2021-06-04
近期，派森諾與上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院合作，在《Microbiome》（影響因子：11.607）發(fā)表論文，結(jié)合生理實(shí)驗(yàn)、高通量測序、代謝組檢測與糞菌移植等實(shí)驗(yàn)，研究了骨鈣蛋白對帕金森病的神經(jīng)保護(hù)作用，及其作用機(jī)制，可喜可賀！
腸-腦軸研究背景
帕金森病（PD）是一種神經(jīng)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(chǎn)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(diào)節(jié)腦功能和血液組織屏障的完整性有積極的作用，但同時(shí)也是PD模型中，加速神經(jīng)炎癥和α-觸核蛋白病的主要調(diào)節(jié)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(xì)胞分泌蛋白，它對腦功能有調(diào)節(jié)作用，可穿透血腦屏障，與海馬CA3區(qū)神經(jīng)元直接結(jié)合，恢復(fù)小鼠認(rèn)知功能。已有研究表明，OCN可能會(huì)影響菌群組成，因此，本研究假設(shè)OCN可以通過調(diào)節(jié)PD小鼠的腸道微生物組來預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷和多巴胺能神經(jīng)元丟失，并針對OCN、腸道菌群對PD的治療作用與機(jī)理進(jìn)行了研究。
腸-腦軸研究方法
測序平臺(tái)：Illumina高通量測序平臺(tái)
測序區(qū)域：微生物組細(xì)菌16S rRNA基因V3-V4區(qū)
腸-腦軸研究結(jié)果
1. OCN對PD小鼠的神經(jīng)保護(hù)作用，及其與腸道菌群的關(guān)聯(lián)
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，OCN可預(yù)防6-羥基多巴胺（6-OHDA）誘導(dǎo)的帕金森病小鼠的運(yùn)動(dòng)損傷和多巴胺能神經(jīng)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(yùn)動(dòng)功能的改善和多巴胺神經(jīng)元損傷的保護(hù)作用不再有效，這表明OCN對PD小鼠的神經(jīng)保護(hù)作用是由腸道菌群介導(dǎo)。糞便菌群移植實(shí)驗(yàn)也得出了相同的結(jié)論。
圖1 OCN給藥可預(yù)防6-OHDA誘導(dǎo)的帕金森病小鼠的運(yùn)動(dòng)損傷和多巴胺能神經(jīng)元損失
圖2 抗生素預(yù)處理使OCN處理未能成功預(yù)防帕金森病小鼠的運(yùn)動(dòng)損傷和多巴胺能神經(jīng)元損失
圖3 糞便菌群移植實(shí)驗(yàn)及運(yùn)動(dòng)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(jié)果顯示，PD小鼠腸道微生物組成與對照組有差異（P<0.05），而OCN處理后，PD小鼠的微生物群落結(jié)構(gòu)恢復(fù)到對照組的水平。從門水平上的微生物類群來看，PD小鼠與對照組也有差異。與對照組相比，PD小鼠的Bacteroidetes、S24-7、Rikenellaceae、Erysipelotrichaceae相對豐度降低，而Firmicutes、Lachnospiraceae、unclassified Clostridiales則升高。有趣的是，OCN給藥后，PD小鼠的這種微生物類群變化得到了改善。
PICRUSt功能預(yù)測分析發(fā)現(xiàn)，PD小鼠腸道微生物的產(chǎn)丙酸能力有明顯降低，與此同時(shí)，與丁酸鹽生產(chǎn)相關(guān)的KO的相對豐度也發(fā)生了變化。值得注意的是，OCN給藥成功地逆轉(zhuǎn)了PD小鼠的這些變化。這表明，OCN的干預(yù)可以改變PD小鼠的微生物群落組成，還可能增強(qiáng)細(xì)菌產(chǎn)生丙酸的潛能。
圖4 OCN給藥對6-OHDA誘導(dǎo)的PD小鼠腸道微生物群落失調(diào)的調(diào)節(jié)作用
3. OCN對PD小鼠糞便丙酸水平的影響
