前言

腸道微生物群是影響大腦功能的一個(gè)公認(rèn)的因素，但機(jī)制目前尚不清楚。多巴胺是一種主要的神經(jīng)遞質(zhì)，它在大腦中的表達(dá)水平與大腦功能密切相關(guān)。多巴胺主要在腦神經(jīng)元細(xì)胞中合成，在人體內(nèi)有兩個(gè)階段。Tyr-dopa-dopamine轉(zhuǎn)化是第二階段，由酪氨酸羥化酶（TH）和多巴脫羧酶（DDC）在大腦中完成。

2021年2月，Signal Transduction and Targeted Therapy（IF：18.187）發(fā)表了題為?“Oral berberine improves brain dopa/dopamine levels to ameliorate Parkinson's disease by regulating gut microbiota ”的研究成果，通過空間代謝組學(xué)和LC-MS非靶向代謝組學(xué)，對(duì)小鼠模型進(jìn)行口服小檗堿和腸道菌移植研究，發(fā)現(xiàn)了腸道菌群是體內(nèi)多巴/多巴胺的新來(lái)源，為小檗堿用來(lái)改善帕金森病提供了理論依據(jù)。

研究背景

細(xì)菌可能含有哺乳動(dòng)物用來(lái)產(chǎn)生多巴胺的酶基因的同源物，事實(shí)上，一些細(xì)菌可以被視為生產(chǎn)多巴/多巴胺的生物技術(shù)工廠，比如人腸道中的腸球菌。最近的研究表明，腸道微生物群可以通過微生物的衍生代謝物（如血清素）調(diào)節(jié)大腦功能。小檗堿（BBR）是一種天然化合物,從草本植物中分離，在中國(guó)一直被用作治療腹瀉患者的非處方（OTC）藥物，有研究發(fā)現(xiàn)BBR有改善帕金森（PD）的作用。

研究結(jié)果

1.BBR增加體內(nèi)腸道微生物群中多巴/多巴胺的產(chǎn)生

研究表明，在小鼠口服BBR組中，6小時(shí)內(nèi)腸道細(xì)菌的多巴/多巴胺的產(chǎn)生顯著增加了（圖1a）。腸道多巴/多巴胺隨后進(jìn)入血液和大腦(僅多巴)，血液和大腦中的多巴/多巴胺增加，且和劑量和時(shí)間相關(guān)（圖1b和c）。為了驗(yàn)證腸道微生物群在BBR誘導(dǎo)的多巴/多巴胺增加中的作用，使用抗生素預(yù)處理小鼠，再口服BBR進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過抗生素處理的小鼠，腸道菌落數(shù)明顯降低，并且口服BBR的小鼠的糞便、血液和大腦中多巴/多巴胺未增加?？诜股厮坪踉诤艽蟪潭壬辖档土四c道菌群的豐度，從而降低了它們?cè)谀c道中產(chǎn)生多巴/多巴胺的能力。

此外，為了了解BBR在沒有腸道細(xì)菌的條件下的直接作用，通過注射BBR對(duì)ICR小鼠進(jìn)行治療，發(fā)現(xiàn)并未引起糞便、血液和大腦中多巴酚/多巴胺水平的變化（圖1），這表明腸道微生物群對(duì)于BBR誘導(dǎo)的體內(nèi)多巴/多巴胺的增加至關(guān)重要。

同位素（15 N）標(biāo)記的酪氨酸（15 N-Tyr）來(lái)檢測(cè)大腦多巴胺的來(lái)源，結(jié)果顯示，腸道15 N-Tyr是腦內(nèi)15 N-多巴胺合成的原料，口服BBR可顯著增加腦內(nèi)15 N-多巴胺（圖1f）。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一假設(shè)，將ICR小鼠的血液、肝臟勻漿、腦勻漿和腸道菌群與15 N-Tyr 分別在體外進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果在大腦勻漿和腸道細(xì)菌中檢測(cè)到15 N-多巴胺，血液和肝臟勻漿中并未檢測(cè)到。這表明腦和腸道細(xì)菌是體內(nèi)多巴胺生物合成的主要部位。

