研究背景

帕金森病（Parkinson's disease，PD）是第二常见的神经退行性疾病，肠脑轴之间的交流在行为和认知功能中扮演着重要角色。然而，PD进展中微生物群失调的确切机制尚未阐明。

论文概要

2023年8月12日，南海区人民医院张国华团队联合佛山市第一人民医院王玉凯团队在《Brain Res Bull》（IF：3.8）上发表题为“N-acetyl-L-leucine protects MPTP-treated Parkinson's disease mouse models by suppressing Desulfobacterota via the gut-brain axis”的论文，该研究探究了PD肠道菌群紊乱与粪便代谢紊乱之间的相关性，结果显示：PD小鼠模型中的脱硫杆菌显著增加；保护因子N-乙酰-L-亮氨酸(N-acetyl-L-leucine

，NALL)可能与纹状体及黑质的神经炎症有关，且脱硫杆菌的浓度呈负相关；口服NALL可以减轻MPTP诱导的运动障碍和DA神经元的损伤。

结果阐述与分析

MPTP处理引起小鼠运动障碍及DA神经元损伤

为研究腹腔注射MPTP对小鼠的影响，研究者通过代表自主及探索行为的旷场测试和代表运动协调能力的旋转测试，发现MPTP处理引起小鼠运动障碍；为检测 DA 能神经元变性，研究者使用免疫荧光量化了 SNpc 中神经元 TH 免疫反应性的数量，发现MPTP处理显著引起DA神经元损伤。

MPTP 诱导的肠道病理学

为探讨MPTP对小鼠肠道功能的影响，研究者监测了9天体重，并在注射后第9天进行了胃肠道转运试验。Vehicle组的体重比在2天后稳定增加，而PD小鼠的体重比下降。同时，PD 小鼠体重明显低于Vehicle组。此外，伊文思蓝管饲肠道转运实验表明，PD小鼠的转运距离比Vehicle组小鼠短（图2B）。

接着，研究者使用免疫荧光进一步评估了结肠中紧密连接蛋白（ZO-1 和 claudin 5）的表达，以确定 MPTP 处理对肠道通透性的不利影响。如图所示，ZO-1 和claudin 5的水平显著降低，表明 PD小鼠的肠道功能受损，尤其是胃肠道转运和肠道屏障功能受损。为评估不同组的肠道通透性，进一步实施了体内FITC实验。结果显示MPTP组的血清FITC浓度显著高于Vehicle组（图2C），提示肠道屏障受损。上述结果表明，MPTP处理引发了肠道炎症及通透性改变，这可能导致全身炎症。

PD小鼠模型中脱硫弧菌的相对丰度升高

为进一步研究微生物群在帕金森病中的作用，进行了粪便16 S核糖体RNA测序。对比分析显示，Vehicle组和MPTP组分别存在1498和1814种微生物。研究者使用维恩图鉴定了两组之间的 672 种常见差异微生物（图 3A）。同时，研究者使用PCA和主坐标分析来可视化PD小鼠模型中的代谢改变，Vehicle组和MPTP组明显分离（图3B和C，图5和图6）。在PD小鼠模型中，Desulfobacterota和Deferribacterota的丰度比在Vehicle组中要高得多（图4E）。这些发现，表明肠道菌群组成和多样性的改变可能在帕金森病的发病机制中起关键作用。

图 3.PD小鼠模型中粪便微生物群组成的变化

图 4.Vehicle组和MPTP组中（A）门，（B）类，（C）目，（D）科和（E）属水平的肠道菌群相对丰度

图 5.（A）PCA评分，（B）PLS-DA评分和（C）Vehicle组和MPTP组中阴性代谢物的火山图

图 6.（A）PCA评分，（B）PLS-DA评分和（C）Vehicle组和MPTP组中阳性代谢物的火山图

Bilophila（嗜胆菌属）与 NALL 呈正相关

研究者采用非靶向代谢组学分析来进一步研究改变的代谢物，分别在正模式和负模式下检测到 151 和 106 个特征。然后通过Pearson相关分析对选定的肠道菌群和粪便代谢物进行分析。显著相关的阳性和阴性代谢物分别在图7和图8中显示为热图。如图8所示，NALL与嗜胆菌属呈强负相关，而脱氧胆酸和2-羟基异己酸与嗜胆菌属呈强负相关，嗜胆菌属与脱硫胆属相似。这些相关性表明，肠道微生物组的扰动可能导致代谢组学特征的显著变化。基于研究者对差异调控代谢物的了解和代谢途径的在线数据库（京都基因和基因组百科全书，KEGG），研究者构建了PD相关代谢途径的图谱（图9）。KEGG通路分析显示，差异表达代谢物主要富集在蛋白质消化吸收和氨酰-tRNA生物合成的通路中（图9），提示NALL可能负责神经营养。

图 7.肠道菌群相对丰度与粪便阴性代谢物水平的相关性分析

图 8.肠道菌群相对丰度与粪便阳性代谢物水平的相关性分析

图 9.基于Vehicle组和MPTP组的16 S核糖体RNA基因测序数据预测功能组成

NALL 减轻 MPTP 诱导的运动损伤和 DA 神经元缺陷

为评估 NALL 的神经保护作用，研究者连续 5 天用 MPTP 处理小鼠以诱导亚急性 PD 模型。其中，对于NALL组，研究者在MPTP给药后半小时口服NALL。此外，在第 0 天和第 5 天进行旋转测试。NALL组具有更高的旋转速度（图10A），这表明NALL可以改善运动功能障碍。免疫荧光显示，NALL处理增加了TH蛋白的表达，TH蛋白是SN中DA神经元的主要标志物（图10B）。通过对血清的ELISA实验，研究者还发现NALL抑制了血清中的促炎因子IL-6（图10C），发挥了抗炎作用。此外，研究者使用 qPCR 评估了不同组 SN 中两种促炎因子和两种抗炎因子的水平。与Vehicle组相比，MPTP组的促炎因子（IL-6和NLRP3）均升高（图10 F-G），而抗炎因子（IL-4和IL-10）水平降低（图10D-E）。然而，NALL处理可以扭转这一趋势，表明NALL可以抑制神经炎症。

文章结论与讨论

综上所述，作者研究了肠道菌群及粪便代谢物在PD发病机制中的作用。结果表明，不平衡的肠道菌群和代谢物会破坏肠道屏障的完整性，导致全身性及神经元炎症。同时为肠道菌群与宿主之间的相互作用提供了新的证据，表明脱硫弧菌会损害中枢神经系统。此外，作者证明了与脱硫弧菌负相关的粪便代谢物NALL可能对DA神经元具有神经保护作用，为神经退行性疾病的潜在治疗靶点提供了新的见解。重要的是，作者观察到微生物-肠道-脑轴维持系统稳态的可能反馈回路机制，这值得在未来的研究中进一步探索。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0361923023001545