǎn)物中，丁酸(butyrate)展現(xiàn)出對(duì)AD的潛在益處。然而，如何提高丁酸的生物利用度是實(shí)現(xiàn)其臨床應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為了解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，開(kāi)發(fā)了一種工程化的產(chǎn)丁酸釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株J17。這種酵母益生菌有望通過(guò)丁酸補(bǔ)充和底盤益生功能的協(xié)同作用，改善AD相關(guān)表型。
圖1 肥胖重塑脂肪組織中CD8+ T細(xì)胞的鐵代謝以加劇代謝性炎癥
為驗(yàn)證這一創(chuàng)新策略，研究人員首先檢測(cè)了AD模型小鼠APP23/PS45中丁酸水平的變化。結(jié)果顯示，與野生型(WT)小鼠相比，AD模型小鼠血液和腦內(nèi)的丁酸水平分別顯著降低至53.99±6.90%和28.92±2.92%，這一現(xiàn)象與AD患者及其他兩種AD模型小鼠(APP/PS1和3xTg)中的發(fā)現(xiàn)一致。引人注目的是，J17干預(yù)成功恢復(fù)了AD小鼠血液和腦內(nèi)的丁酸水平，而底盤菌株BY4741則無(wú)此效果。
在認(rèn)知功能評(píng)估方面，J17表現(xiàn)出顯著改善效果。莫里斯水迷宮(Morris water maze, MWM)測(cè)試中，可見(jiàn)平臺(tái)試驗(yàn)第一天四組小鼠的逃避潛伏期無(wú)差異。在隨后四天的隱藏平臺(tái)試驗(yàn)中，J17處理的AD小鼠逃避潛伏期顯著縮短，第五天時(shí)從50.20±6.64秒降至27.82±5.86秒，與野生型小鼠水平(30.01±4.70秒)相當(dāng)。在最后一天的探查試驗(yàn)中，J17處理的AD小鼠在目標(biāo)象限的游泳距離也顯著長(zhǎng)于未處理的AD小鼠。值得注意的是，BY4741處理的AD小鼠也表現(xiàn)出改善趨勢(shì)，但無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性。這些結(jié)果證明J17能挽救AD小鼠的學(xué)習(xí)記憶缺陷。
對(duì)Aβ沉積的進(jìn)一步分析顯示，J17顯著減少了AD小鼠皮層和海馬中Aβ斑塊的數(shù)量和面積。在皮層，斑塊數(shù)量從10.06±3.21/mm2降至5.70±2.20/mm2，面積從1.44±0.43%降至0.68±0.13%；在海馬，數(shù)量從7.31±1.57/mm2降至4.03±1.64/mm2，面積從1.14±0.48%降至0.49±0.10%。BY4741處理組也觀察到Aβ斑塊減少趨勢(shì)，但差異不顯著。機(jī)制研究表明，J17通過(guò)降低APP、BACE1和CTFβ水平，抑制BACE1介導(dǎo)的APPβ-剪切，從而減少Aβ42生成和斑塊形成。
除減少Aβ生成外，增強(qiáng)Aβ清除也是J17的作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)J17減輕了AD小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞活化，表現(xiàn)為離子鈣結(jié)合適配器分子1(Iba-1)染色減少。同時(shí)，J17將皮層中促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6水平分別降至74.85±15.56%、66.91±11.74%和71.45±14.29%，而抗炎細(xì)胞因子IL-10水平升至135.63±6.84%。海馬區(qū)也觀察到一致變化。這表明J17通過(guò)減輕小膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度活化和神經(jīng)炎癥，促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的Aβ清除。
此外，J17重塑了AD小鼠的腸道菌群，降低了炎癥和神經(jīng)毒性相關(guān)代謝物水平，表明J17有利于維持AD小鼠健康的腸道環(huán)境，這可能有助于緩解AD相關(guān)表型。
