近日，李后開教授團隊在Pharmacological Research發表了題為Gut microbiota-brain bile acid axis orchestrates aging-related neuroinflammation and behavior impairment in mice的研究論文，證實“腸道菌-膽汁酸代謝軸”紊亂加重小鼠衰老相關的神經炎癥和行為障礙，為靶向腸道菌改善中樞功能障礙提供了新思路。（麥特繪譜提供膽汁酸譜檢測服務）
研究背景
人口老齡化是全球范圍內面臨的重大健康挑戰。衰老是多種中樞及外周慢性疾病，例如阿爾茨海默病、帕金森病、心血管疾病、腫瘤等，發生和發展的關鍵風險因素[1-2]。大量的研究表明，腸道菌群及其代謝產物在維持宿主功能穩態中發揮著十分關鍵的作用。團隊既往對小鼠衰老過程中腸道菌群-菌源代謝物的變化特征及其與宿主外周生理病理變化之間的關系進行了探究，發現小鼠衰老過程中腸道菌群紊亂，外周菌源短鏈脂肪酸譜及膽汁酸譜顯著改變。其中，基于腸道菌群-膽汁酸譜的研究發現，小鼠衰老過程中肝臟、血清及不同腸段內容物中膽汁酸譜顯著紊亂，并伴隨全身性炎癥增加。有趣的是，通過同籠飼養將衰老小鼠的腸道菌群進行年輕化重塑，可以逆轉衰老小鼠體內的膽汁酸穩態失衡，并改善系統性炎癥(Gut Microbes, 2020)[3]。另外，年輕化菌群還可通過增加Akkermansia muciniphila豐度及其產生的乙酸改善衰老相關的系統性生理紊亂，如胰島素抵抗、炎癥、肝損傷、抗氧化能力和腸屏障等(Pharmacological Research, 2023)[4]。因此，靶向“腸道菌-菌源代謝物軸”的調節可能是衰老相關疾病防治的新策略。近年來的多項研究表明，膽汁酸穩態失衡參與中樞相關疾病的發生和發展[5-6]。然而，小鼠衰老過程中中樞膽汁酸譜的分布及其在中樞功能調節中的作用尚不清楚。
研究結果
針對上述問題，李后開教授團隊利用自然衰老小鼠和靶向代謝組學技術，系統分析了小鼠海馬、下丘腦及大腦皮層的膽汁酸譜特征，發現與年輕小鼠相比，衰老小鼠腦組織中膽汁酸譜存在空間和性別相關性變化。有趣的是，TβMCA在衰老小鼠海馬和下丘腦中一致性積累，提示其可能與衰老存在相關性。
圖1. 小鼠衰老過程中不同腦區膽汁酸譜的分布
為了證實衰老引起的中樞功能障礙是否與TβMCA的積累有關，研究人員基于BV-2小膠質細胞模型及秀麗隱桿線蟲模型開展了TβMCA功能的探索。結果顯示，TβMCA可顯著誘導小膠質細胞炎癥，并縮短線蟲的壽命。進一步的體內實驗發現，側腦室注射TβMCA可顯著誘導小鼠的神經炎癥及行為異常。以上結果表明自然衰老小鼠的中樞功能障礙可能與TβMCA的異常積累有關。
圖2. TβMCA誘導小鼠神經炎癥及中樞功能障礙
鑒于觀察到的TβMCA異常積累對中樞功能的損害作用，研究人員進一步探究了衰老小鼠中樞TβMCA積累的機制。中樞膽汁酸的來源可能為大腦自身合成或外周運輸，結果顯示衰老小鼠腦組織膽汁酸合成相關基因無顯著變化，提示中樞TβMCA的積累可能來自外周輸入增多。結合外周膽汁酸的代謝機制及既往研究結果，研究人員猜測TβMCA的積累可能歸因于其在腸道中的代謝受阻。為驗證此猜想，研究人員基于團隊建立的“宿主原位腸道菌培養技術”[7]，將年輕或衰老小鼠的腸道菌群分別與小鼠膽汁共孵育，終點時檢測培養液中TβMCA的含量。結果顯示，年輕小鼠腸道菌群對于TβMCA的代謝能力顯著強于衰老小鼠，表明自然衰老小鼠腦組織中TβMCA的積累可能與衰老小鼠腸道菌群失衡有關。同時，宏基因組分析的結果提示，攜帶膽鹽水解酶的腸道細菌在此過程中起關鍵作用。
圖3. 小鼠衰老過程中TβMCA的積累部分歸因于腸道菌群的變化
為了進一步證實“腸道菌-膽汁酸代謝軸”與中樞功能障礙的關系，研究人員通過同籠飼養(co-housing)的方式對衰老小鼠的腸道菌群進行了年輕化重塑。結果發現，腸道菌群年輕化重塑可以部分逆轉衰老小鼠的中樞膽汁酸譜，包括TβMCA的積累，并改善神經炎癥及中樞功能障礙，提示腸道菌群對于衰老相關中樞功能障礙的改善作用可能與調節膽汁酸穩態有關。
圖4. 腸道菌群年輕化重塑可以部分逆轉中樞膽汁酸譜及功能障礙
綜上，本研究系統表征了自然衰老小鼠不同腦區膽汁酸譜，證實衰老小鼠的菌群紊亂可能是介導中樞TβMCA異常積累，誘發小鼠中樞神經炎癥及行為障礙的因素之一，為探索中醫藥靶向“腸-腸道菌-腦軸”干預中樞性疾病提供了實驗依據[8]。