圖1 | BBR增加了體內(nèi)腸道微生物群中多巴/多巴胺的產(chǎn)生

2.BBR刺激腸道細(xì)菌在體外產(chǎn)生多巴/多巴胺

在體外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用BBR治療腸道菌群，增加其多巴/多巴胺的產(chǎn)生。作者檢測(cè)了BBR對(duì)十種腸道菌株的影響（圖2a）。其中4種菌株（糞腸球菌，屎腸球菌，奇異變形桿菌和嗜酸乳桿菌）在BBR處理后，多巴顯著增加，有3種菌株的多巴產(chǎn)生幾乎沒有變化。此外，對(duì)于多巴胺來(lái)說，3種菌株（屎腸球菌、糞腸球菌和表皮葡萄球菌）的多巴胺含量在BBR處理后顯著增加，有4株菌株的多巴胺幾乎沒有變化（圖2b）。

隨后，作者選擇了糞腸球菌和屎腸球菌用于后續(xù)的研究。兩種菌株的多巴在BBR處理后6和12小時(shí)增加，但糞腸球菌的增加在24 h消失，可能是由于多巴轉(zhuǎn)化為多巴胺了。另外，加入BBR培育小鼠腦、腸和肝臟的組織勻漿時(shí)，多巴/多巴胺水平?jīng)]有增加。這證明腸道微生物群是BBR在體內(nèi)多巴/多巴胺的生產(chǎn)者。

此外，還檢測(cè)到腸道細(xì)菌組成的變化。在50個(gè)屬中，18個(gè)在BBR處理后豐度增加，其中4個(gè)屬被記錄為多巴/多巴胺生產(chǎn)者（圖2）。這表明，BBR可能是通過刺激菌群中的多巴/多巴胺生物合成菌的豐度來(lái)增加多巴/多巴胺的豐度。

圖2?| BBR刺激腸道細(xì)菌產(chǎn)生多巴/多巴胺

3.BBR激活了腸道微生物群中的多巴/多巴胺生物合成，改善了動(dòng)物的大腦功能

TH（酪氨酸羥化酶）和DDC（多巴脫羧酶）是兩種關(guān)鍵酶，分別將酪氨酸轉(zhuǎn)化為多巴，然后將多巴轉(zhuǎn)化為多巴胺。酶測(cè)定顯示，體外BBR處理使腸道菌群中的TH活性提高了23%，DDC水平提高了28%（圖3a）。隨后研究了抑制這兩種酶能否抑制BBR誘導(dǎo)的腸道微生物群中多巴/多巴胺的產(chǎn)生，結(jié)果顯示，BBR增加多巴/多巴胺生物合成是通過刺激活化TH和DDC來(lái)產(chǎn)生的。

圖3?| BBR激活了腸道微生物群中多巴/多巴胺合成的途徑

雖然TH和DDC存在于大腦中，但腦勻漿中加入BBR并沒有增加大腦中多巴/多巴胺的水平（圖3e）。但是，腦勻漿與dhBBR（一種由腸道菌群中硝化還原酶產(chǎn)生的BBR代謝物）的混合，顯著增加了大腦中多巴/多巴胺的水平。作者發(fā)現(xiàn)TH的活性和DDC的水平被dhBBR升高。推定的dhBBR對(duì)TH活性的化學(xué)機(jī)制如圖4所示。

圖4?| dhBBR介導(dǎo)從酪氨酸轉(zhuǎn)化為多巴的化學(xué)反應(yīng)

事實(shí)上，有體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，dhBBR只能在腸道中檢測(cè)到，但在血液和大腦中卻不能檢測(cè)到，這支持了由BBR增加的大腦中多巴胺來(lái)自腸道微生物群的假設(shè)。

在PD小鼠模型中進(jìn)行了腦功能測(cè)試，用來(lái)研究BBR誘導(dǎo)的多巴/多巴胺增加是否可以改善動(dòng)物的身體表現(xiàn)。化學(xué)分析表明，到實(shí)驗(yàn)的第7天，BBR口服治療組腦組織中的多巴/多巴胺顯著高于疾病模型小鼠（圖5b）。

BBR部分改善了腦功能損傷，腸道微生物群中多巴/多巴胺產(chǎn)生的增加可能是該機(jī)制的一部分。在該實(shí)驗(yàn)中，左旋多巴治療顯示出優(yōu)于BBR的治療效果，可能是因?yàn)樗cDDC抑制劑卡比多巴聯(lián)合使用。

