慢性肠道炎症差异性调控边缘脑结构中线粒体与抗氧化转录程序

《Scientific Reports》：Chronic gut inflammation differentially modulates mitochondrial and antioxidant transcriptional programs in limbic brain structures

本研究针对慢性炎症性疾病中焦虑/抑郁高共病率的神经机制，通过建立小鼠DSS（右旋糖酐硫酸钠）结肠炎模型，系统分析了边缘系统关键脑区（前扣带回皮层ACC、海马CA1、伏隔核NAc）及运动皮层M1的转录组变化。研究发现慢性肠道炎症可区域性改变线粒体功能（Mt-Co1、Drp1）、抗氧化反应（Nrf2、Gpx1）及突触相关基因表达，其中CA1与NAc最为敏感，提示边缘系统能量代谢紊乱可能是炎症相关情绪障碍的重要病理基础。成果为理解肠-脑轴调控情绪提供了新的分子视角。

　　

当我们谈论“直觉”或“gut feeling”时，或许比我们想象的更接近真相——越来越多的科学证据表明，肠道与大脑之间存在着一条隐秘而强大的连接通道，即“肠-脑轴”。对于数百万患有炎症性肠病（IBD）等慢性炎症性疾病的人来说，这种连接可能带来双重负担：除了身体上的不适，他们还常常伴随着难以摆脱的焦虑和抑郁情绪。令人困惑的是，这些情绪问题即使在肠道炎症得到缓解的“ remission ”期也依然存在。这强烈暗示，慢性的躯体炎症可能在大脑中留下了持久的“印记”，改变了那些负责调控情绪、动机和威胁处理的关键神经回路的功能。那么，一个核心的科学问题浮出水面：慢性肠道炎症究竟是如何“重塑”我们的大脑，从而埋下情绪障碍的种子？

一个备受关注的假说将矛头指向了大脑的“能量工厂”——线粒体。大脑是人体最耗能的器官，其正常运作高度依赖于线粒体高效产生的ATP。当慢性炎症持续存在，免疫系统被长期激活，这会消耗大量能量，可能使得大脑，特别是那些情绪相关脑区，陷入“能量危机”。同时，炎症还会引发氧化应激，产生过多的活性氧（ROS），进一步损害线粒体功能。这种能量代谢的紊乱，可能继而导致神经元结构、突触可塑性和神经递质平衡的改变，最终引发焦虑和抑郁行为。然而，慢性肠道炎症对不同脑区，尤其是边缘系统（如海马体、前扣带回皮层、伏隔核）的线粒体功能和抗氧化防御系统是否具有差异性影响，尚不清楚。

为了回答这个问题，由Matisz, C.E.、Lapointe, V.、Beekman, K.、Haight, T.、Das, R.、Medlicott, J.、Sutherland, R.J.、Zovoilis, A. 和 Gruber, A.J.组成的研究团队开展了一项深入研究，其成果发表在《Scientific Reports》上。研究人员利用小鼠模型，模拟人类IBD的慢性复发过程。他们给小鼠喂食含有3% DSS的饮用水，共进行三个周期（每个周期5天，周期之间间隔9天恢复），以诱发慢性肠道炎症。对照组小鼠则始终饮用普通水。在实验末期，所有小鼠都经历了一个标准的强迫游泳测试（FST），以评估其应对急性应激的行为反应。随后，研究人员快速采集了小鼠的四个脑区：作为边缘系统代表的海马CA1区、前扣带回皮层（ACC）、伏隔核（NAc），以及作为非边缘系统对照的主运动皮层（M1）。通过对这些脑区样本进行实时荧光定量PCR（RT-PCR）分析，研究人员检测了9个关键基因的mRNA表达水平，这些基因分别涉及线粒体功能（Mt-Co1, Mfn2, Drp1）、抗氧化反应（Nrf2, Gpx1）、突触功能（Snap25, Psd95）、神经元激活（cFos）和GABA能信号（Gad1）。

本研究主要采用了以下关键技术方法：1） 使用DSS诱导的慢性复发性结肠炎小鼠模型模拟人类IBD；2） 通过强迫游泳测试（FST）评估小鼠行为；3） 采用组织打孔技术精准获取特定脑区（ACC, CA1, NAc, M1）样本；4） 利用RT-qPCR技术定量分析上述脑区中9个关键功能基因的mRNA表达；5） 运用主成分分析（PCA）和相关性分析等多变量统计方法评估转录程序的整体变化和基因间关联。

研究结果

1. 慢性DSS暴露成功诱导肠道炎症

如图2所示，与对照组相比，DSS处理的小鼠出现了显著的体重下降，粪便中炎症标志物脂质运载蛋白-2（Lcn-2）水平显著升高，疾病活动指数（DAI）也明显增加。这些指标证实该模型有效诱发了预期的慢性肠道炎症状态。在强迫游泳测试中，两组小鼠的静止时间没有显著差异，这与研究团队先前在慢性炎症模型中的发现一致，表明运动行为本身不是本研究观察到的大脑转录变化的主要驱动因素。

