阿尔茨海默病（AD），包括严重的认知功能障碍，是一种退行性神经系统疾病，其中判断、记忆和推理等认知功能随着大脑神经元的逐渐衰退而逐渐恶化。每年治疗AD的支出达1万亿美元，预计到2030年将增加两倍。AD是一种由多种因素引起的多因素疾病，有多种原因，例如毒性淀粉样蛋白β（Aβ）的积累、过度磷酸化的tau蛋白、氧化应激、线粒体功能障碍和神经炎症。在各种原因中，Aβ是通过β和γ分泌酶的酶促活性从淀粉样蛋白前体蛋白衍生而来的，随后形成各种可溶性物质，这些物质转变为交叉的β片纤维以形成斑块。特别是，形成的Aβ斑块具有剧毒，据报道会影响突触，突触是学习和记忆过程的基础。这些突触的形状和功能可以根据神经传递的效率而改变，这称为突触可塑性。随着AD的进展，这种突触可塑性由于过量的Aβ产生导致树突收缩和塌陷，突触可塑性的降低会损害学习和记忆能力。Aβ斑块与Toll样受体4（TLR4）相互作用，TLR4被归类为位于小胶质细胞表面的模式识别受体，启动下游炎症信号通路，导致AD神经炎症。这种炎症反应抑制了蛋白激酶B（Akt）的激活，这是维持细胞内信号通路中神经元存活和突触功能的关键因素。同时，糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）（一种与tau蛋白过度磷酸化和神经元死亡有关的关键酶）变得过度活跃。由于这种炎症反应，Akt表达的降低和GSK-3β表达的增加导致tau过度磷酸化和神经元凋亡，从而诱导促进Aβ产生和积累的恶性循环。Aβ斑块产生的过量自由基会诱导氧化应激，从而驱动活性氧（ROS）的产生并导致线粒体受损，包括ATP耗竭和电子传递链中断引起的神经元凋亡。结果，神经炎症、神经毒性和突触可塑性降低发生，这是AD等神经退行性疾病的主要特征。因此，由Aβ积累引起的TLR4激活和Akt通路异常导致神经细胞凋亡和神经系统炎症和氧化损伤引起的突触可塑性降低，这是AD的关键病理特征。TLR4和Akt通路的调节可能是缓解神经炎症和细胞存活的重要治疗靶点。

2025年1月24日，爱韩国庆尚大学农业与生命科学研究院Ho Jin Heo团队在Antioxidants在线发表题为“Oral Administration of Lactobacillus gasseri and Lacticaseibacillus rhamnosus Ameliorates Amyloid Beta (Aβ)-Induced Cognitive Impairment by Improving Synaptic Function Through Regulation of TLR4/Akt Pathway”的研究性论文，在这项研究中，评估了加氏乳杆菌MG4247和鼠李糖乳杆菌MG4644在Aβ诱导的小鼠中的认知功能改善作用，并证实了将它们工业化为益生菌材料的可能性。

图1 L. gasseri MG4247和L. rhamnosus MG4644对Aβ诱导的认知功能障碍小鼠记忆和学习能力的影响

行为学测试：通过Y迷宫、被动回避和Morris水迷宫实验发现，口服这两种益生菌能显著改善Aβ诱导小鼠的短期记忆、长期记忆及空间认知能力。例如，在Y迷宫实验中，小鼠的交替行为频率增加；在被动回避实验中，进入黑暗区域的潜伏期延长；在水迷宫实验中，找到平台的时间缩短，在目标区域的停留时间增加。

图2 加氏乳杆菌MG4247和鼠李糖乳杆菌MG4644对Aβ诱导的认知功能障碍小鼠脑组织抗氧化系统的影响

抗氧化系统：Aβ会降低小鼠大脑中超氧化物歧化酶（SOD）和还原型谷胱甘肽（GSH）水平，增加丙二醛（MDA）含量，导致氧化应激。而两种益生菌能显著提升SOD和GSH水平，降低MDA含量，增强抗氧化能力，减轻Aβ诱导的氧化损伤。

