已有大量研究描述了腸道微生物群通過(guò)腸-腦軸對(duì)阿爾茨海默病（AD）患者的大腦產(chǎn)生顯著影響。然而，腸道微生物群參與AD發(fā)展分子機(jī)制的理解仍然有限。目前大多數(shù)研究?jī)H關(guān)注糞便和血液中代謝物豐度的改變和相關(guān)性，而對(duì)AD腦內(nèi)代謝物空間分布、基因表達(dá)水平與病理變化等相關(guān)特征的研究依然缺乏。

2023年11月，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院湯薈冬/江旭峰/張淼教授合作在Gut Microbes（IF 12.2）上發(fā)表題為“Multi-omics data reveals aberrant gut microbiota-host glycerophospholipid metabolism in association with neuroinflammation in APP/PS1 mice”的文章，該研究不僅利用16S rRNA基因測(cè)序和代謝組學(xué)探討了AD小鼠腸道微生物豐度和血清代謝豐度的變化特征，還結(jié)合空間代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、神經(jīng)影像學(xué)和病理學(xué)研究了大腦的變化并確定了它們間的相關(guān)性。該研究為闡明AD中微生物群-腸-腦軸的機(jī)制提供了更直接的證據(jù)。中科新生命為該研究提供了16S rRNA測(cè)序、非靶向代謝組學(xué)、空間代謝組學(xué)以及轉(zhuǎn)錄組學(xué)等技術(shù)服務(wù)。

?研究材料

9月齡APP/PS1小鼠（AD模型），野生型小鼠為對(duì)照組，收集糞便、血清樣本、腦組織

?技術(shù)路線

步驟1：使用Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)測(cè)定各組（n=11）的認(rèn)知水平；

步驟2：采用PET-CT檢測(cè)小鼠腦內(nèi)Aβ斑塊和神經(jīng)炎癥水平（n=3）；

步驟3：收集糞便和血清樣本分別進(jìn)行16S rRNA測(cè)序（n=8）和非靶向代謝組學(xué)（n=8）分析；

步驟4：腦組織樣本進(jìn)行空間代謝組學(xué)（n=3）、免疫熒光（n=6）、轉(zhuǎn)錄組（n=3）和PCR（n=3）分析；

步驟5：整合多組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，以探索腸道微生物群與大腦之間的相互作用；

步驟6：選擇APP/PS1小鼠（n=6）進(jìn)行糞便移植（FMT）干預(yù)驗(yàn)證多組學(xué)結(jié)果。

?研究結(jié)果

1. APP/PS1小鼠的認(rèn)知行為和病理特征

使用Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)檢測(cè)APP/PS1小鼠和WT小鼠之間認(rèn)知水平差異，發(fā)現(xiàn)APP/PS小鼠組表現(xiàn)出認(rèn)知障礙。接著采用PET-CT和免疫熒光技術(shù)檢測(cè)兩組小鼠腦內(nèi)Aβ病理水平和神經(jīng)炎癥情況：PET-CT結(jié)果顯示APP/PS1小鼠大腦中Aβ更高；免疫熒光結(jié)果表明APP/PS1小鼠大腦中有顯著的Aβ斑塊沉積。此外，APP/PS1小鼠組皮質(zhì)神經(jīng)元數(shù)量低于WT組。這些結(jié)果表明APP/PS1小鼠在9月齡時(shí)表現(xiàn)出典型的認(rèn)知障礙和AD病理改變。

2.?APP/PS1和WT小鼠腸道微生物豐度的差異

為了研究APP/PS1和WT小鼠腸道微生物豐度的差異，收集兩組糞便樣本進(jìn)行16S rRNA檢測(cè)。Simpson多樣性顯示兩組小鼠腸道微生物群的α多樣性沒(méi)有顯著差異，PCoA分析顯示兩組小鼠之間的β多樣性沒(méi)有顯著差異。進(jìn)一步比較兩組小鼠腸道菌群在屬水平上的差異，發(fā)現(xiàn)APP/PS1小鼠組中脫硫弧菌、腸球菌、圖里克氏菌和瘤胃球菌的豐度有所下降，假單胞菌豐度增加。