本研究主要采用了以下關(guān)鍵技術(shù)方法：使用APP23/PS45轉(zhuǎn)基因AD模型小鼠進(jìn)行干預(yù)研究；通過(guò)Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)評(píng)估認(rèn)知功能；采用免疫熒光染色檢測(cè)Aβ斑塊和小膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物Iba-1；通過(guò)酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)測(cè)定細(xì)胞因子水平；利用16S rRNA測(cè)序和非靶向代謝組學(xué)分析腸道菌群和代謝物變化。
圖2 工程化產(chǎn)丁酸酵母（J17）可糾正丁酸缺乏，并改善APP23/PS45小鼠的阿爾茨海默癥相關(guān)表型
J17挽救丁酸缺陷并改善APP23/PS45小鼠AD相關(guān)表型
研究人員首先證實(shí)了AD模型小鼠存在系統(tǒng)性丁酸缺乏，而J17干預(yù)能有效恢復(fù)血液和腦內(nèi)丁酸水平。在認(rèn)知功能方面，J17顯著改善了AD小鼠在莫里斯水迷宮測(cè)試中的表現(xiàn)，縮短逃避潛伏期，增加目標(biāo)象限游泳距離。
J17減輕Aβ沉積并調(diào)節(jié)APP加工
通過(guò)免疫熒光染色發(fā)現(xiàn)，J17顯著減少了皮層和海馬區(qū)Aβ斑塊的數(shù)量和面積。機(jī)制研究表明，J17降低了APP、BACE1和CTFβ蛋白水平，抑制BACE1介導(dǎo)的APPβ-剪切通路，從而減少Aβ42生成。
J17減輕小膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度活化和神經(jīng)炎癥
J17處理降低了小膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物Iba-1的表達(dá)，調(diào)節(jié)炎癥因子平衡，降低TNF-α、IL-1β和IL-6等促炎因子水平，提高抗炎因子IL-10水平，表明J17能緩解神經(jīng)炎癥反應(yīng)。
J17重塑腸道菌群
研究還發(fā)現(xiàn)J17能調(diào)節(jié)AD小鼠腸道菌群組成，降低炎癥和神經(jīng)毒性相關(guān)代謝物，改善腸道微環(huán)境，這可能是其發(fā)揮益生效應(yīng)的另一重要途徑。
本研究證實(shí)工程化產(chǎn)丁酸酵母J17能通過(guò)多種機(jī)制緩解AD相關(guān)病理表型。值得注意的是，雖然底盤菌株BY4741也顯示出改善AD表型的趨勢(shì)，但未改變丁酸水平，且效果無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性，強(qiáng)烈提示J17的益處來(lái)自于丁酸補(bǔ)充和益生功能的協(xié)同效應(yīng)。與糞便微生物移植相比，J17給藥具有避免未知或條件性病原體潛在風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)。然而，J17的劑量效應(yīng)和長(zhǎng)期效果仍需進(jìn)一步研究。
該研究成果發(fā)表于《Signal Transduction and Targeted Therapy》，為AD治療提供了新的思路和策略，即通過(guò)工程微生物靶向腸道-腦軸，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)退行性疾病的干預(yù)。這種微生物療法策略具有重要轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)價(jià)值，為開(kāi)發(fā)AD新型治療方法開(kāi)辟了道路。
參考資料
[1] Engineered butyrate-producing yeasts mitigate Alzheimer-associated phenotypes
摘要：研究表明J17能有效恢復(fù)AD模型小鼠血液和腦內(nèi)丁酸水平，改善認(rèn)知障礙，減少Aβ沉積和小膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度活化。
