國自然熱門領(lǐng)域之腸道菌群

    GV971作為治療阿爾茨海默癥藥物被批準(zhǔn)上市，后有傳言稱饒毅教授舉報三位知名研究人員，其中一位就是GV971的研究者耿美玉。自從GV971被批準(zhǔn)上市后，就被廣大科研人員質(zhì)疑臨床數(shù)據(jù)和明確的藥理機(jī)制研究。我們今天主要談?wù)摴⒚烙癜l(fā)表在Cell Research上關(guān)于GV971通過腦腸軸影響阿爾茨海默癥的論文及腸道菌群研究方向。

    腸道微生物包括真細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌以及病毒等類型，人類胃腸道中的微生物總量超過1014，其中細(xì)菌占99%以上，約1000-1150種，在食物分解吸收、抵御外界病原微生物等方面發(fā)揮重要作用。腸道菌群近年來在科學(xué)研究領(lǐng)域十分火熱，在國自然基金申請上也十分給力。在2019年批準(zhǔn)的國自然項目中，有210個項目與腸道菌群有關(guān)，且增長趨勢明顯，值得諸位研究人員長期關(guān)注。

    腸道菌群的實驗設(shè)計非常圓滑，可以與許多方向相關(guān)聯(lián)，包括中藥學(xué)，預(yù)防醫(yī)學(xué)，代謝生理，食品科學(xué)，消化系統(tǒng)疾病，循環(huán)系統(tǒng)，藥理，腫瘤，微生物，中西醫(yī)結(jié)合等諸多方向。聽我說完你是不是有一點點心動，那我接下來以耿美玉的文章為例解析一下腸道菌群研究方法，這里我們不討論文章邏輯，只說文章思路。
    作者首先確認(rèn)了在AD進(jìn)程中，腸道菌群的改變與腦內(nèi)侵潤的免疫細(xì)胞具有相關(guān)性。小鼠模型使用的是5XFAD轉(zhuǎn)基因（Tg）小鼠，隨著AD病程進(jìn)展，Tg小鼠腸道菌群組成發(fā)生了顯著改變。追蹤Tg小鼠菌群結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化過程發(fā)現(xiàn)，在Tg小鼠2-3月齡時，擬桿菌門、厚壁菌門和疣微菌門豐度最高（Bacteroides 47.3%, Firmicutes 33.0% 和Verrucomicrobia 12.2%），然而到了7-9月齡時，則以厚壁菌門為主導(dǎo)（Firmicutes 62.8%）。這些結(jié)果表明隨著AD的進(jìn)展，Tg小鼠腸道菌群的組成發(fā)生了明顯的改變。

