近日，李后开教授团队在Pharmacological Research发表了题为Gut microbiota-brain bile acid axis orchestrates aging-related neuroinflammation and behavior impairment in mice的研究论文，证实“肠道菌-胆汁酸代谢轴”紊乱加重小鼠衰老相关的神经炎症和行为障碍，为靶向肠道菌改善中枢功能障碍提供了新思路。（麦特绘谱提供胆汁酸谱检测服务）

研究背景

人口老龄化是全球范围内面临的重大健康挑战。衰老是多种中枢及外周慢性疾病，例如阿尔茨海默病、帕金森病、心血管疾病、肿瘤等，发生和发展的关键风险因素[1-2]。大量的研究表明，肠道菌群及其代谢产物在维持宿主功能稳态中发挥着十分关键的作用。团队既往对小鼠衰老过程中肠道菌群-菌源代谢物的变化特征及其与宿主外周生理病理变化之间的关系进行了探究，发现小鼠衰老过程中肠道菌群紊乱，外周菌源短链脂肪酸谱及胆汁酸谱显著改变。其中，基于肠道菌群-胆汁酸谱的研究发现，小鼠衰老过程中肝脏、血清及不同肠段内容物中胆汁酸谱显著紊乱，并伴随全身性炎症增加。有趣的是，通过同笼饲养将衰老小鼠的肠道菌群进行年轻化重塑，可以逆转衰老小鼠体内的胆汁酸稳态失衡，并改善系统性炎症(Gut Microbes, 2020)[3]。另外，年轻化菌群还可通过增加Akkermansia muciniphila丰度及其产生的乙酸改善衰老相关的系统性生理紊乱，如胰岛素抵抗、炎症、肝损伤、抗氧化能力和肠屏障等(Pharmacological Research, 2023)[4]。因此，靶向“肠道菌-菌源代谢物轴”的调节可能是衰老相关疾病防治的新策略。近年来的多项研究表明，胆汁酸稳态失衡参与中枢相关疾病的发生和发展[5-6]。然而，小鼠衰老过程中中枢胆汁酸谱的分布及其在中枢功能调节中的作用尚不清楚。

研究结果

针对上述问题，李后开教授团队利用自然衰老小鼠和靶向代谢组学技术，系统分析了小鼠海马、下丘脑及大脑皮层的胆汁酸谱特征，发现与年轻小鼠相比，衰老小鼠脑组织中胆汁酸谱存在空间和性别相关性变化。有趣的是，TβMCA在衰老小鼠海马和下丘脑中一致性积累，提示其可能与衰老存在相关性。

  图1. 小鼠衰老过程中不同脑区胆汁酸谱的分布

为了证实衰老引起的中枢功能障碍是否与TβMCA的积累有关，研究人员基于BV-2小胶质细胞模型及秀丽隐杆线虫模型开展了TβMCA功能的探索。结果显示，TβMCA可显著诱导小胶质细胞炎症，并缩短线虫的寿命。进一步的体内实验发现，侧脑室注射TβMCA可显著诱导小鼠的神经炎症及行为异常。以上结果表明自然衰老小鼠的中枢功能障碍可能与TβMCA的异常积累有关。

图2. TβMCA诱导小鼠神经炎症及中枢功能障碍

鉴于观察到的TβMCA异常积累对中枢功能的损害作用，研究人员进一步探究了衰老小鼠中枢TβMCA积累的机制。中枢胆汁酸的来源可能为大脑自身合成或外周运输，结果显示衰老小鼠脑组织胆汁酸合成相关基因无显著变化，提示中枢TβMCA的积累可能来自外周输入增多。结合外周胆汁酸的代谢机制及既往研究结果，研究人员猜测TβMCA的积累可能归因于其在肠道中的代谢受阻。为验证此猜想，研究人员基于团队建立的“宿主原位肠道菌培养技术”[7]，将年轻或衰老小鼠的肠道菌群分别与小鼠胆汁共孵育，终点时检测培养液中TβMCA的含量。结果显示，年轻小鼠肠道菌群对于TβMCA的代谢能力显著强于衰老小鼠，表明自然衰老小鼠脑组织中TβMCA的积累可能与衰老小鼠肠道菌群失衡有关。同时，宏基因组分析的结果提示，携带胆盐水解酶的肠道细菌在此过程中起关键作用。

图3. 小鼠衰老过程中TβMCA的积累部分归因于肠道菌群的变化

为了进一步证实“肠道菌-胆汁酸代谢轴”与中枢功能障碍的关系，研究人员通过同笼饲养(co-housing)的方式对衰老小鼠的肠道菌群进行了年轻化重塑。结果发现，肠道菌群年轻化重塑可以部分逆转衰老小鼠的中枢胆汁酸谱，包括TβMCA的积累，并改善神经炎症及中枢功能障碍，提示肠道菌群对于衰老相关中枢功能障碍的改善作用可能与调节胆汁酸稳态有关。

图4. 肠道菌群年轻化重塑可以部分逆转中枢胆汁酸谱及功能障碍

 综上，本研究系统表征了自然衰老小鼠不同脑区胆汁酸谱，证实衰老小鼠的菌群紊乱可能是介导中枢TβMCA异常积累，诱发小鼠中枢神经炎症及行为障碍的因素之一，为探索中医药靶向“肠-肠道菌-脑轴”干预中枢性疾病提供了实验依据[8]。

图5.  “肠道菌-胆汁酸轴”稳态失衡诱导小鼠衰老相关中枢功能障碍机制图

我校中药学院2023届博士研究生马俊丽(现为中科院营养所博士后)，博士后李明晓为论文共同第一作者。我校中药学院李后开研究员、盛丽莉研究员为论文共同通讯作者。上海中医药大学为论文第一和通讯作者单位。该研究中涉及的小鼠脑立体定位注射等工作得到了我校中西医结合学院柯尊记研究员、王德恒研究员的指导与帮助;部分胆汁酸检测工作得到了我校科技实验中心潘凌云老师的指导与帮助。该研究得到中国科学院上海营养与健康研究所周犇研究员的大力支持。研究工作得到国家自然科学基金区域创新联合基金重点项目、青年岐黄学者、上海市优秀学术带头人等项目的资助。

参考文献：

[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.