2025-04-07
随着全球人口老龄化加剧，脑衰老引发的认知功能障碍成为日益突出的健康问题，其中阿尔茨海默病（AD）的患病率逐年攀升。肠道菌群作为肠道微环境的关键部分，虽与认知功能紧密相关，但它与衰老相关认知障碍的联系及机制尚不明确。近期，河北医科大学许顺江教授团队在International Journal of Biological Macromolecules发表文章“Dynamic changes in the gut microbiota play a critical role in age-associated cognitive dysfunction via SCFAs and LPS synthesis metabolic pathways during brain aging”，揭示自然衰老过程中，部分关键的肠道细菌分类群，借助短链脂肪酸（SCFAs）和脂多糖（LPS）合成代谢途径，在与年龄相关的认知功能障碍中起到了至关重要的作用。
本研究中16S rRNA 测序和部分数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
技术路线
研究方法
1、实验材料与样本采集：特定环境下饲养清洁级 3 周龄的 SAMR1 和 SAMP8 小鼠，于 1、3、6、9 月龄时收集粪便，评估认知功能后采集血清、结肠和海马组织样本。同时招募 60 岁以上的遗忘型轻度认知障碍（aMCI）患者和认知正常对照（NC），采集粪便和血清样本。
2、肠道菌群测序：对小鼠和人类粪便样本进行16S rRNA基因测序，确定肠道菌群组成，使用PICRUSt2软件预测肠道菌群功能。
3、粪便微生物群移植（FMT）实验：将 10 周龄小鼠进一步分为 SAMR1 、SAMP8 和 FMT 组（移植前接受抗生素处理）；后续制备SAMR1 小鼠粪便悬液，移植给 FMT 组持续 3个月。
4、数据分析：使用 SPSS21.0 进行统计分析，包括正态检验、组间差异分析、相关性分析等，以此探究肠道菌群与认知功能之间的关系。
图1 整体实验示意图
研究结果
1、SAMP8 小鼠的认知障碍及类阿尔茨海默病样的病理特征
选用SAMP8 及同源对照 SAMR1 小鼠进行Morris水迷宫实验，发现SAMP8 小鼠表现出认知障碍，且海马体中AD病样病理特征显著明显于SAMR1 （图 2F - I），适合用于研究年龄相关的阿尔茨海默病。
图2 SAMP8小鼠认知功能观测实验和AD样病理特征差异比较结果
2、SAMP小鼠肠道菌群发生动态变化
分析不同月龄的SAMR 1和SAMP 8小鼠粪便样本测序结果，Chao1 指数和 Faith_pd 指数均随月份同增长（图 3A - B）； β 多样性表现为组内聚集，组间分散，在多个月龄间有显著差异（图3C - H）;且两种模型的top30属在自然衰老过程中，丰度均发生动态变化。
使用PAM 聚类发现物种组成为4个cluster，在NMDS下被显著分离（图 3J）；衰老过程中最具特异性的属也显著变化（图 3K），统计结果加以验证改变化（图 3I）。
图3 自然衰老过程中SAMR 1和SAMP 8小鼠肠道菌群的动态变化
3、FMT 改善 SAMP8 小鼠认知功能并改变其肠道菌群组成
Spearman分析发现，拟杆菌属的丰度与认知功能呈负相关，而乳酸菌属、颤螺旋菌属等与认知功能呈正相关（图 4A）；FMT实验中，抗生素处理清除了 SAMP8 小鼠体内大部分肠道菌群，表现为Chao1 和 Faith_pd 指数显著下降（图 4C - D）。PCA分析中，抗生素治疗显著改变了微生物群落的组成（图 4E）。此外，门水平上，FMT组中SAMP8小鼠的微生物群落结构从Bacteroidetes和Firmicutes占主导地位转变为Proteobacteria和Firmicutes占主导（图4F）。
Morris水迷宫和 Y 迷宫自发交替实验中，与SAMP8 组相比，粪菌移植3 个月后的FMT 组小鼠表现更好，包括平台穿越次数更多、自发交替率更高等（图 4G - L）。微生物组成上，FMT组的chao1和faith_pd指数得到恢复（图4M-N）。PCOA分析显著区分三组的肠道菌群组成，且FMT组与SAMR 1组更相似（图4O），该点在门水平的注释信息上得到印证（图4P）。以上均表明动态变化的肠道微生物群在小鼠自然衰老期间的认知下降中起关键作用。
图4 FMT改善了SAMP8小鼠的认知能力下降并改变肠道菌群组成