    有研究提示腸道菌群參與觸發(fā)大腦神經(jīng)炎癥。因此，作者假設(shè)在AD進(jìn)程中，以上菌群變化和神經(jīng)炎癥有密切關(guān)系。首先，利用IBA1染色和流式細(xì)胞分析發(fā)現(xiàn)，Tg小鼠腦內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞（Microglia）在2-3月齡和7-9月齡呈現(xiàn)兩種截然不同的激活狀態(tài)。在2-3月齡時，促炎的M1型和神經(jīng)保護(hù)的M2型小膠質(zhì)細(xì)胞活化都在增加，隨著疾病的進(jìn)展，促炎的M1型小膠質(zhì)細(xì)胞持續(xù)增加，并在7-9月齡時達(dá)到頂峰，然而神經(jīng)保護(hù)的M2型小膠質(zhì)細(xì)胞在3-5月齡開始下降，之后就維持在一個較低的水平。進(jìn)一步分析AD進(jìn)程中Tg小鼠腦中外周免疫細(xì)胞侵潤狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)外周侵潤的CD45high細(xì)胞比例顯著增高，并且CD4+T細(xì)胞的兩個主要亞型Th1和Th2表現(xiàn)出和促炎的M1型、神經(jīng)保護(hù)的M2型小膠質(zhì)細(xì)胞相似的變化過程。顯然，該研究表明隨著腸道菌群的失衡，腦內(nèi)的神經(jīng)炎癥模式轉(zhuǎn)為以Th1細(xì)胞和M1型小膠質(zhì)細(xì)胞活化為主導(dǎo)。那么在AD的進(jìn)程中，腸道菌群的豐度和大腦免疫細(xì)胞的變化是否有關(guān)聯(lián)呢？這些結(jié)果表明，在AD的進(jìn)程中，腸道菌群變化和腦內(nèi)免疫細(xì)胞以及神經(jīng)炎癥密切相關(guān)。
    作者進(jìn)一步從正反兩個方面證實了腸道菌群是大腦免疫細(xì)胞浸潤以及小膠質(zhì)細(xì)胞激活所必需的。一方面利用抗生素處理Tg小鼠，使腸道菌群豐度顯著降低，這時腦中侵潤的Th1細(xì)胞比例和M1型小膠質(zhì)細(xì)胞的活化也明顯降低。同窩飼養(yǎng)實驗從另一個角度證實了腸道菌群對腦內(nèi)神經(jīng)炎癥的驅(qū)動作用。同窩的野生型（WT）小鼠由于長期暴露于Tg小鼠的糞菌中，其體內(nèi)的菌群組成更接近于Tg小鼠，使得其腦中Th1、M1細(xì)胞的比例顯著升高、細(xì)胞因子的表達(dá)譜和認(rèn)知功能也更接近于Tg小鼠。短期的糞菌移植實驗也同樣證實，正常小鼠接受Tg小鼠糞菌后，腦中Th1細(xì)胞比例明顯增加。相反，Tg小鼠接受正常小鼠糞菌后，腦中Th1細(xì)胞比例明顯減少。這些結(jié)果都表明，在AD進(jìn)程中，腸道菌群改變可以驅(qū)動腦內(nèi)外周免疫細(xì)胞侵潤以及神經(jīng)炎癥反應(yīng)。

    接下來 “大明星”GV971就要登場啦。通過小鼠行為學(xué)實驗表明GV-971對認(rèn)知障礙表現(xiàn)出改善作用。糖類分子是腸道菌群的營養(yǎng)來源，所以作者想看一下GV971是否對腸道菌群有影響。作者發(fā)現(xiàn)5XFAD轉(zhuǎn)基因小鼠（Tg）口服GV-971一個月后，腸道菌群的組成更接近于野生型小鼠，且腸道菌群的分布發(fā)生了明顯的雙向變化。與腸道菌群的變化一致，GV-971治療Tg小鼠后，之前腦內(nèi)免疫細(xì)胞與腸道菌群間的相關(guān)性被打破，腦內(nèi)促炎性Th1細(xì)胞比例下降，小膠質(zhì)細(xì)胞的活化水平也顯著降低，同時，腦內(nèi)多種細(xì)胞因子水平廣泛下降。并且，GV-971的治療顯著降低了Tg小鼠腦內(nèi)Aβ斑塊沉積和Tau蛋白的磷酸化，對Tg小鼠辨別學(xué)習(xí)能力也有明顯的改善作用。這些結(jié)果表明，GV-971可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群改善AD小鼠神經(jīng)炎癥和認(rèn)知功能障礙。

