國自然熱門領域之腸道菌群
欄目:最新研究動態 發布時間:2020-07-07
今天主要談論耿美玉發表在Cell Research上關于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...

    GV971作為治療阿爾茨海默癥藥物被批準上市,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被批準上市后,就被廣大科研人員質疑臨床數據和明確的藥理機制研究。我們今天主要談論耿美玉發表在Cell Research上關于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菌、古細菌、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揮重要作用。腸道菌群近年來在科學研究領域十分火熱,在國自然基金申請上也十分給力。在2019年批準的國自然項目中,有210個項目與腸道菌群有關,且增長趨勢明顯,值得諸位研究人員長期關注。

    腸道菌群的實驗設計非常圓滑,可以與許多方向相關聯,包括中藥學,預防醫學,代謝生理,食品科學,消化系統疾病,循環系統,藥理,腫瘤,微生物,中西醫結合等諸多方向。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。
    作者首先確認了在AD進程中,腸道菌群的改變與腦內侵潤的免疫細胞具有相關性。小鼠模型使用的是5XFAD轉基因(Tg)小鼠,隨著AD病程進展,Tg小鼠腸道菌群組成發生了顯著改變。追蹤Tg小鼠菌群結構的動態變化過程發現,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(Firmicutes 62.8%)。這些結果表明隨著AD的進展,Tg小鼠腸道菌群的組成發生了明顯的改變。

    有研究提示腸道菌群參與觸發大腦神經炎癥。因此,作者假設在AD進程中,以上菌群變化和神經炎癥有密切關系。首先,利用IBA1染色和流式細胞分析發現,Tg小鼠腦內小膠質細胞(Microglia)在2-3月齡和7-9月齡呈現兩種截然不同的激活狀態。在2-3月齡時,促炎的M1型和神經保護的M2型小膠質細胞活化都在增加,隨著疾病的進展,促炎的M1型小膠質細胞持續增加,并在7-9月齡時達到頂峰,然而神經保護的M2型小膠質細胞在3-5月齡開始下降,之后就維持在一個較低的水平。進一步分析AD進程中Tg小鼠腦中外周免疫細胞侵潤狀態,發現腦內外周侵潤的CD45high細胞比例顯著增高,并且CD4+T細胞的兩個主要亞型Th1和Th2表現出和促炎的M1型、神經保護的M2型小膠質細胞相似的變化過程。顯然,該研究表明隨著腸道菌群的失衡,腦內的神經炎癥模式轉為以Th1細胞和M1型小膠質細胞活化為主導。那么在AD的進程中,腸道菌群的豐度和大腦免疫細胞的變化是否有關聯呢?這些結果表明,在AD的進程中,腸道菌群變化和腦內免疫細胞以及神經炎癥密切相關。
    作者進一步從正反兩個方面證實了腸道菌群是大腦免疫細胞浸潤以及小膠質細胞激活所必需的。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細胞比例和M1型小膠質細胞的活化也明顯降低。同窩飼養實驗從另一個角度證實了腸道菌群對腦內神經炎癥的驅動作用。同窩的野生型(WT)小鼠由于長期暴露于Tg小鼠的糞菌中,其體內的菌群組成更接近于Tg小鼠,使得其腦中Th1、M1細胞的比例顯著升高、細胞因子的表達譜和認知功能也更接近于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細胞比例明顯減少。這些結果都表明,在AD進程中,腸道菌群改變可以驅動腦內外周免疫細胞侵潤以及神經炎癥反應。

    接下來 “大明星”GV971就要登場啦。通過小鼠行為學實驗表明GV-971對認知障礙表現出改善作用。糖類分子是腸道菌群的營養來源,所以作者想看一下GV971是否對腸道菌群有影響。作者發現5XFAD轉基因小鼠(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,之前腦內免疫細胞與腸道菌群間的相關性被打破,腦內促炎性Th1細胞比例下降,小膠質細胞的活化水平也顯著降低,同時,腦內多種細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Aβ斑塊沉積和Tau蛋白的磷酸化,對Tg小鼠辨別學習能力也有明顯的改善作用。這些結果表明,GV-971可以通過調節腸道菌群改善AD小鼠神經炎癥和認知功能障礙。

    許多研究表明腸道菌群可以通過代謝產物影響宿主的免疫系統。在AD的進程中,腸道菌群是否通過代謝產物調節大腦神經炎癥。作者發現Tg小鼠糞菌培養上清可以刺激CD4+T細胞更多地分化成促炎性Th1細胞,說明菌群產生的相關代謝產物可以調節免疫細胞分化。通過非靶向代謝組學分析發現WT、Tg和GV-971治療的Tg小鼠糞便中存在31種差異的代謝產物,這些代謝產物在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。通過通路富集,作者發現這些代謝物主要集中在一些氨基酸相關代謝通路,特別是苯丙氨酸(Phenylalanine)等相關通路。
    氨基酸可以通過特定的轉運體被免疫細胞攝取,從而驅動免疫細胞的分化和增殖。作者檢測了苯丙氨酸和異亮氨酸轉運體SLC7A5的表達水平。他們發現在Th1細胞中存在SLC7A5表達。用13C同位素標記苯丙氨酸表明Th1細胞能夠攝取苯丙氨酸,并且這種攝取可以被SLC7A5抑制劑阻斷。進一步研究發現苯丙氨酸或異亮氨酸能刺激CD4+T細胞分化成Th1細胞,并可刺激Th1細胞的增殖。當給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的Th1細胞的分化,同步降低苯丙氨酸誘導的Th1細胞增殖。為了進一步驗證上述小鼠模型上的研究結果是否在臨床樣本上具有可重現性,作者又比較了輕度認知障礙AD患者和對應年齡段的健康人血液中苯丙氨酸、異亮氨酸和Th1免疫細胞等含量的差別,結果發現輕度認知障礙AD患者Phe/Ile水平和Th1細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化價值。

    綜上,在AD進程中,伴隨Aβ的沉積以及Tau蛋白的磷酸化的發生,腸道菌群的組成發生變化,繼而導致代謝產物異常,異常的代謝產物刺激外周免疫炎癥,促使炎性免疫細胞Th1向大腦侵潤,引起腦內M1型小膠質細胞的活化,導致AD相關神經炎癥的發生,最終導致認知功能障礙??诜礼V-971能夠重塑腸道菌群,降低異常代謝產物,阻止外周炎性免疫細胞向大腦的侵潤,抑制神經炎癥,同時減少Aβ的沉積和Tau蛋白的磷酸化,從而改善認知障礙,達到治療AD的目的。
    最后我談一下關于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、抑制神經系統炎癥反應、重塑腸道菌群、抑制膽堿酯酶作用。但臨床機制并未驗證,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,在全球范圍內臨床試驗研究結束之前,我們還需要保持冷靜的態度。畢竟綠谷藥業的黑歷史太多,抗癌靠保健品也是優秀啊,怎么看怎么像權??;那個宣傳路子真像保健品。當然我們還需等待后續結果。就是這樣,下回帶大家看點別的,再見!


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