圖5?| 糞腸球菌和屎腸球菌調(diào)節(jié)多巴/多巴胺，并在存在BBR的情況下改善PD動(dòng)物的腦功能

4.動(dòng)物糞腸球菌和屎腸球菌移植可增加腦多巴/多巴胺并改善腦功能

首先，在兩種菌株中檢測(cè)到TH和DDC很高的酶活性，但它們之間沒有明顯差異。然后，作者將糞腸球菌和屎腸球菌移植到用抗生素預(yù)處理的PGF小鼠中。小鼠被隨機(jī)分為7組（使用不同的治療方式），然后收集腦、血液和糞便進(jìn)行多巴和多巴胺測(cè)量。結(jié)果顯示，BBR處理沒有增加PGF小鼠中多巴/多巴胺的水平，但促進(jìn)這兩種菌在PGF小鼠中合成多巴/多巴胺（圖5d-f）。

用抗生素治療可以減少小鼠腸道中的細(xì)菌菌落，但是PGF小鼠糞便、血漿和大腦中的多巴和多巴胺沒有顯著變化，可能是因?yàn)槟c道微生物群不是自然界中大腦多巴胺的主要貢獻(xiàn)者，以及腸球菌對(duì)抗生素的耐藥性相對(duì)較高。

總之，糞腸球菌和屎腸球菌如果移植到體內(nèi)，可能在多巴和多巴胺的合成中起關(guān)鍵作用。并且在PD模型小鼠中觀察到細(xì)菌和BBR對(duì)行為學(xué)的改善作用。

5.通過空間代謝組學(xué)對(duì)ICR小鼠大腦多巴胺分布進(jìn)行空間成像

使用空間代謝組學(xué)研究了紋狀體多巴胺在各組中的分布。結(jié)果如圖6所示，與僅用菌治療小鼠的第3組和第5組相比，從全腦和半腦的角度來(lái)看，接受兩種菌株和BBR治療的小鼠的紋狀體多巴胺水平要高得多（圖6a-d），這個(gè)結(jié)果與前面用大腦均質(zhì)物獲得的結(jié)果一致。

這表明BBR可能具有通過增加BH來(lái)刺激糞腸球菌和屎腸球菌的多巴/多巴胺代謝途徑。這種相互作用最終導(dǎo)致大腦中多巴胺的量增加，其中BBR與糞腸球菌或屎腸球菌的組合顯示出比單獨(dú)用糞腸球菌或屎腸球菌治療的升高更高

圖6?| BBR刺激了移植糞腸球菌和屎腸球菌的小鼠紋狀體中多巴胺的產(chǎn)生

6.BBR增加臨床受試者血液多巴/多巴胺

為了研究BBR是否能增加人類血多巴，作者納入了28名高脂血癥患者的BBR治療研究。在BBR治療8周后，患者血多巴/多巴胺升高，糞便的結(jié)果和血液相似，同時(shí)，腸道微生物群中的TH和DDC被BBR上調(diào)。結(jié)果與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的結(jié)果一致。對(duì)28例臨床患者糞便樣本中微生物多樣性的分析表明，經(jīng)過2個(gè)月的BBR治療，腸球菌的相對(duì)豐度增加了11%，且糞腸球菌和屎腸球菌占主導(dǎo)。

研究結(jié)論

該文章首先發(fā)現(xiàn)了腸道菌群是體內(nèi)多巴/多巴胺的新來(lái)源，腸道菌群產(chǎn)生的左旋多巴通過循環(huán)進(jìn)入大腦并轉(zhuǎn)化為多巴胺。為了驗(yàn)證由BBR作用激活的腸腦軸，將糞腸球菌或屎腸球菌移植到帕金森病（PD）小鼠中。菌株移植顯著增加大腦多巴胺并改善小鼠的PD表現(xiàn)。此外，BBR與菌株的結(jié)合顯示出比單獨(dú)使用菌株更好的治療效果。

空間代謝組學(xué)鑒定出菌株移植小鼠大腦中紋狀體多巴胺水平升高，并且BBR增強(qiáng)了腦多巴胺的成像強(qiáng)度。此外，一項(xiàng)針對(duì)28名高脂血癥患者的研究證實(shí)，口服BBR會(huì)通過腸道菌群增加血液/糞便中的左旋多巴。這些結(jié)果表明，BBR促進(jìn)腸道中左旋多巴的產(chǎn)生。BBR多年來(lái)一直是一種OTC藥物，它可能在調(diào)節(jié)腦-腸軸和改善人類大腦功能方面具有立即適用的潛力。

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