前言

腸道微生物群是影響大腦功能的一個公認的因素，但機制目前尚不清楚。多巴胺是一種主要的神經(jīng)遞質，它在大腦中的表達水平與大腦功能密切相關。多巴胺主要在腦神經(jīng)元細胞中合成，在人體內有兩個階段。Tyr-dopa-dopamine轉化是第二階段，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發(fā)表了題為 “Oral berberine improves brain dopa/dopamine levels to ameliorate Parkinson's disease by regulating gut microbiota ”（IF：18.187）的研究成果，通過空間代謝組學和LC-MS非靶代謝，對小鼠模型進行口服小檗堿和腸道菌移植研究，發(fā)現(xiàn)了腸道菌群是體內多巴/多巴胺的新來源，為小檗堿用來改善帕金森病提供了理論依據(jù)。

研究背景

細菌可能含有哺乳動物用來產(chǎn)生多巴胺的酶基因的同源物，事實上，一些細菌可以被視為生產(chǎn)多巴/多巴胺的生物技術工廠，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。

研究思路

研究結果

1.BBR增加體內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小時內腸道細菌的多巴/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，且和劑量和時間相關（圖1b和c）。為了驗證腸道微生物群在BBR誘導的多巴/多巴胺增加中的作用，使用抗生素預處理小鼠，再口服BBR進行實驗。

結果發(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。口服抗生素似乎在很大程度上降低了腸道菌群的豐度，從而降低了它們在腸道中產(chǎn)生多巴/多巴胺的能力。

此外，為了了解BBR在沒有腸道細菌的條件下的直接作用，通過注射BBR對ICR小鼠進行治療，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于BBR誘導的體內多巴/多巴胺的增加至關重要。

同位素（15 N）標記的酪氨酸（15 N-Tyr）來檢測大腦多巴胺的來源，結果顯示，腸道15 N-Tyr是腦內15 N-多巴胺合成的原料，口服BBR可顯著增加腦內15 N-多巴胺（圖1f）。

為了進一步驗證這一假設，將ICR小鼠的血液、肝臟勻漿、腦勻漿和腸道菌群與15 N-Tyr 分別在體外進行檢測，結果在大腦勻漿和腸道細菌中檢測到15 N-多巴胺，血液和肝臟勻漿中并未檢測到。這表明腦和腸道細菌是體內多巴胺生物合成的主要部位。

圖1 | BBR增加了體內腸道微生物群中多巴/多巴胺的產(chǎn)生

2.BBR刺激腸道細菌在體外產(chǎn)生多巴/多巴胺

在體外進行實驗，使用BBR治療腸道菌群，增加其多巴/多巴胺的產(chǎn)生。作者檢測了BBR對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，對于多巴胺來說，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小時增加，但糞腸球菌的增加在24 h消失，可能是由于多巴轉化為多巴胺了。另外，加入BBR培育小鼠腦、腸和肝臟的組織勻漿時，多巴/多巴胺水平?jīng)]有增加。這證明腸道微生物群是BBR在體內多巴/多巴胺的生產(chǎn)者。

此外，還檢測到腸道細菌組成的變化。在50個屬中，18個在BBR處理后豐度增加，其中4個屬被記錄為多巴/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增加多巴/多巴胺的豐度。

圖2?| BBR刺激腸道細菌產(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，改善了動物的大腦功能

TH（酪氨酸羥化酶）和DDC（多巴脫羧酶）是兩種關鍵酶，分別將酪氨酸轉化為多巴，然后將多巴轉化為多巴胺。酶測定顯示，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誘導的腸道微生物群中多巴/多巴胺的產(chǎn)生，結果顯示，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TH活性的化學機制如圖4所示。

圖4?| dhBBR介導從酪氨酸轉化為多巴的化學反應

事實上，有體內實驗表明，dhBBR只能在腸道中檢測到，但在血液和大腦中卻不能檢測到，這支持了由BBR增加的大腦中多巴胺來自腸道微生物群的假設。

在PD小鼠模型中進行了腦功能測試，用來研究BBR誘導的多巴/多巴胺增加是否可以改善動物的身體表現(xiàn)?；瘜W分析表明，到實驗的第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制的一部分。在該實驗中，左旋多巴治療顯示出優(yōu)于BBR的治療效果，可能是因為它與DDC抑制劑卡比多巴聯(lián)合使用。

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

4.動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處理的PGF小鼠中。小鼠被隨機分為7組（使用不同的治療方式），然后收集腦、血液和糞便進行多巴和多巴胺測量。結果顯示，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，可能是因為腸道微生物群不是自然界中大腦多巴胺的主要貢獻者，以及腸球菌對抗生素的耐藥性相對較高。

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

5.通過空間代謝組學對ICR小鼠大腦多巴胺分布進行空間成像

使用空間代謝組學研究了紋狀體多巴胺在各組中的分布。結果如圖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），這個結果與前面用大腦均質物獲得的結果一致。

這表明BBR可能具有通過增加BH來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，糞便的結果和血液相似，同時，腸道微生物群中的TH和DDC被BBR上調。結果與動物實驗中檢測到的結果一致。對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個月的BBR治療，腸球菌的相對豐度增加了11%，且糞腸球菌和屎腸球菌占主導。

研究結論

該文章首先發(fā)現(xiàn)了腸道菌群是體內多巴/多巴胺的新來源，腸道菌群產(chǎn)生的左旋多巴通過循環(huán)進入大腦并轉化為多巴胺。為了驗證由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?。≒D）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與菌株的結合顯示出比單獨使用菌株更好的治療效果。

空間代謝組學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增強了腦多巴胺的成像強度。此外，一項針對28名高脂血癥患者的研究證實，口服BBR會通過腸道菌群增加血液/糞便中的左旋多巴。這些結果表明，BBR促進腸道中左旋多巴的產(chǎn)生。BBR多年來一直是一種OTC藥物，它可能在調節(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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本文章使用小鼠模型，通過常規(guī)LC-MS非靶代謝技術，研究了口服小檗堿對小鼠血液、糞便和腦等多巴/多巴胺的變化，發(fā)現(xiàn)了腸道菌群是體內多巴/多巴胺的新來源，且通過影響腸道菌群豐度來增加多巴/多巴胺的含量。還通過空間代謝組學，觀察到了BBR和腸道菌群對小鼠大腦中紋狀體多巴胺的變化。

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