近年来,关于肠-脑轴的研究逐渐揭示,肠道健康不仅影响消化,更在神经系统功能与健康中扮演重要角色。一项发表在《Molecular Psychiatry》上的研究《致病菌通过改变能量代谢破坏脑类器官结构》(Pathogenic microbiota disrupts the intact structure of cerebral organoids by altering energy metabolism)通过脑类器官模型,深入探讨了肠道致病菌对大脑结构和代谢的影响。这项研究为神经退行性疾病的防治提供了全新思路。

致病菌如何破坏脑类器官结构?共培养模型揭示关键差异
研究人员利用脑类器官与非致病菌(NM)和致病菌(PM)分别共培养,发现致病菌显著破坏了脑类器官中TUJ1+神经元的完整性。在非致病菌共培养的脑类器官(NM_COs)中,脑类器官保持了类似对照组的心室区域结构,外层区域中的TUJ1+神经元排列完整且宽阔;而在致病菌组(PM_COs)中,心室区域结构紊乱,部分TUJ1+神经元严重受损。此外,PM_COs的神经元电生理活性显著下降,显示大脑功能受到了干扰。
转录组分析揭示能量代谢异常与神经退行性病变关联
通过转录组分析,研究发现致病菌改变了脑类器官的基因表达模式,尤其影响了能量代谢相关通路。具体包括:
糖酵解途径活性下降:提示能量供给受阻;
磷酸戊糖途径活性上升:代谢通路重编程显著。
这些代谢异常与阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)等神经退行性疾病的重要特征高度重合。此外,PM_COs中的相关基因表达显著上调,进一步支持了肠道致病菌可能诱导神经退行性病变。
蛋白质组学与代谢组学的双重证据:致病菌的深远影响
研究进一步通过蛋白质组学分析发现,PM_COs中多种与神经退行性疾病相关的蛋白质水平显著升高,例如ANXA1、ANXA5、LMNA等,这些蛋白与应激反应、细胞凋亡等过程密切相关,与转录组学结果形成呼应。
同时,代谢组学显示:
NM_COs:以氨基酸和糖代谢相关代谢物为主,主要参与氨基酸合成;
PM_COs:氨基酸衍生物以及能量代谢相关代谢物更为丰富,涉及三羧酸循环、丙酮酸代谢等能量通路。
这些差异进一步表明,致病菌可通过代谢重编程扰乱神经元平衡。
稳定同位素追踪:揭示代谢物传递中的通讯机制
通过18O稳定同位素标记,研究首次明确细菌影像如何通过代谢物传递与脑细胞沟通。在PM_COs中,三羧酸循环中间产物的18O富集程度显著更高,表明氧化磷酸化活性增强;相较之下,糖酵解通路中的标记物差异进一步佐证了致病菌对糖酵解通路的明确干扰。
核心机制验证:致病菌通过糖酵解紊乱诱导神经退行性病变
研究发现致病菌能通过抑制关键酶——己糖激酶,阻断糖酵解途径,进而导致神经元损伤。这一过程表现为PM_COs中神经退行性标志物NSE表达升高。而通过外源补充葡萄糖-6-磷酸(G6P),研究者成功降低了NSE表达,恢复脑类器官的整体结构和功能,从而验证了糖代谢在这一过程中发挥核心调控作用。
研究意义:肠道菌群在神经退行性疾病防治中的潜能
这项研究从表型、基因、蛋白质、代谢多个层面揭示了肠道致病菌如何通过释放代谢物破坏神经元结构与能量代谢的核心机制,同时为神经退行性疾病的 microbiota 靶向治疗 提供了重要理论依据。肠道菌群的动态平衡或许远超消化系统健康的范畴,更可能成为守护大脑功能的关键一环。
未来展望:以肠-脑轴为切入点寻找新疗法
随着肠-脑轴研究的不断深入,科学家有望开发通过调控肠道菌群来防治神经退行性疾病的疗法,改善脑健康问题的同时,为广大患者带来新的希望。在日常生活中,关注膳食纤维、益生菌和抗炎饮食或许是维持肠道菌群平衡的重要方法,而这一平衡的维护,也可能成为守护大脑健康的基础屏障。未来,肠道菌群与神经退行性疾病的研究将持续给人类医疗带来更多的启示和机遇。