4、肠道菌群与人类大脑衰老过程的相关性
研究人员从 GMrepo 数据库提取不同年龄健康人群关键肠道菌群的丰度数据并分组比较，发现部分菌群的变化趋势在人和小鼠间存在异同，如乳酸菌属、梭菌属和阿克曼菌属在人和小鼠中都随年龄增长而减少，但颤螺旋菌属、瘤胃球菌属和多尔菌属在人和小鼠中的变化趋势相反。
研究aMCI 患者和 NC健康对照组，发现aMCI血清中Aβ1-42水平显著低于认知正常个体，p-Tau水平与Aβ1-42呈相反趋势（图5A-B）。16S测序结果中，alpha和beta多样性分析均有显著差异（图5E-F）。研究发现关键菌群Lactobacillus、Oscillospira、kkermansia等都显示出比单个细菌更好的辨别力（图5G）。
图5正常者和aMCI患者认知相关的肠道菌群组成变化及其预测价值
5、代谢途径与认知功能障碍的关系
使用 PICRUSt2 预测并注释 16S rRNA 基因功能，得到与SCFAs和LPS相关的代谢途径丰度（6A-B），发现与SCFAs相关的代谢途径丰度随年龄增长而降低（图 6C-E），LPS合成途径的丰度在衰老过程中呈上升（图 6F）。此外，FMT实验中，与 SAMP8 组相比，上述代谢通路的丰度在FMT 组中得到恢复，丁酸代谢和LPS合成途径受 FMT 的影响最显著（图 6G-J）；分析aMCI关键代谢途径的丰度（图 6K-N），发现多个SCFAs相关途径的丰度显著低于NC，而LPS合成途径显著升高。即与SCFAs和LPS相关的代谢途径均参与了大脑衰老过程中的认知衰退。
图6可能参与SAMP8小鼠和aMCI患者认知能力下降的肠道微生物群代谢途径
6、肠道关键细菌与慢性全身性炎症和AD病理特征相关
检测9 月龄 SAMR1 小鼠和 SAMP8 小鼠的血脑屏障（BBB）通透性和炎症因子，发现SAMP8 小鼠结肠（图 7A-B）和海马组织（图 7C-D）中上皮紧密连接蛋白和闭合蛋白的表达显著降低，血清中的LPS、白细胞介素- 1β（IL-1β）、白细胞介素 - 6（IL-6）和肿瘤坏死因子 -α（TNF-α）水平显著高于 SAMR1 （图 7E-H）；aMCI患者血清中趋势表现一致（图 7I-L）。
spearman分析发现， 9 月龄的 SAMR1 和 SAMP8 中，关键肠道细菌与结肠和海马组织中 Claudin 5 和 Occludin 的水平呈正相关，与血清中炎症因子水平以及海马组织中的AD病样病理特征呈负相关。人类的关键肠道菌群与血清中 β 淀粉样蛋白 1-42（Aβ1-42）水平呈正相关，与LPS、IL-1β、IL-6、TNF-α 和磷酸化 tau 蛋白（p-Tau）水平呈负相关。即关键肠道细菌群与肠道屏障完整性、慢性全身炎症、血脑屏障完整性以及阿尔茨海默病样病理特征相关。（图 7M-N）
图7关键肠道细菌与慢性全身性炎症和AD病理特征的相关性
研究结论
在认知老化进程中，肠道菌群组成呈现出动态变化的特征。研究表明Lactobacillus、Akkermansia、Clostridium、Oscillospira 和 Dorea 是与认知下降相关的关键细菌类群，同时 短链脂肪酸（SCFAs）和脂多糖（LPS）相关的代谢途径，参与到认知老化引发的相关疾病进程中。这一发现为预防和治疗 AD 等神经退行性疾病提供了与肠道菌群相关的潜在靶点，这对于认知老化期间阿尔茨海默病（AD）的预防和治疗意义重大。
原文引用：Xiaoying Ma, Jiaying Liu, Lei Jiang, Zhaoyu Gao, Zhongli Shi, Nan Zhang, Zhen Wang, Shujin Li, Rui Zhang, Shunjiang Xu,
Dynamic changes in the gut microbiota play a critical role in age-associated cognitive dysfunction via SCFAs and LPS synthesis metabolic pathways during brain aging,
International Journal of Biological Macromolecules,
Volume 304, Part 2,2025,140945,ISSN 0141-8130,
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.140945
