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客户文章 | Nutrients阿尔茨海默症与肠道菌群

阿尔茨海默症(AD)是全球老年人致残或死亡的主要原因之一,已成为一个严重的健康问题。根据《世界阿尔茨海默症报告》,目前有超过5000万人患有痴呆症,预计到2050年,这些患者的数量将达到1.52亿。其中,有约60%-70%为AD患者。AD通常分为三个阶段:轻度、中度认知障碍(MCI)和重度痴呆。AD的早期诊断有助于改善AD的治疗和康复。


 

2021年1月,浙江大学医学院第一附属医院传染病诊治协同创新中心王保红团队在Nutrients(IF 5.717)上发表文章“Altered Gut Microbial Metabolites in Amnestic Mild Cognitive Impairment and Alzheimer’s Disease: Signals in Host–Microbe Interplay”,该研究发现,与健康对照组相比,AD组的色氨酸代谢产物、短链脂肪酸(SCFA)和石胆酸(LCA)有显著差异,色氨酸的代谢产物吲哚-3-丙酮酸有望作为鉴定和预测AD的标志物,另有5种短链脂肪酸可作为AD发生和进展的标志物,从而为AD的预防和治疗提供了潜在靶点和干预方式。我公司参与了该研究中短链脂肪酸(SCFA)和胆汁酸(BA)的定量检测工作。原文链接:https://doi.org/10.3390/nu13010228



  研究方法  


1.队列设计:该研究招募了77名参与者,包括22名遗忘性轻度认知障碍患者(aMCI组)、27名痴呆性阿尔茨海默症患者(AD组)以及28名认知正常的健康对照(HC组)。收集参与者的血清及新鲜粪样进行代谢物分析。

2.非靶向的代谢组学分析:对粪样进行预处理后通过UPLC-Q-Exactive Orbitrap MS进行非靶向代谢组分析。

3.靶向代谢组分析:对粪样中的肠道微生物代谢产物,如色氨酸相关代谢物、SCFA(GC-MS检测)、BA(UPLC-MS检测)进行靶向精准定量分析。

4.分光光度法:对血清的脂多糖(LPS)进行测定。



  研究结果  


1、AD、aMCI和HC组的代谢特征

发病前aMCI组和AD组粪样的代谢表型与HC组有显著分离,aMCI组和AD组之间也显示出分离趋势(下图a,PCA模型)。进一步,基于筛选出的25种差异代谢物构建模型,发现三组之间显著分开(下图b,PLS-DA模型),而AD组主要的代谢表型改变是色氨酸代谢紊乱。





2、AD组色氨酸的代谢紊乱

根据KEGG数据库分析色氨酸代谢途径的所有代谢物后,检测并了9种色氨酸代谢物。这些代谢物涉及三个途径,包括发生在宿主中,及发生在肠道中的吲哚衍生物途径,这些过程都在肠道微生物的直接或间接控制下。发现AD组中通过宿主代谢的色氨酸-犬尿氨酸途径没有发生变化(下图a,d),但在AD组中血清素代谢途径中的代谢物显著减少(下图b,d)。例如,与HC组相比,5-羟基色氨酸(5-HTP)和DL-5-甲氧基色氨酸(DL-5-MTP)在aMCI组和AD组中降低。这些结果表明,在AD组中,宿主和微生物共同参与的色氨酸代谢受到了显著干扰。此外,还发现肠道菌群代谢的色氨酸-吲哚衍生物途径明显受到干扰(下图2c,d)。例如,与HC组相比,吲哚-3-丙酮酸(IPYA)在aMCI组和AD组中增加(p<0.05)。值得注意的是,与HC组相比,作为芳基烃受体(AhR)配体的吲哚衍生物在aMCI组和AD组中均显著减少(p<0.01)。这些发现表明,在AD组中,肠道菌群代谢的色氨酸途径受到显著干扰,尤其是作为AhR配体的吲哚衍生物。




3、AD组粪样中SCFA与BA的改变

基于GC-MS对肠道微生物的代谢产物SCFA进行了靶向分析,共检测到8种SCFA。与HC组相比,有7种SCFA在aMCI组和AD组中显著降低(p<0.05)(下图a)。此外,甲酸、乙酸、丙酸、2-甲基丁酸和异戊酸这5种SCFA,在aMCI组和AD组之间有显著差异(p<0.05)。这些结果表明,粪样中SCFA的变化与AD的进展有关。

此外还分析了肠道微生物的另一类重要代谢产物BA,对30个粪样中的BA进行了靶向定量检测,共检测到18种初级和次级胆汁酸(下图b)。值得注意的是,只有细胞毒性作用的石胆酸(LCA)显示出从HC组到aMCI组和AD组的逐渐下降趋势。


4、AD组紊乱的肠道微生物与代谢物的关系
     用Spearman分析了AD组中紊乱的肠道微生物与特征代谢物(包括DL-5MTP、IPYA、LCA和SCFA)之间的关联(下图a),红色连线表示显著正相关,绿色连线表示显著负相关。结果显示,一些微生物仅与单一代谢物有关联,例如,Lachnospiraceae和2-甲基丁酸相关;一些微生物具有多重相关性,如Clostridia与DL-5-MTP、甲酸和2-甲基丁酸存在显著相关性。

此外,由于AD组中SCFA的浓度发生了显著变化,该研究还对HC、aMCI和AD三组粪样中15种可产生SCFA的细菌数量进行了分析,发现与aMCI组或HC相比,AD组具有产SCFA能力的Clostridia数量显著减少;与AD组和HC组相比,aMCI患者中产生丙酸的Bacteroides增多(下图b)。产生SCFA的细菌数量和粪样中SCFA浓度变化一致,证明AD组肠道中Firmicutes、Clostridia和Clostridiale的减少可能导致SCFA的降低。


5、AD组血清中内毒素水平升高

鉴于促炎性脂多糖(LPS)在认知障碍中的作用,该研究测定了外周血中的LPS水平。与HC组相比,aMCI和AD组血清中LPS有增加的趋势。这些结果表明,aMCI和AD组都容易出现“肠道渗漏”。


6、AD组代谢表型与认知障碍的关系

通过分析AD组的代谢表型与反映疾病严重程度(CDR)、认知功能(MMSE和MoCA)参数的相关性(下图a,b)。研究发现认知障碍(MoCA)的升高与5-羟基色氨酸(5-HTP)及SCFA的减少呈正相关,而与吲哚-3-丙酮酸的增加呈负相关;降低的SCFA与CDR的升高呈负相关(p<0.05);吲哚衍生物(5-羟基吲哚和吲哚-2-羧酸)和SCFA(包括2-甲基丁酸和异戊酸)与认知障碍呈正相关(p<0.05)。此外,AD组粪样中的代谢物与认知障碍(MoCA和MMSE)之间存在显著相关性(下图b)。这些结果表明,AD组紊乱的代谢表型(肠道微生物相关)与认知障碍相关。

 

7、根据粪样中代谢表型可对AD、aMCI和HC组进行区分

从AD组发生变化的14种代谢物(肠道微生物相关)中,筛选出包括IPYA和5种SCFA在内的6种潜在生物标记物。通过ROC曲线分析发现6种代谢物可有效区分aMCI、AD和HC组(下图a,b)。

  总结   


该研究成果展示了利用代谢组学技术有望发现AD的早期诊断标志物,粪样中的代谢表型检测是一种非侵入性的便捷方式。同时也为AD干预治疗措施的研究提供了新的思路,干预肠道菌群及其代谢表型可能是未来的一个重要突破口。


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