2021-06-04
近期，派森諾與上海交通大學附屬瑞金醫院合作，在《Microbiome》（影響因子：11.607）發表論文，結合生理實驗、高通量測序、代謝組檢測與糞菌移植等實驗，研究了骨鈣蛋白對帕金森病的神經保護作用，及其作用機制，可喜可賀！
腸-腦軸研究背景
帕金森病（PD）是一種神經退行性疾病，不能完全治愈。近年的研究顯示PD患者與健康人的腸道微生物群落具有差異。腸道微生物的主要代謝產物是短鏈脂肪酸（SCFAs），能將腸道菌群的信號傳遞給宿主，且對調節腦功能和血液組織屏障的完整性有積極的作用，但同時也是PD模型中，加速神經炎癥和α-觸核蛋白病的主要調節因子。因此，深入研究腸道微生物，對治療或改善PD具有重要意義。
骨鈣蛋白（OCN）是一種成骨細胞分泌蛋白，它對腦功能有調節作用，可穿透血腦屏障，與海馬CA3區神經元直接結合，恢復小鼠認知功能。已有研究表明，OCN可能會影響菌群組成，因此，本研究假設OCN可以通過調節PD小鼠的腸道微生物組來預防運動損傷和多巴胺能神經元丟失，并針對OCN、腸道菌群對PD的治療作用與機理進行了研究。
腸-腦軸研究方法
測序平臺：Illumina高通量測序平臺
測序區域：微生物組細菌16S rRNA基因V3-V4區
腸-腦軸研究結果
1. OCN對PD小鼠的神經保護作用，及其與腸道菌群的關聯
動物實驗結果顯示，OCN可預防6-羥基多巴胺（6-OHDA）誘導的帕金森病小鼠的運動損傷和多巴胺能神經元損失。服用OCN前4周使用抗生素消除腸道菌群后，OCN對小鼠運動功能的改善和多巴胺神經元損傷的保護作用不再有效，這表明OCN對PD小鼠的神經保護作用是由腸道菌群介導。糞便菌群移植實驗也得出了相同的結論。
圖1 OCN給藥可預防6-OHDA誘導的帕金森病小鼠的運動損傷和多巴胺能神經元損失
圖2 抗生素預處理使OCN處理未能成功預防帕金森病小鼠的運動損傷和多巴胺能神經元損失
圖3 糞便菌群移植實驗及運動障礙測試
2. PD小鼠與OCN治療PD小鼠的腸道微生物群落變化
微生物組測序結果顯示，PD小鼠腸道微生物組成與對照組有顯著差異（P<0.05），而OCN處理后，PD小鼠的微生物群落結構恢復到對照組的水平。從門水平上的微生物類群來看，PD小鼠與對照組也有顯著差異。與對照組相比，PD小鼠的Bacteroidetes、S24-7、Rikenellaceae、Erysipelotrichaceae相對豐度顯著降低，而Firmicutes、Lachnospiraceae、unclassified Clostridiales則顯著升高。有趣的是，OCN給藥后，PD小鼠的這種微生物類群變化得到了顯著改善。
PICRUSt功能預測分析發現，PD小鼠腸道微生物的產丙酸能力有明顯降低，與此同時，與丁酸鹽生產相關的KO的相對豐度也發生了變化。值得注意的是，OCN給藥成功地逆轉了PD小鼠的這些變化。這表明，OCN的干預可以改變PD小鼠的微生物群落組成，還可能增強細菌產生丙酸的潛能。
圖4 OCN給藥對6-OHDA誘導的PD小鼠腸道微生物群落失調的調節作用
3. OCN對PD小鼠糞便丙酸水平的影響
為進一步研究細菌SCFAs是否發生改變，作者用氣相色譜/質譜（GC/MS）分析了糞便中SCFAs的含量。結果顯示，6-OHDA誘導的PD小鼠糞便丙酸含量顯著低于對照組，而OCN治療顯著逆轉了這一變化。相關性分析結果顯示，糞便中丙酸水平與S24-7、Rikenellaceae呈正相關，而與Lachnosipraceae、unclassified Clostridiales呈負相關。
更重要的是，糞便中丙酸水平與曠場試驗、圓柱體試驗和轉桿試驗的運動功能參數呈正相關。因此，腸道微生物對OCN神經保護作用的介導，可能與丙酸有關。
圖5 OCN給藥可增加6-OHDA誘導的PD小鼠的糞便丙酸水平
4. 丙酸和FFAR3激動劑預防PD小鼠運動損傷和多巴胺能神經元丟失
為進一步驗證丙酸與PD小鼠運動功能改善的關系，作者在6-OHDA誘導的PD小鼠飲水中加入丙酸鈉。結果表明，口服丙酸能有效改善曠場試驗、圓筒試驗中小鼠的運動功能，并阻止PD小鼠大腦注射6-OHDA側近40%的多巴胺能神經元丟失。這表明，丙酸可能是腸道微生物群落衍生的信號，與帕金森病的發展有關，并且可能是OCN改善帕金森病的靶點。
隨后，進一步對PD小鼠進行FFAR3（介導丙酸保護作用的主要受體類型）激動劑灌胃處理，得到了與丙酸類似的神經保護作用。
圖6口服丙酸預防6-OHDA誘導的PD小鼠的運動障礙和多巴胺能神經元丟失
圖7在6-OHDA誘導的PD小鼠中，給藥FFAR3激動劑防止運動障礙和多巴胺能神經元丟失
5. 腸神經系統與丙酸對PD小鼠神經保護作用的關聯
測量FFAR3在不同組織中的表達后發現，FFAR3在空腸、回腸和結腸中的相對表達遠高于在皮質、海馬和大腦紋狀體等神經器官中的相對表達。順鉑（一種已知的腸道神經毒素）灌胃實驗顯示，在腸道細胞耗盡的小鼠中，丙酸對多巴胺能神經元丟失的保護作用不再顯著。這表明，丙酸對PD的神經保護作用可能與腸神經系統有關，即丙酸可能作為針對腸神經系統的FFAR3激動劑，對PD小鼠發揮神經保護作用。
圖8腸神經系統介導了丙酸對6-OHDA誘導的PD小鼠的神經保護作用。
綜上所述，OCN可通過改變腸道微生物群落，促進微生物來源的丙酸的產生，而丙酸可以激活腸神經元中的FFAR3，從而發揮其對帕金森病的保護作用。
腸-腦軸研究結論
本研究通過多組學整合關聯研究的策略，結合糞菌移植等實驗，對OCN、腸道菌群對PD的治療作用與機理進行了研究，并得出以下結論：
①OCN可顯著改善PD小鼠運動功能障礙和多巴胺能神經元丟失；
②OCN處理可恢復PD小鼠的腸道菌群失調，使擬桿菌門豐度增加，厚壁菌門豐度減少，并增加丙酸鹽產生菌及糞便丙酸鹽水平；
③抗生素處理實驗與糞菌移植實驗表明腸道菌群介導了OCN的神經保護作用；
④口服丙酸鹽2個月可通過腸神經元依賴性的方式，恢復PD小鼠的運動功能及多巴胺能神經元；
⑤FFAR3（丙酸鹽受體）激動劑有類似的神經保護作用。
腸-腦軸研究的測序和部分數據分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