图3 益生菌对Aβ诱导的认知功能障碍小鼠脑组织线粒体功能的影响

线粒体功能指标：Aβ会导致小鼠脑内线粒体活性氧（ROS）水平升高、线粒体膜电位（MMP）降低、ATP生成减少，造成线粒体功能障碍。加氏乳杆菌和鼠李糖乳杆菌可降低线粒体ROS水平，维持MMP，促进ATP合成，改善线粒体功能，为神经元提供充足能量。

图4 益生菌对Aβ诱导的认知功能障碍小鼠脑组织突触可塑性的影响

胆碱能系统与突触蛋白：Aβ会减少大脑中乙酰胆碱（ACh）含量，增加乙酰胆碱酯酶（AChE）活性，同时降低突触相关蛋白（如SYP、PSD-95、GAP-43）的表达，损害突触功能。两种益生菌能逆转这些变化，提升ACh含量，抑制AChE活性，促进突触蛋白表达，增强突触可塑性。

图5 益生菌对Aβ诱导的认知功能障碍小鼠脑组织紧密连接的影响

紧密连接蛋白：Aβ会降低脑内IDE（Aβ降解酶）和紧密连接蛋白（如claudin-1、occludin、ZO-1）的表达，破坏血脑屏障（BBB）完整性。加氏乳杆菌和鼠李糖乳杆菌可增加IDE和紧密连接蛋白的表达，增强BBB功能，阻止有害物质进入大脑。

图6 益生菌对Aβ诱导的认知功能障碍小鼠脑组织神经炎症的影响

图7 益生菌对Aβ诱导的认知功能障碍小鼠脑组织神经毒性的影响

TLR4/NF-κB通路：Aβ激活TLR4通路，导致MyD88、p-JNK、p-IκB-α、p-NF-κB和IL-1β等炎症相关蛋白表达增加，引发神经炎症。两种益生菌能抑制TLR4通路激活，减少炎症因子释放，减轻神经炎症。

Akt通路：Aβ抑制BDNF表达和Akt磷酸化，导致p-GSK-3β、p-tau、BAX、caspase-3等促凋亡蛋白表达增加，诱导神经元凋亡。而益生菌可促进BDNF表达，激活Akt通路，抑制神经元凋亡，减轻神经毒性。

图8 益生菌对肠道微生物组组成的影响

图9 肠道菌群属水平与认知功能相关关键因素之间Pearson相关性的热图

菌群组成：Aβ会导致小鼠肠道菌群失衡，表现为厚壁菌门/拟杆菌门（Firmicutes/Bacteroidota）比值降低，有益菌（如毛螺菌科、Lachnospiraceae NK4A136）减少，有害菌（如幽门螺杆菌、理研菌科RC9、拟杆菌属）增加。加氏乳杆菌和鼠李糖乳杆菌可恢复肠道菌群平衡，增加有益菌丰度，减少有害菌数量。相关性分析：肠道中有益菌Lachnospiraceae NK4A136与认知保护指标（如ACh含量、突触蛋白表达）呈正相关，而有害菌与炎症和Aβ病理指标呈正相关，表明益生菌可能通过调节肠道菌群，经肠-脑轴改善认知功能。

总之，本研究评估了在Aβ诱导的认知功能障碍模型中通过初步研究选择的两种乳清菌菌株（L. gasseri MG4247 和 L. rhamnosus MG4644）的保护作用及其作为功能性食品的工业适用性。口服加氏乳杆菌MG4247和鼠李糖乳杆菌MG4644维持抗氧化系统，改善线粒体功能和突触可塑性相关蛋白的表达，并通过增加TJ蛋白的表达增强BBB完整性。此外，这两个菌株通过调节TLR4/Akt信号通路有效缓解神经炎症和神经毒性。这种保护作用被认为通过减少Aβ诱导的氧化应激、防止神经炎症和神经元死亡、恢复突触可塑性和改善认知功能来缓解线粒体功能障碍和BBB损伤。综上所述，本研究提示加氏乳杆菌MG4247和鼠李糖乳杆菌MG4644可能通过诱导GMB变化和调节TLR4/Akt信号通路以增强突触可塑性来保护认知功能。然而，需要更多的研究来确定它们对TLR4/Akt通路的直接影响，以便这些菌株可以在工业上用作基于益生菌的健康功能食品材料。

参考文献：https://doi.org/10.3390/antiox14020139