重建肠道微生物群-结肠细胞相互作用可逆转饮食诱导的认知缺陷

摘要：高脂肪饮食（HFD）已被证实与人类认知缺陷和胃肠功能障碍有关，而肠道微生物群成为这些饮食相关病理的关键介质。将植物多糖纳入饮食作为缓解这些状况的治疗策略，受到越来越多的关注。本研究探讨了杜仲皮多糖（EPs）减轻肠道菌群失衡的作用机制，并研究了它们在改善饮食相关

重建肠道微生物群-结肠细胞相互作用可逆转饮食诱导的认知缺陷：杜仲皮多糖的益处

Reconstituting gut microbiota-colonocyte interactions reverses diet-induced cognitive deficits: The beneficial ofeucommiae cortexpolysaccharides

英文标题：Reconstituting gut microbiota-colonocyte interactions reverses diet-induced cognitive deficits: The beneficial of eucommiae cortex polysaccharides

中文标题：重建肠道微生物群-结肠细胞相互作用可逆转饮食诱导的认知缺陷：杜仲皮多糖的益处

作者：Mengli Wang、Penghao Sun等

期刊：Theranostics

发表时间：2024.08.01

组学策略：16S、转录组

合作单位：西北农林科技大学

文章链接：http://doi.org/10.7150/thno.99468

文章摘要

高脂肪饮食（HFD）已被证实与人类认知缺陷和胃肠功能障碍有关，而肠道微生物群成为这些饮食相关病理的关键介质。将植物多糖纳入饮食作为缓解这些状况的治疗策略，受到越来越多的关注。本研究探讨了杜仲皮多糖（EPs）减轻肠道菌群失衡的作用机制，并研究了它们在改善饮食相关认知能力下降方面的作用。

来自粪便微生物群移植（FMT）和抗生素治疗的研究结果表明，HFD引起的神经棘突损失相关的认知障碍决于肠道微生物的组成。关联分析显示，变形菌（Proteobacteria）与小鼠的认知表现之间存在密切关联。此外，通过将HFD小鼠的大肠杆菌（E. coli）引入标准饮食小鼠体内，表明了变形菌的繁殖，在HFD小鼠与过度吞噬突触相关的认知缺陷的作用。

EPs有效地抵消了变形菌的增殖，以及由小胶质细胞介导的神经炎症反应，这对于高脂肪饮食小鼠的认知改善至关重要。EPs促进了细菌丁酸盐的产生，从而改善了由HFD引起的大肠线粒体功能障碍，并重塑了结肠细胞的新陈代谢。

主要内容

1. 补充杜仲皮多糖改善了高脂饮食诱导的认知障碍

为了评估补充EPs对HFD小鼠空间认知表现的影响，我们给这些小鼠持续补充EPs28天（图1A），并进行Morris水迷宫（MWM）实验。我们观察到HFD小鼠的记忆保持能力下降。HFD小鼠到达隐藏平台的时间逃避比正常饮食的小鼠更长（图1B-C）。然而，补充EPs后，HFD小鼠的逃避潜伏期缩短（图1B-C）。此外，HFD小鼠在空间记忆方面存在缺陷。然而，补充EPs后，这些空间记忆缺陷得到了改善（图1D-E）。我们还研究了Thy1-YFP小鼠海马体齿状回（DG）中树突棘的密度，因为记忆形成与由轴突末梢和树突棘组成的突触密切相关。分析表明，与HFD小鼠相比，补充EPs的小鼠表现出更高的树突棘密度（图1F - G）。

图1补充EPs改善了由HFD引起的认知缺陷

2. 实验性升温对微生物代谢能力的影响

研究通过16S rRNA基因测序评估了EPs对高脂肪饮食（HFD）小鼠肠道微生物群的影响，发现HFD导致细菌多样性和群落丰富度下降，而补充EPs能部分恢复这些指标，使肠道微生物组成接近正常水平。具体表现为EPs减少了HFD引起的变形菌（Proteobacteria）增多，降低了促炎菌属的丰度，同时增加了产生短链脂肪酸（SCFA）的有益菌如阿克曼氏菌、双歧杆菌和罗氏菌的丰度。RNA测序分析揭示了EPs对结肠稳态的正面影响，表现为HFD激活了与结肠炎相关通路，而EPs处理组则显示出较低的LPS浓度和促炎性细胞因子mRNA表达水平，免疫荧光染色进一步确认了EPs能减少结肠炎标志物iNOS的表达。此外，研究还关注了EPs对肠道黏膜屏障完整性的保护作用。HFD导致紧密连接蛋白ZO-1水平下降，增加了肠道通透性；EPs补充则显著提高了ZO-1水平，增强了屏障完整性，从而降低了血清中细菌来源的LPS水平。