3.?APP/PS1與WT小鼠血清和腦組織代謝物的差異

為了進(jìn)一步探討APP/PS1和WT小鼠之間的代謝途徑，分別采用非靶向代謝組學(xué)和空間代謝組學(xué)檢測(cè)血清和腦組織的代謝變化。PCA分析發(fā)現(xiàn)APP/PS1小鼠血清代謝組學(xué)與WT小鼠不同，在VIP>1 和p<0.05的篩選閾值下，鑒定到APP/PS1和WT小鼠血清中存在顯著差異代謝物有40種，功能富集分析表明這些代謝物在賴氨酸降解、甘油磷脂代謝和嘌呤代謝等途徑中富集。此外，基于腦組織空間代謝組學(xué)的PCA分析顯示APP/PS1和WT小鼠之間的代謝特征存在顯著差異，在篩選閾值VIP>1 和p<0.05下，兩組之間總共鑒定出28種不同的代謝物，這些代謝物富集在亞油酸和甘油磷脂代謝通路。值得注意的是，甘油磷脂代謝是腦組織和血清中共有的差異代謝途徑，由此推測(cè)甘油磷脂代謝可能在介導(dǎo)APP/PS1小鼠腸道微生物群與大腦之間的相互作用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

4.?APP/PS1 小鼠中膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥和免疫信號(hào)通路

已有研究報(bào)道AD中神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥是介導(dǎo)腸道微生物群參與AD進(jìn)展的重要途徑。于是研究者使用PET-CT測(cè)量了小鼠大腦中神經(jīng)炎癥的總水平，發(fā)現(xiàn)APP/PS1小鼠大腦中神經(jīng)炎癥水平更高。免疫熒光顯示APP/PS1小鼠大腦中星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞明顯增殖和激活。進(jìn)一步采用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析小鼠大腦中的基因表達(dá)差異，發(fā)現(xiàn)在APP/PS1小鼠腦組織中發(fā)現(xiàn)269個(gè)上調(diào)基因和215個(gè)下調(diào)基因，通路富集分析顯示它們主要與趨化因子信號(hào)通路、氧化損傷反應(yīng)、小膠質(zhì)細(xì)胞中的tyrobp因果網(wǎng)絡(luò)以及小膠質(zhì)細(xì)胞病原體吞噬途徑相關(guān)。這些結(jié)果表明神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的免疫信號(hào)通路變化是APP/PS1小鼠大腦的一個(gè)重要特征。

5.?全面分析不同腸道菌群、代謝物和差異表達(dá)基因

作者進(jìn)一步探討了差異腸道微生物群、代謝物和差異基因表達(dá)水平之間的關(guān)聯(lián)。通過(guò)對(duì)血清中甘油磷脂代謝通路差異代謝物和屬水平差異菌群的分析，發(fā)現(xiàn)血清中1-硬脂酰-2-羥基-sn-甘油-3-磷酸膽堿水平與假單胞菌豐度呈負(fù)相關(guān)，磷酸膽堿與脫硫弧菌的豐度呈正相關(guān)。通過(guò)對(duì)大腦中hub差異表達(dá)基因與甘油磷脂代謝通路差異代謝物的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)磷酸膽堿、PC（16:0/16:0）、lysoPC(18:1(11Z))水平與Ly86、Ptprc、C1qb、Mpeg1、Tyrobp、Fcgr1、Cd68和Trem2等基因的表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)。

6.?FMT 干預(yù)調(diào)節(jié)APP/PS1小鼠的甘油磷脂代謝并改善Aβ病理和神經(jīng)炎癥

最后研究者利用FMT來(lái)驗(yàn)證多組學(xué)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)FMT干預(yù)可以降低APP/PS1小鼠血清中1-硬脂酰-2-羥基-sn-甘油-3-磷酸膽堿和PC（16:0/16:0）水平，而磷酸膽堿水平?jīng)]有變化，表明FMT干預(yù)部分調(diào)節(jié)了APP/PS1小鼠的甘油磷脂代謝過(guò)程。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)FMT組大腦中的Aβ斑塊減少，星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞增殖和活化減少，而且FMT干預(yù)還可以調(diào)節(jié)Cd68、Ctss、Fcrg1、Ptprc、Trem2和Tyrobp的表達(dá)。這些結(jié)果證實(shí)了腸道菌群對(duì)APP/PS1小鼠甘油磷脂代謝和神經(jīng)炎癥的潛在調(diào)節(jié)作用。

?小結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，本研究整合多組學(xué)（16S rRNA測(cè)序和代謝組學(xué)、空間代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)）結(jié)果，描述了APP/PS1 AD小鼠模型中腸道微生物群豐度、血清和大腦中的甘油磷脂代謝以及大腦中的神經(jīng)炎癥通路的變化情況，并通過(guò)整合分析以及糞便移植（FMT）干預(yù)揭示了 APP/PS1小鼠腸道微生物群、宿主甘油磷脂代謝和神經(jīng)炎癥水平之間的潛在關(guān)聯(lián)，本研究促進(jìn)了我們對(duì)于腸道微生物群與AD之間關(guān)系的理解。

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