當(dāng)人類壽命不斷延長(zhǎng)，阿爾茨海默病(Alzheimer's disease, AD)已成為困擾全球的公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)。這種最常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病以進(jìn)行性認(rèn)知衰退為特征，目前缺乏有效治療方法。AD的神經(jīng)病理特征包括細(xì)胞外淀粉樣斑塊、神經(jīng)纖維纏結(jié)、神經(jīng)炎癥和神經(jīng)元丟失。其中，淀粉樣蛋白β(amyloid β, Aβ)作為淀粉樣斑塊的主要成分，其異常沉積被認(rèn)為是AD發(fā)病的核心環(huán)節(jié)。Aβ是由淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein, APP)經(jīng)β-分泌酶BACE1和γ-分泌酶順序切割產(chǎn)生。當(dāng)APP加工過(guò)程失調(diào)，Aβ生成增加，同時(shí)小膠質(zhì)細(xì)胞清除功能受損，共同導(dǎo)致Aβ沉積。更棘手的是，Aβ沉積又會(huì)激活小膠質(zhì)細(xì)胞，引發(fā)神經(jīng)炎癥反應(yīng)，形成惡性循環(huán)。
近年來(lái)，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在AD發(fā)病中的作用日益受到關(guān)注。在眾多微生物代謝產(chǎn)物中，丁酸(butyrate)展現(xiàn)出對(duì)AD的潛在益處。然而，如何提高丁酸的生物利用度是實(shí)現(xiàn)其臨床應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為了解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，開(kāi)發(fā)了一種工程化的產(chǎn)丁酸釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株J17。這種酵母益生菌有望通過(guò)丁酸補(bǔ)充和底盤益生功能的協(xié)同作用，改善AD相關(guān)表型。
圖1 肥胖重塑脂肪組織中CD8+ T細(xì)胞的鐵代謝以加劇代謝性炎癥
為驗(yàn)證這一創(chuàng)新策略，研究人員首先檢測(cè)了AD模型小鼠APP23/PS45中丁酸水平的變化。結(jié)果顯示，與野生型(WT)小鼠相比，AD模型小鼠血液和腦內(nèi)的丁酸水平分別顯著降低至53.99±6.90%和28.92±2.92%，這一現(xiàn)象與AD患者及其他兩種AD模型小鼠(APP/PS1和3xTg)中的發(fā)現(xiàn)一致。引人注目的是，J17干預(yù)成功恢復(fù)了AD小鼠血液和腦內(nèi)的丁酸水平，而底盤菌株BY4741則無(wú)此效果。
在認(rèn)知功能評(píng)估方面，J17表現(xiàn)出顯著改善效果。莫里斯水迷宮(Morris water maze, MWM)測(cè)試中，可見(jiàn)平臺(tái)試驗(yàn)第一天四組小鼠的逃避潛伏期無(wú)差異。在隨后四天的隱藏平臺(tái)試驗(yàn)中，J17處理的AD小鼠逃避潛伏期顯著縮短，第五天時(shí)從50.20±6.64秒降至27.82±5.86秒，與野生型小鼠水平(30.01±4.70秒)相當(dāng)。在最后一天的探查試驗(yàn)中，J17處理的AD小鼠在目標(biāo)象限的游泳距離也顯著長(zhǎng)于未處理的AD小鼠。值得注意的是，BY4741處理的AD小鼠也表現(xiàn)出改善趨勢(shì)，但無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性。這些結(jié)果證明J17能挽救AD小鼠的學(xué)習(xí)記憶缺陷。
對(duì)Aβ沉積的進(jìn)一步分析顯示，J17顯著減少了AD小鼠皮層和海馬中Aβ斑塊的數(shù)量和面積。在皮層，斑塊數(shù)量從10.06±3.21/mm2降至5.70±2.20/mm2，面積從1.44±0.43%降至0.68±0.13%；在海馬，數(shù)量從7.31±1.57/mm2降至4.03±1.64/mm2，面積從1.14±0.48%降至0.49±0.10%。BY4741處理組也觀察到Aβ斑塊減少趨勢(shì)，但差異不顯著。機(jī)制研究表明，J17通過(guò)降低APP、BACE1和CTFβ水平，抑制BACE1介導(dǎo)的APPβ-剪切，從而減少Aβ42生成和斑塊形成。
除減少Aβ生成外，增強(qiáng)Aβ清除也是J17的作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)J17減輕了AD小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞活化，表現(xiàn)為離子鈣結(jié)合適配器分子1(Iba-1)染色減少。同時(shí)，J17將皮層中促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6水平分別降至74.85±15.56%、66.91±11.74%和71.45±14.29%，而抗炎細(xì)胞因子IL-10水平升至135.63±6.84%。海馬區(qū)也觀察到一致變化。這表明J17通過(guò)減輕小膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度活化和神經(jīng)炎癥，促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的Aβ清除。