為進(jìn)一步研究細(xì)菌SCFAs是否發(fā)生改變，作者用氣相色譜/質(zhì)譜（GC/MS）分析了糞便中SCFAs的含量。結(jié)果顯示，6-OHDA誘導(dǎo)的PD小鼠糞便丙酸含量低于對照組，而OCN治療逆轉(zhuǎn)了這一變化。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，糞便中丙酸水平與S24-7、Rikenellaceae呈正相關(guān)，而與Lachnosipraceae、unclassified Clostridiales呈負(fù)相關(guān)。
更重要的是，糞便中丙酸水平與曠場試驗(yàn)、圓柱體試驗(yàn)和轉(zhuǎn)桿試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)功能參數(shù)呈正相關(guān)。因此，腸道微生物對OCN神經(jīng)保護(hù)作用的介導(dǎo)，可能與丙酸有關(guān)。
圖5 OCN給藥可增加6-OHDA誘導(dǎo)的PD小鼠的糞便丙酸水平
4. 丙酸和FFAR3激動(dòng)劑預(yù)防PD小鼠運(yùn)動(dòng)損傷和多巴胺能神經(jīng)元丟失
為進(jìn)一步驗(yàn)證丙酸與PD小鼠運(yùn)動(dòng)功能改善的關(guān)系，作者在6-OHDA誘導(dǎo)的PD小鼠飲水中加入丙酸鈉。結(jié)果表明，口服丙酸能有效改善曠場試驗(yàn)、圓筒試驗(yàn)中小鼠的運(yùn)動(dòng)功能，并阻止PD小鼠大腦注射6-OHDA側(cè)近40%的多巴胺能神經(jīng)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(fā)展有關(guān)，并且可能是OCN改善帕金森病的靶點(diǎn)。
隨后，進(jìn)一步對PD小鼠進(jìn)行FFAR3（介導(dǎo)丙酸保護(hù)作用的主要受體類型）激動(dòng)劑灌胃處理，得到了與丙酸類似的神經(jīng)保護(hù)作用。
圖6口服丙酸預(yù)防6-OHDA誘導(dǎo)的PD小鼠的運(yùn)動(dòng)障礙和多巴胺能神經(jīng)元丟失
圖7在6-OHDA誘導(dǎo)的PD小鼠中，給藥FFAR3激動(dòng)劑防止運(yùn)動(dòng)障礙和多巴胺能神經(jīng)元丟失
5. 腸神經(jīng)系統(tǒng)與丙酸對PD小鼠神經(jīng)保護(hù)作用的關(guān)聯(lián)
測量FFAR3在不同組織中的表達(dá)后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)FAR3在空腸、回腸和結(jié)腸中的相對表達(dá)遠(yuǎn)高于在皮質(zhì)、海馬和大腦紋狀體等神經(jīng)器官中的相對表達(dá)。順鉑（一種已知的腸道神經(jīng)毒素）灌胃實(shí)驗(yàn)顯示，在腸道細(xì)胞耗盡的小鼠中，丙酸對多巴胺能神經(jīng)元丟失的保護(hù)作用不再顯著。這表明，丙酸對PD的神經(jīng)保護(hù)作用可能與腸神經(jīng)系統(tǒng)有關(guān)，即丙酸可能作為針對腸神經(jīng)系統(tǒng)的FFAR3激動(dòng)劑，對PD小鼠發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。
圖8腸神經(jīng)系統(tǒng)介導(dǎo)了丙酸對6-OHDA誘導(dǎo)的PD小鼠的神經(jīng)保護(hù)作用。
綜上所述，OCN可通過改變腸道微生物群落，促進(jìn)微生物來源的丙酸的產(chǎn)生，而丙酸可以激活腸神經(jīng)元中的FFAR3，從而發(fā)揮其對帕金森病的保護(hù)作用。
腸-腦軸研究結(jié)論
本研究通過多組學(xué)整合關(guān)聯(lián)研究的策略，結(jié)合糞菌移植等實(shí)驗(yàn)，對OCN、腸道菌群對PD的治療作用與機(jī)理進(jìn)行了研究，并得出以下結(jié)論：
①OCN可改善PD小鼠運(yùn)動(dòng)功能障礙和多巴胺能神經(jīng)元丟失；
②OCN處理可恢復(fù)PD小鼠的腸道菌群失調(diào)，使擬桿菌門豐度增加，厚壁菌門豐度減少，并增加丙酸鹽產(chǎn)生菌及糞便丙酸鹽水平；
③抗生素處理實(shí)驗(yàn)與糞菌移植實(shí)驗(yàn)表明腸道菌群介導(dǎo)了OCN的神經(jīng)保護(hù)作用；
④口服丙酸鹽2個(gè)月可通過腸神經(jīng)元依賴性的方式，恢復(fù)PD小鼠的運(yùn)動(dòng)功能及多巴胺能神經(jīng)元；
⑤FFAR3（丙酸鹽受體）激動(dòng)劑有類似的神經(jīng)保護(hù)作用。
腸-腦軸研究的測序和部分?jǐn)?shù)據(jù)分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