    許多研究表明腸道菌群可以通過代謝產(chǎn)物影響宿主的免疫系統(tǒng)。在AD的進(jìn)程中，腸道菌群是否通過代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)炎癥。作者發(fā)現(xiàn)Tg小鼠糞菌培養(yǎng)上清可以刺激CD4+T細(xì)胞更多地分化成促炎性Th1細(xì)胞，說明菌群產(chǎn)生的相關(guān)代謝產(chǎn)物可以調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞分化。通過非靶向代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)WT、Tg和GV-971治療的Tg小鼠糞便中存在31種差異的代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物在Tg小鼠中與WT小鼠相比顯著升高或降低，同時這種改變在GV-971處理后可以明顯逆轉(zhuǎn)。通過通路富集，作者發(fā)現(xiàn)這些代謝物主要集中在一些氨基酸相關(guān)代謝通路，特別是苯丙氨酸（Phenylalanine）等相關(guān)通路。
    氨基酸可以通過特定的轉(zhuǎn)運(yùn)體被免疫細(xì)胞攝取，從而驅(qū)動免疫細(xì)胞的分化和增殖。作者檢測了苯丙氨酸和異亮氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體SLC7A5的表達(dá)水平。他們發(fā)現(xiàn)在Th1細(xì)胞中存在SLC7A5表達(dá)。用13C同位素標(biāo)記苯丙氨酸表明Th1細(xì)胞能夠攝取苯丙氨酸，并且這種攝取可以被SLC7A5抑制劑阻斷。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)苯丙氨酸或異亮氨酸能刺激CD4+T細(xì)胞分化成Th1細(xì)胞，并可刺激Th1細(xì)胞的增殖。當(dāng)給WT小鼠腹腔注射苯丙氨酸或異亮氨酸時，小鼠血液中Th1細(xì)胞的比例也顯著增加。

     GV-971 處理一個月可明顯降低Tg小鼠糞便和血液樣本中苯丙氨酸和異亮氨酸的含量，并且減少苯丙氨酸或異亮氨酸所誘導(dǎo)的Th1細(xì)胞的分化，同步降低苯丙氨酸誘導(dǎo)的Th1細(xì)胞增殖。為了進(jìn)一步驗證上述小鼠模型上的研究結(jié)果是否在臨床樣本上具有可重現(xiàn)性，作者又比較了輕度認(rèn)知障礙AD患者和對應(yīng)年齡段的健康人血液中苯丙氨酸、異亮氨酸和Th1免疫細(xì)胞等含量的差別，結(jié)果發(fā)現(xiàn)輕度認(rèn)知障礙AD患者Phe/Ile水平和Th1細(xì)胞含量比例較健康人均明顯升高，提示了該工作具有潛在的臨床轉(zhuǎn)化價值。

    綜上，在AD進(jìn)程中，伴隨Aβ的沉積以及Tau蛋白的磷酸化的發(fā)生，腸道菌群的組成發(fā)生變化，繼而導(dǎo)致代謝產(chǎn)物異常，異常的代謝產(chǎn)物刺激外周免疫炎癥，促使炎性免疫細(xì)胞Th1向大腦侵潤，引起腦內(nèi)M1型小膠質(zhì)細(xì)胞的活化，導(dǎo)致AD相關(guān)神經(jīng)炎癥的發(fā)生，最終導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙?？诜礼V-971能夠重塑腸道菌群，降低異常代謝產(chǎn)物，阻止外周炎性免疫細(xì)胞向大腦的侵潤，抑制神經(jīng)炎癥，同時減少Aβ的沉積和Tau蛋白的磷酸化，從而改善認(rèn)知障礙，達(dá)到治療AD的目的。
    最后我談一下關(guān)于GV971這個抗AD的藥物我個人的看法，臨床前試驗表明，GV971可能具有多靶點作用，包括β淀粉樣蛋白、抑制神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應(yīng)、重塑腸道菌群、抑制膽堿酯酶作用。但臨床機(jī)制并未驗證，包括最為核心的β淀粉樣蛋白通路。GV971的試驗周期只有36周，時間跨度不夠大，并不能說明長期作用。GV971只能說是給我們一個新的希望，在全球范圍內(nèi)臨床試驗研究結(jié)束之前，我們還需要保持冷靜的態(tài)度。畢竟綠谷藥業(yè)的黑歷史太多，抗癌靠保健品也是優(yōu)秀啊，怎么看怎么像權(quán)??；那個宣傳路子真像保健品。當(dāng)然我們還需等待后續(xù)結(jié)果。就是這樣，下回帶大家看點別的，再見！