此外，J17重塑了AD小鼠的腸道菌群，降低了炎癥和神經(jīng)毒性相關(guān)代謝物水平，表明J17有利于維持AD小鼠健康的腸道環(huán)境，這可能有助于緩解AD相關(guān)表型。
本研究主要采用了以下關(guān)鍵技術(shù)方法：使用APP23/PS45轉(zhuǎn)基因AD模型小鼠進(jìn)行干預(yù)研究；通過(guò)Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)評(píng)估認(rèn)知功能；采用免疫熒光染色檢測(cè)Aβ斑塊和小膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物Iba-1；通過(guò)酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)測(cè)定細(xì)胞因子水平；利用16S rRNA測(cè)序和非靶向代謝組學(xué)分析腸道菌群和代謝物變化。
圖2 工程化產(chǎn)丁酸酵母（J17）可糾正丁酸缺乏，并改善APP23/PS45小鼠的阿爾茨海默癥相關(guān)表型
J17挽救丁酸缺陷并改善APP23/PS45小鼠AD相關(guān)表型
研究人員首先證實(shí)了AD模型小鼠存在系統(tǒng)性丁酸缺乏，而J17干預(yù)能有效恢復(fù)血液和腦內(nèi)丁酸水平。在認(rèn)知功能方面，J17顯著改善了AD小鼠在莫里斯水迷宮測(cè)試中的表現(xiàn)，縮短逃避潛伏期，增加目標(biāo)象限游泳距離。
J17減輕Aβ沉積并調(diào)節(jié)APP加工
通過(guò)免疫熒光染色發(fā)現(xiàn)，J17顯著減少了皮層和海馬區(qū)Aβ斑塊的數(shù)量和面積。機(jī)制研究表明，J17降低了APP、BACE1和CTFβ蛋白水平，抑制BACE1介導(dǎo)的APPβ-剪切通路，從而減少Aβ42生成。
J17減輕小膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度活化和神經(jīng)炎癥
J17處理降低了小膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物Iba-1的表達(dá)，調(diào)節(jié)炎癥因子平衡，降低TNF-α、IL-1β和IL-6等促炎因子水平，提高抗炎因子IL-10水平，表明J17能緩解神經(jīng)炎癥反應(yīng)。
J17重塑腸道菌群
研究還發(fā)現(xiàn)J17能調(diào)節(jié)AD小鼠腸道菌群組成，降低炎癥和神經(jīng)毒性相關(guān)代謝物，改善腸道微環(huán)境，這可能是其發(fā)揮益生效應(yīng)的另一重要途徑。
本研究證實(shí)工程化產(chǎn)丁酸酵母J17能通過(guò)多種機(jī)制緩解AD相關(guān)病理表型。值得注意的是，雖然底盤菌株BY4741也顯示出改善AD表型的趨勢(shì)，但未改變丁酸水平，且效果無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性，強(qiáng)烈提示J17的益處來(lái)自于丁酸補(bǔ)充和益生功能的協(xié)同效應(yīng)。與糞便微生物移植相比，J17給藥具有避免未知或條件性病原體潛在風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)。然而，J17的劑量效應(yīng)和長(zhǎng)期效果仍需進(jìn)一步研究。
該研究成果發(fā)表于《Signal Transduction and Targeted Therapy》，為AD治療提供了新的思路和策略，即通過(guò)工程微生物靶向腸道-腦軸，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)退行性疾病的干預(yù)。這種微生物療法策略具有重要轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)價(jià)值，為開(kāi)發(fā)AD新型治療方法開(kāi)辟了道路。
參考資料
[1] Engineered butyrate-producing yeasts mitigate Alzheimer-associated phenotypes