图2 EPs改善了HFD饮食诱导的肠道菌群失调和炎症

3. 高脂肪饮食（HFD）引起的肠道菌群失调导致了与突触吞噬相关的认知障碍

通过将高脂肪饮食（HFD）小鼠的肠道微生物移植到预先用抗生素处理过的小鼠中（C-FMT），发现C-FMT小鼠的肠道微生物结构与HFD小鼠相似，且LPS水平升高，表明FMT过程有效地在C-FMT小鼠中建立了与HFD小鼠相似的微生物群。此外，C-FMT导致小鼠树突棘密度下降，表明其对神经元结构有负面影响。进一步实验中，给予HFD小鼠抗生素（H-Abx），使其成为类似无菌状态的小鼠。与普通HFD小鼠相比，H-Abx小鼠的空间记忆明显改善，表现为较短的逃避潜伏期、较长的目标象限停留时间和更多的平台交叉次数，同时神经元突触密度增加。这表明，高脂饮食可能通过改变肠道微生物群来损害认知功能。此外，研究探讨了HFD小鼠海马区小胶质细胞的激活情况，发现HFD导致小胶质细胞呈现“超分支”激活形态，iNOS水平升高。清除HFD小鼠的肠道微生物群后，小胶质细胞对突触的吞噬作用减弱，PSD95水平恢复，说明肠道微生物群在介导小胶质细胞吞噬神经元突触过程中起着关键作用。

图3 HFD引起的肠道菌群失调导致了依赖突触吞噬的认知障碍

4. 变形菌的扩张是HFD引起的认知障碍的核心因素

我们通过对正常饮食小鼠移植HFD小鼠中分离的大肠杆菌，持续28天，来进一步研究变形菌在认知缺陷中的作用（图4A）。与对照组相比，大肠杆菌定植的小鼠认知能力受损（图4B）。此外，与大肠杆菌定植还导致海马体DG中树突棘密度的减少（图4C）。此外，与对照小鼠相比，口服大肠杆菌显著增加了肠道内容物中脂多糖（LPS）的浓度，以及结肠组织中促炎性细胞因子和诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的表达（图4D-G）。大肠杆菌的扩张还破坏了正常饮食小鼠的肠屏障功能（图4HJ）。此外，与对照组相比，定植大肠杆菌组的小胶质细胞突触吞噬现象明显，表现为小胶质细胞中PSD95+突触密度增加（图4N和Q）。上述结果表明，细菌定植引发了结肠和全身性炎症，进而导致了神经炎症和突触吞噬。

图4 变形菌的过度生长是HFD引起的小鼠认知障碍的关键

5. EPs重塑了HFD小鼠结肠细胞的新陈代谢

结肠细胞的代谢倾向于线粒体中的氧化磷酸化，这有助于维持结肠的厌氧特性，抑制兼性厌氧菌（如变形菌）的生长。GSEA分析显示，EPs减少了高脂饮食小鼠结肠细胞中长链和极长链脂肪酸代谢过程的异常增加（图5BC）。高脂饮食小鼠表现出氧化应激增加和结肠细胞线粒体功能受损。然而，EPs通过影响“氧化损伤”、“线粒体排列”和“线粒体基因表达调节”，改善了结肠细胞中的线粒体功能障碍（图5D-F）。持续的高脂肪摄入提高了结肠内氧气水平。相反，在HFD小鼠中补充EPs重塑了结肠组织中的生理性低氧和线粒体功能（图5I-K），这代表了EPs抑制变形菌科细菌扩增的潜在机制。

图5 变暖对土壤碳释放和碳固定的影响

（a）土壤异养呼吸速率（Rh）。（b）表层土壤中矿物相关有机碳（MAOC）占土壤总有机碳的比例。小提琴左侧的点表示来自控制（蓝色）或变暖（黄色）条件的相应数据。小提琴内的白色圆圈表示平均值，误差条表示SD（n=10，独立样本）。配对样本t检验（双侧）用于比较Rh和MAOC在加温和对照处理之间的均值。

6. EPs通过调节肠道微生物群与结肠细胞之间的相互作用，减轻了高脂饮食诱导的认知缺陷

图6 肠上皮细胞重塑肠道微生物群-结肠细胞相互作用以抑制变形菌门的扩张及随后的炎症反应

图7 通过重塑肠道微生物群和结肠细胞相互作用，EPs改善了HFD诱导的认知缺陷

结论

通过调节结肠细胞与肠道微生物群的相互作用，EPs可以有效地改善高脂肪饮食小鼠的神经炎症和认知缺陷。机制研究表明，HFD通过肠道微生物触发小胶质细胞过度吞噬齿状回中的突触，进而导致小鼠出现认知缺陷。然而，EPs通过增加产生丁酸的菌类的丰度，缓解了HFD小鼠结肠细胞中由线粒体功能障碍介导的代谢紊乱。这些作用有利于抑制结肠中变形菌的增殖，并减轻高脂肪饮食的有害作用。此外，本研究表明EPs能够通过调节肠道微生物与结肠细胞之间的相互作用来改善饮食引发的功能障碍，从而为开发预防性治疗提供了理论基础。

相关推荐