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The Innovation Life

花匠小妙招
2024-11-06 16:17

利用基因工程益生菌靶向肠道递送丁酸，促进研究肠道代谢物调控“肠-脑”轴的生理机制，指导发展基于工程益生菌调控“肠-脑”神经通路的大脑刺激技术。

导读

肠道菌群与大脑之间的通讯，通常被称为肠-脑轴，肠道菌群的多种代谢产物可影响大脑功能包括情绪调节等。然而，多数菌群代谢物在肠道向大脑传递信息的机制尚不清晰。本研究利用工程益生菌靶向肠道递送丁酸，发现了肠道丁酸调节“肠-脑”神经通路的新机制。为研究肠道菌群代谢物调控“肠-脑轴”的机理提供了研究范例，展示了基于工程益生菌调控大脑功能的医学应用潜力。

图1 工程益生菌靶向肠道递送丁酸并调控“肠-脑”神经通路以缓解抑郁

肠道菌群代谢物调控“肠-脑轴”的研究，大多采用小鼠口服代谢物的研究模式，口服代谢物经胃、小肠吸收后进入血液循环系统，观察到的代谢物调控大脑通路大多依赖于体液路径（图2 左）。然而，肠道菌群生理条件下产生的代谢物如丁酸等，通常局限在肠道范围，即使入血在人体中也难以跨过人体血脑屏障，因而系统给药模式下发现的代谢物调控大脑通路可能与其生理机制不同（图2 右）。本研究利用基因工程益生菌向肠道原位递送丁酸，只增加肠道丁酸而不影响血液痕量丁酸水平，该模式更有利于揭示肠道细菌代谢物调节的“肠-脑”神经通路。

图2 肠道菌群代谢产物调控“肠-脑”轴机理的研究模式示意图

利用慢性不可预测应激（CUMS）策略诱导抑郁模型小鼠，并分别灌胃生理盐水（SAL）、野生型益生菌Escherichia coli 1917（EcN）和产丁酸的工程益生菌（eEcN），行为学分析各组小鼠抑郁样行为（图3）。发现了产丁酸的工程益生菌可显著改善小鼠的抑郁样行为。

图3 基因工程益生菌递送的肠道丁酸可改善小鼠抑郁样行为

为了揭示肠道丁酸调控的潜在脑区，表征各组小鼠大脑脑区的神经元活动生物标志物c-Fos、ΔFosB（图4）。相比健康小鼠，抑郁模型小鼠中丘脑室旁核（PVT）脑区活跃程度大幅增加，而产丁酸的工程益生菌显著降低PVT脑区的活跃程度，指示工程益生菌递送的肠道丁酸通过抑制PVT脑区过度活跃来缓解抑郁。

图4 PVT是肠道丁酸缓解抑郁的潜在脑区靶点

进一步研究肠道丁酸调控PVT的神经通路。通过病毒示踪技术，揭示了PVT受到孤束核（NTS）调节，而NTS可直接接收来自肠迷走神经的信号。采用化学遗传技术操控NTS-PVT神经环路，发现激活NTS-PVT投射后健康小鼠表现出明显的抑郁样行为，而抑制NTS-PVT投射后抑郁模型小鼠的抑郁样行为显著改善（图5）。这些结果显示，NTS-PVT神经环路的过度激活与抑郁模型小鼠病理密切关联，肠道丁酸可能通过调节NTS-PVT神经环路来缓解抑郁。

图5 化学遗传手段揭示NTS-PVT投射与抑郁病理相关

因NTS可通过迷走神经接收来自肠道的信号，我们通过迷走神经阻断实验研究肠道丁酸缓解抑郁是否依赖迷走-NTS-PVT神经通路（图6）。经辣椒素处理以损伤辣椒素敏感的迷走神经后，产丁酸工程益生菌缓解抑郁模型小鼠抑郁样行为的效应消失，说明肠道丁酸依赖肠迷走神经调控NTS-PVT来缓解抑郁。

图6 肠道丁酸依赖肠迷走神经通路来缓解抑郁

最后，我们研究了肠道丁酸激活肠迷走神经的分子机制。采用免疫荧光实验分析小鼠结肠组织，发现了迷走神经标记物Phox2b与丁酸受体FFAR3（GPR41）的共定位（图7）。给抑郁模型小鼠注射FFAR3激动剂（AR420626）后，抑郁样行为显著改善，且过度活跃的PVT脑区被抑制。这些结果表明，工程益生菌递送的肠道丁酸通过激活FFAR3受体来调控肠迷走-NTS-PVT神经通路，从而抑制过度活跃的PVT脑区而缓解抑郁。

图7 丁酸受体FFAR3激动剂具有缓解抑郁的作用

总结与展望

本研究利用基因工程益生菌向肠道原位递送丁酸，在抑郁模型小鼠中，发现工程菌分泌的肠道丁酸具有缓解抑郁的功效，揭示了肠道丁酸依赖表达FFAR3受体的迷走神经-NTS-PVT神经通路来缓解抑郁。相比口服丁酸研究模式下的已报道工作，我们首次揭示了肠道丁酸缓解抑郁症的“肠-脑”神经通路新机制。本研究为研究肠道菌群代谢物调控“肠-脑”轴的机理提供了研究范式，并为基于工程益生菌实现“肠-脑”神经传导及非侵入性脑调节提供了新思路。

责任编辑

何谷四川大学

侯建文西南交通大学

本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Life第2卷第3期以Report发表的“Gut-to-brain neuromodulation by synthetic butyrate-producing commensal bacteria” (投稿: 2024-05-31；接收: 2024-07-15；在线刊出: 2024-08-12)。

DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2024.100082

引用格式: Wang S., Zhou X., Ma Y., et al., (2024). Gut-to-brain neuromodulation by synthetic butyrate-producing commensal bacteria. The Innovation Life 2(3), 100082.

作者简介

史微，副教授，博士生导师，北京航空航天大学医学科学与工程学院。多年来致力于研究脑功能相关疾病的功能神经环路，特别是认知功能障碍相关疾病的分子靶点研究。发现并创新性地提出了细胞外基质通过调控中间神经元的递质释放在情绪记忆存储中具有重要作用的论点,为相关脑功能疾病未满足的临床治疗需求提供了新的干预策略和分子靶点。以第一/通讯作者发表PNAS、Cell Rep.、Protein Cell、Hear Res.、iScience等论文10余篇，主持国家自然科学基金青年基金和北自然重点研究专题等项目。

杨昀，副教授，博士生导师，北京航空航天大学医学科学与工程学院。新加坡南洋理工大学博士，主要从事基于基因工程微生物进行药物递送及其机理的研究。在合成生物学、生物催化领域期刊，以第一或通讯作者发表SCI论文16篇，如Adv. Mater.、ACS Catal.、Metab. Eng.、Innovation Life、Small、Biosens. Bioelectron.、ACS Syn. Biol.、Appl. Environmen. Microb.等。共发表SCI论文33篇，他引2070余次。荣获省部级荣誉——“闵恩泽能源化工奖”青年进步奖（中国工程院&中国石化）、校级荣誉——北京航空航天大学“医工百人”人才计划等。

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The Innovation 简介

The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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