衰老肠道菌群变异引发小鼠认知与海马突触双重危机

衰老相关认知衰退是神经退行性疾病（如阿尔茨海默病，AD）的重要风险因素，影响生活质量，带来巨大社会和经济负担。其生物学标志包括基因组不稳定、端粒缩短、表观遗传改变、炎症、代谢失调等，而神经元形态和功能改变，如突触丧失，是认知衰退的早期特征，涉及胶质细胞过度吞噬突触，但具体机制尚不明确。

本研究旨在探讨衰老肠道微生物群对认知行为和神经元表型的影响，分析其关键菌群和代谢物，明确肠道微生物群在海马突触丧失中的作用及机制，为干预衰老相关认知障碍提供新策略。

研究内容

图1老化的肠道微生物群导致年轻成人受体的认知能力下降和海马突触丢失。

通过粪便微生物移植（FMT）实验，将100周龄老年小鼠的肠道微生物群移植到8周龄年轻小鼠体内，持续12周后，年轻受体小鼠在新物体识别测试中辨别指数显著降低，开放场测试中运动轨迹、距离、在中心区域停留时间和进入次数减少，Morris水迷宫测试中进入平台次数和停留时间减少，潜伏期延长，表明认知行为受损。

图2老化的肠道微生物群失调海马突触结构、活性和组织相关蛋白质组，并诱导年轻成人受体小胶质细胞介导的突触丢失。

老年小鼠与年轻小鼠、年轻受体小鼠与年轻对照小鼠的海马蛋白质组比较，发现老年肠道微生物群导致海马中与突触结构、活动和组织相关的40种蛋白质减少，与内吞、溶酶体和吞噬作用相关的4种蛋白质增加。老年小鼠和年轻受体小鼠海马CA1区反应性小胶质细胞标记物IBA-1和小胶质细胞吞噬标记物CD68高表达，PSD95表达不足，进一步证实胶质细胞介导的突触丧失。

图3老化的肠道微生物群缺乏血压与年轻成人受试者肠道中IAA产生水平较低以及外周和大脑中生物利用度较低有关。

粪便宏基因组和16SrRNA测序显示，老年小鼠和年轻受体小鼠粪便中长双歧杆菌伪长亚种（Bifidobacterium pseudolongum，B. p）相对丰度显著降低，且在FMT过程中B. p和Akkermansia muciniphila逐渐减少。血清代谢组学显示，老年小鼠和年轻受体小鼠血清中吲哚乙酸（IAA，色氨酸代谢产物）显著降低，粪便中IAA与色氨酸（Trp）的比值也降低，表明细菌产生IAA的能力下降；同时，血清和海马中IAA水平降低，且B. p丰度与粪便、血清和海马IAA浓度呈正相关。

图4来自患者的微生物群移植血压富足导致了更糟糕的认知行为。

与健康对照（HC）相比，认知障碍（CI）患者粪便中B. p相对丰度降低，IAA水平和IAA/Trp比值降低；Spearman相关性分析显示，粪便B. p水平与认知评分（MMSE、MoCA-B、ACEIII）正相关，IAA浓度与血浆磷酸化tau181（p-tau181，淀粉样蛋白负荷生物标志物）负相关；PET图像显示B. p丰度低的患者Aβ和Tau沉积更严重。

图5血压增加体外细菌IAA产生的水平，并提高体内外周和脑中的生物利用度水平。

单独培养B. p可将色氨酸代谢为IAA，添加色氨酸可提高其产IAA能力；与老年和FMT小鼠的粪便微生物群共培养，B. p可上调培养基中IAA水平；CI患者粪便微生物群与B. p共培养后，IAA水平显著升高。给小鼠灌胃活的B. p菌株（而非热杀死的菌株），可提高小鼠血清和海马中IAA-d5的生物利用度，表明B. p能增强外周和脑内IAA的生物利用度。

图6血压改善5×FAD转基因小鼠的认知衰退和小胶质细胞介导的突触丢失，同时提高外周和大脑IAA生物利用度水平。

给5×FAD转基因小鼠灌胃活的B. p菌株8周后，小鼠在新物体识别测试中探索时间和频率增加，开放场测试中运动距离、进入中心区域次数和停留时间增加，Morris水迷宫测试中潜伏期缩短，表明认知行为改善。活的B. p菌株提高小鼠肠道IAA产生水平，增加血清和海马IAA生物利用度；免疫荧光染色显示，B. p处理组小鼠海马IBA-1和CD68表达降低，CYP1A1（AHR信号靶基因）和PSD95表达升高，表明B. p通过激活IAA/AHR信号通路改善小胶质细胞介导的突触丧失。

图7IAA以芳香烃受体(AHR)依赖的方式抑制LPS诱导的小胶质细胞活化和小胶质细胞介导的突触丢失。

在脂多糖（LPS）刺激的小胶质细胞Bv-2细胞系中，200μg/mL的IAA可显著抑制Iba-1和Cd68基因表达，降低Nlrp3、Caspase1、Nfkb等炎症相关基因和蛋白表达；免疫荧光染色显示IAA下调IBA1和CD68表达。当IAA与AHR拮抗剂BAY218联合使用时，小胶质细胞激活和吞噬信号显著上调，表明IAA通过AHR依赖性方式抑制小胶质细胞激活和突触吞噬。

本研究首次揭示了老年肠道微生物群通过B. p-IAA-AHR 信号通路诱导认知衰退和小胶质细胞介导的突触丧失的机制，为理解肠道微生物群在衰老相关脑病理生理学中的作用提供了新证据，为预防和治疗神经退行性疾病提供了新的靶点和策略，具有重要的科学意义和潜在临床应用价值。

原文链接：https://doi.org/10.1111/acel.70064