2. 脑区基础转录谱存在差异

在健康对照组小鼠中，不同脑区的基础基因表达谱就存在显著差异。例如，伏隔核（NAc）的Gad1（GABA合成关键酶）和Gpx1（谷胱甘肽过氧化物酶）表达水平显著高于其他脑区。而海马CA1区和NAc的Nrf2（抗氧化反应主调控因子）表达水平较高，cFos（神经元激活标志）表达水平则较低。这提示不同脑区具有固有的分子特性，可能决定了它们对炎症等挑战的敏感性不同。

3. 肠道炎症差异性调控各脑区转录程序

慢性DSS结肠炎对大脑转录组的影响具有明显的脑区特异性（图3，表2）。海马CA1区是受影响最显著的脑区，9个被测基因中有6个的表达发生改变：cFos、Drp1（线粒体裂变相关）、Gad1和Snap25（突触前蛋白）的表达上调，而Nrf2和Gpx1的表达则显著下调。Mt-Co1（细胞色素C氧化酶亚基I）的表达有下降趋势。在伏隔核（NAc）和前扣带回皮层（ACC），Mt-Co1的表达均显著降低，NAc的Gpx1表达也下降。相比之下，作为对照的运动皮层（M1）未观察到任何基因的显著变化。这些结果表明，边缘系统结构，特别是海马CA1和NAc，对慢性肠道炎症更为敏感。

4. 主成分分析揭示炎症对转录程序的整体影响

主成分分析（PCA）进一步证实了上述发现。当纳入所有基因时，DSS组与对照组小鼠的转录谱存在明显分离。特别是在CA1和NAc，这种分离达到统计学显著性。当仅分析线粒体功能相关基因（Drp1, Mfn2, Mt-Co1）或抗氧化相关基因（Nrf2, Gpx1）时，在CA1和NAc也观察到了DSS组与对照组之间的显著差异。而突触相关基因（Snap25, Psd95）的PCA未显示显著分离。这表明慢性肠道炎症显著重塑了边缘脑区中线粒体和抗氧化相关的转录程序。

5. 肠道炎症改变基因间的协同表达关系

相关性分析揭示了更为精细的变化。在健康小鼠的NAc中，Mt-Co1的表达与Drp1、Mfn2（线粒体融合相关）、Gad1和Psd95的表达呈负相关或弱相关。然而，在DSS炎症小鼠中，这些关系发生了“翻转”，变成了显著的正相关（图6）。这意味着在炎症状态下，线粒体核心功能基因Mt-Co1的表达变化与线粒体动力学、GABA能信号和突触结构的基因表达紧密关联，这种关联模式的改变可能反映了炎症背景下脑内代谢与神经功能的重编程。

6. 炎症严重程度与特定脑区转录变化相关

研究人员还分析了炎症严重程度（以粪便Lcn-2水平为代表）与脑内基因表达的关系。结果显示，ACC的转录变化与肠道炎症程度关联最为密切：ACC中Drp1、Gad1、Psd95和Snap25的表达均与粪便Lcn-2水平呈正相关。这表明肠道炎症的强度可能直接影响了ACC的分子状态，而ACC是情绪调节和认知控制的关键节点。

结论与意义

本研究系统阐述了慢性肠道炎症对边缘系统关键脑区转录程序的区域性调控作用。主要结论如下：

1. 1.
   区域性易感性：慢性肠道炎症对大脑转录组的影响并非均一，边缘系统结构（尤其是海马CA1和伏隔核）比非边缘系统的运动皮层表现出更高的敏感性。
2. 2.
   线粒体功能受损迹象：Mt-Co1在ACC和NAc的表达显著降低，CA1的Drp1表达增加，提示边缘脑区可能存在氧化磷酸化能力下降和线粒体裂变增强，这可能导致ATP生成减少和潜在的线粒体损伤相关分子模式（mtDAMPs）释放，从而维持神经炎症循环。
3. 3.
   抗氧化防御削弱：CA1和NAc中Gpx1和/或Nrf2的表达下调，表明这些区域的抗氧化防御能力在炎症状态下可能受损，增加了氧化应激的风险。
4. 4.
   基因网络重构：慢性炎症改变了脑区内（如NAc中Mt-Co1与其他基因的关系）和脑区间基因表达的协同模式，提示炎症可能破坏了脑内固有的分子调控网络。
5. 5.
   肠-脑信号关联：ACC等脑区的转录变化与肠道炎症严重程度相关，为肠-脑轴的双向通信提供了分子层面的证据。

这项研究的深刻意义在于，它将慢性肠道炎症与边缘系统特定的分子改变联系起来，特别是聚焦于线粒体代谢和氧化应激管理这两个核心生物学过程。这为理解为什么在多种病因各异的慢性炎症性疾病中，焦虑和抑郁会作为常见的共病现象提供了一个新的框架：边缘系统关键脑区固有的高代谢需求和相对脆弱的抗氧化防御，可能使其在长期炎症能量消耗和氧化攻击下特别容易受损。这种“代谢脆弱性”可能导致神经回路功能紊乱，从而引发情绪障碍。该研究不仅增进了我们对肠-脑轴相互作用机制的认识，也为开发针对线粒体功能和氧化应激 pathway 的新型干预策略，以预防或治疗炎症相关精神共病，提供了重要的理论依据和潜在的靶点。