圖5. “腸道菌-膽汁酸軸”穩態失衡誘導小鼠衰老相關中樞功能障礙機制圖
我校中藥學院2023屆博士研究生馬俊麗(現為中科院營養所博士后)，博士后李明曉為論文共同第一作者。我校中藥學院李后開研究員、盛麗莉研究員為論文共同通訊作者。上海中醫藥大學為論文第一和通訊作者單位。該研究中涉及的小鼠腦立體定位注射等工作得到了我校中西醫結合學院柯尊記研究員、王德恒研究員的指導與幫助;部分膽汁酸檢測工作得到了我?？萍紝嶒炛行呐肆柙评蠋煹闹笇c幫助。該研究得到中國科學院上海營養與健康研究所周犇研究員的大力支持。研究工作得到國家自然科學基金區域創新聯合基金重點項目、青年岐黃學者、上海市優秀學術帶頭人等項目的資助。
參考文獻：
[1] Cai Y, Song W, Li J, Han JJ, Liu GH, et al., The landscape of aging. Sci China Life Sci. 2022 Dec;65(12):2354-2454.
[2] Mestre L, Alonso G, Guaza C, et al., Aging and neuroinflammation: Changes in immune cell responses, axon integrity, and motor function in a viral model of progressive multiple sclerosis. Aging Cell. 2021 Sep;20(9):e13440.
[3] Ma J, Hong Y, Zheng N, Jia W, Sheng L, Li H, et al., Gut microbiota remodeling reverses aging-associated inflammation and dysregulation of systemic bile acid homeostasis in mice sex-specifically. Gut Microbes. 2020 Sep 2;11(5):1450-1474.
[4] Ma J, Liu Z, Chen H, Li H, et al., Gut microbiota remodeling improves natural aging-related disorders through Akkermansia muciniphila and its derived acetic acid. Pharmacol Res. 2023 Mar;189:106687.
[5] MahmoudianDehkordi S, Arnold M, Nho K, Kaddurah-DaoukR,etal., Altered bile acid profile associates with cognitive impairment in Alzheimer’s disease-An emerging role for gut microbiome. Alzheimers Dement. 2019 Jan;15(1):76-92.
[6] Hurley MJ, Bates R, Macnaughtan J, Schapira AHV. Bile acids and neurological disease. Pharmacol Ther. 2022 Dec;240:108311.
[7] Tao X, Huang W,Pan L, Wan J, Li H, et al.,Optimizing ex vivo culture conditions to study human gut microbiome. ISME Commun. 2023 Apr 25;3(1):38.
[8] Ma J, Li M, Bao Y, Sheng L, Li H, et al., Gut microbiota-brain bile acid axis orchestrates aging-related neuroinflammation and behavior impairment in mice. Pharmacol Res. 2024 Aug 17:107361.