2021-06-04
近期，派森诺与上海交通大学附属瑞金医院合作，在《Microbiome》（影响因子：11.607）发表论文，结合生理实验、高通量测序、代谢组检测与粪菌移植等实验，研究了骨钙蛋白对帕金森病的神经保护作用，及其作用机制，可喜可贺！
肠-脑轴研究背景
帕金森病（PD）是一种神经退行性疾病，不能完全治愈。近年的研究显示PD患者与健康人的肠道微生物群落具有差异。肠道微生物的主要代谢产物是短链脂肪酸（SCFAs），能将肠道菌群的信号传递给宿主，且对调节脑功能和血液组织屏障的完整性有积极的作用，但同时也是PD模型中，加速神经炎症和α-触核蛋白病的主要调节因子。因此，深入研究肠道微生物，对治疗或改善PD具有重要意义。
骨钙蛋白（OCN）是一种成骨细胞分泌蛋白，它对脑功能有调节作用，可穿透血脑屏障，与海马CA3区神经元直接结合，恢复小鼠认知功能。已有研究表明，OCN可能会影响菌群组成，因此，本研究假设OCN可以通过调节PD小鼠的肠道微生物组来预防运动损伤和多巴胺能神经元丢失，并针对OCN、肠道菌群对PD的治疗作用与机理进行了研究。
肠-脑轴研究方法
测序平台：Illumina高通量测序平台
测序区域：微生物组细菌16S rRNA基因V3-V4区
肠-脑轴研究结果
1. OCN对PD小鼠的神经保护作用，及其与肠道菌群的关联
动物实验结果显示，OCN可预防6-羟基多巴胺（6-OHDA）诱导的帕金森病小鼠的运动损伤和多巴胺能神经元损失。服用OCN前4周使用抗生素消除肠道菌群后，OCN对小鼠运动功能的改善和多巴胺神经元损伤的保护作用不再有效，这表明OCN对PD小鼠的神经保护作用是由肠道菌群介导。粪便菌群移植实验也得出了相同的结论。
图1 OCN给药可预防6-OHDA诱导的帕金森病小鼠的运动损伤和多巴胺能神经元损失
图2 抗生素预处理使OCN处理未能成功预防帕金森病小鼠的运动损伤和多巴胺能神经元损失
图3 粪便菌群移植实验及运动障碍测试
2. PD小鼠与OCN治疗PD小鼠的肠道微生物群落变化
微生物组测序结果显示，PD小鼠肠道微生物组成与对照组有显著差异（P<0.05），而OCN处理后，PD小鼠的微生物群落结构恢复到对照组的水平。从门水平上的微生物类群来看，PD小鼠与对照组也有显著差异。与对照组相比，PD小鼠的Bacteroidetes、S24-7、Rikenellaceae、Erysipelotrichaceae相对丰度显著降低，而Firmicutes、Lachnospiraceae、unclassified Clostridiales则显著升高。有趣的是，OCN给药后，PD小鼠的这种微生物类群变化得到了显著改善。
PICRUSt功能预测分析发现，PD小鼠肠道微生物的产丙酸能力有明显降低，与此同时，与丁酸盐生产相关的KO的相对丰度也发生了变化。值得注意的是，OCN给药成功地逆转了PD小鼠的这些变化。这表明，OCN的干预可以改变PD小鼠的微生物群落组成，还可能增强细菌产生丙酸的潜能。
图4 OCN给药对6-OHDA诱导的PD小鼠肠道微生物群落失调的调节作用
3. OCN对PD小鼠粪便丙酸水平的影响
为进一步研究细菌SCFAs是否发生改变，作者用气相色谱/质谱（GC/MS）分析了粪便中SCFAs的含量。结果显示，6-OHDA诱导的PD小鼠粪便丙酸含量显著低于对照组，而OCN治疗显著逆转了这一变化。相关性分析结果显示，粪便中丙酸水平与S24-7、Rikenellaceae呈正相关，而与Lachnosipraceae、unclassified Clostridiales呈负相关。
更重要的是，粪便中丙酸水平与旷场试验、圆柱体试验和转杆试验的运动功能参数呈正相关。因此，肠道微生物对OCN神经保护作用的介导，可能与丙酸有关。
图5 OCN给药可增加6-OHDA诱导的PD小鼠的粪便丙酸水平
4. 丙酸和FFAR3激动剂预防PD小鼠运动损伤和多巴胺能神经元丢失
为进一步验证丙酸与PD小鼠运动功能改善的关系，作者在6-OHDA诱导的PD小鼠饮水中加入丙酸钠。结果表明，口服丙酸能有效改善旷场试验、圆筒试验中小鼠的运动功能，并阻止PD小鼠大脑注射6-OHDA侧近40%的多巴胺能神经元丢失。这表明，丙酸可能是肠道微生物群落衍生的信号，与帕金森病的发展有关，并且可能是OCN改善帕金森病的靶点。
随后，进一步对PD小鼠进行FFAR3（介导丙酸保护作用的主要受体类型）激动剂灌胃处理，得到了与丙酸类似的神经保护作用。
图6口服丙酸预防6-OHDA诱导的PD小鼠的运动障碍和多巴胺能神经元丢失
图7在6-OHDA诱导的PD小鼠中，给药FFAR3激动剂防止运动障碍和多巴胺能神经元丢失
5. 肠神经系统与丙酸对PD小鼠神经保护作用的关联
测量FFAR3在不同组织中的表达后发现，FFAR3在空肠、回肠和结肠中的相对表达远高于在皮质、海马和大脑纹状体等神经器官中的相对表达。顺铂（一种已知的肠道神经毒素）灌胃实验显示，在肠道细胞耗尽的小鼠中，丙酸对多巴胺能神经元丢失的保护作用不再显著。这表明，丙酸对PD的神经保护作用可能与肠神经系统有关，即丙酸可能作为针对肠神经系统的FFAR3激动剂，对PD小鼠发挥神经保护作用。
图8肠神经系统介导了丙酸对6-OHDA诱导的PD小鼠的神经保护作用。
综上所述，OCN可通过改变肠道微生物群落，促进微生物来源的丙酸的产生，而丙酸可以激活肠神经元中的FFAR3，从而发挥其对帕金森病的保护作用。
肠-脑轴研究结论
本研究通过多组学整合关联研究的策略，结合粪菌移植等实验，对OCN、肠道菌群对PD的治疗作用与机理进行了研究，并得出以下结论：
①OCN可显著改善PD小鼠运动功能障碍和多巴胺能神经元丢失；
②OCN处理可恢复PD小鼠的肠道菌群失调，使拟杆菌门丰度增加，厚壁菌门丰度减少，并增加丙酸盐产生菌及粪便丙酸盐水平；
③抗生素处理实验与粪菌移植实验表明肠道菌群介导了OCN的神经保护作用；
④口服丙酸盐2个月可通过肠神经元依赖性的方式，恢复PD小鼠的运动功能及多巴胺能神经元；
⑤FFAR3（丙酸盐受体）激动剂有类似的神经保护作用。
肠-脑轴研究的测序和部分数据分析工作由上海派森诺生物科技有限公司完成。
