鼻腔金黄色葡萄球菌携带通过降解性激素促进小鼠抑郁行为

本研究针对抑郁症的微生物-脑轴机制，首次揭示鼻腔微生物组中金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)通过产生17β-羟类固醇脱氢酶(Hsd12)降解性激素(睾酮和雌二醇)，导致大脑多巴胺和5-羟色胺水平下降，从而诱发抑郁行为。该发现为理解鼻-脑轴在精神疾病中的作用提供了新视角，并为抑郁症治疗提供了潜在新靶点。

　　

抑郁症是一种复杂的多因素疾病，给全球数亿人带来巨大痛苦和经济负担。近年来，肠道微生物组与抑郁症的关联研究取得了显著进展，但鼻腔作为与大脑直接相连的独特解剖部位，其微生物组在神经系统疾病中的作用却鲜有研究。鼻腔微生物可能通过产生代谢物直接影响大脑功能，这为理解抑郁症的发病机制提供了新的研究方向。

在这项发表于《Nature Microbiology》的研究中，研究人员首次系统地探讨了鼻腔微生物组与抑郁症之间的因果关系，特别聚焦于鼻腔常见定植菌金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的作用机制。研究团队采用了多组学技术结合动物模型验证的研究策略，包括16S rRNA全长测序、非靶向代谢组学、转录组学以及基因敲除菌株构建等关键技术方法。研究队列来自上海交通大学医学院附属仁济医院，包括100名抑郁症患者和118名健康对照。

鼻腔S. aureus携带与抑郁症相关

研究人员首先对218名参与者(100名抑郁症患者和118名健康对照)的鼻腔微生物组进行了16S rRNA测序分析。结果显示，抑郁症患者的鼻腔微生物α-多样性显著低于健康对照组，且两组微生物组成存在显著差异(β-多样性)。通过多变量逻辑回归模型调整多种协变量后，这种差异仍然显著。

特别值得注意的是，葡萄球菌属(Staphylococcus)及其物种金黄色葡萄球菌(S. aureus)在抑郁症个体中显著更丰富。培养分析证实了这一评估，绝对S. aureus丰度在男性和女性分析中均显示显著差异。患者健康问卷-9(PHQ-9)和广泛性焦虑障碍-7(GAD-7)评分与S. aureus丰度显著相关。抑郁症患者中S. aureus鼻腔携带者的比例显著高于健康人群，表明S. aureus携带是抑郁症的一个风险因素。

鼻腔S. aureus在小鼠中诱导抑郁行为

为了实验验证鼻腔微生物组是否影响抑郁症，研究人员将来自健康个体和抑郁症患者的鼻腔微生物组样本移植到小鼠鼻腔中(一对一移植，男性供体对应雄性小鼠，女性供体对应雌性小鼠)。

接受抑郁症患者微生物组移植的小鼠在高架十字迷宫试验(OFT)、强迫游泳试验(FST)和悬尾试验(TST)中表现出显著增加的焦虑样和抑郁样行为。这些测试值与移植供体的抑郁水平呈显著相关。多变量分析显示，接受抑郁症患者微生物组移植的小鼠具有显著更高的S. aureus相对丰度。

为了提供S. aureus携带与抑郁症之间因果关系的直接实验证据，研究人员用S. aureus定植小鼠鼻腔。雌性小鼠(而非雄性)定植S. aureus后表现出增加的焦虑和抑郁行为。当雄性小鼠额外接受慢性不可预测温和应激(CUMS)处理后，结果与雌性小鼠相似。这些发现表明S. aureus鼻腔携带促进抑郁症，且在雌性小鼠中作用更强。

降低的鼻腔性激素水平与抑郁症相关

为了从机制上解释这些发现，研究人员假设S. aureus丰度增加改变了鼻腔中的代谢，从而调节大脑生理和行为。他们对两组随机选择的个体(n=40)进行了基于串联质谱(MS/MS)的鼻腔代谢物分析。

健康个体和抑郁症患者的鼻腔代谢组存在显著差异，显著改变的途径主要包括类固醇激素生物合成相关途径。抑郁症患者的鼻腔睾酮和雌二醇水平显著降低，而血清水平相似。鼻腔雌二醇和睾酮水平与焦虑和抑郁评分呈显著相关。这些发现表明鼻腔中差异性性激素浓度与抑郁症相关，提示抑郁症可能通过鼻腔微生物组成员改变性激素水平而受到影响。

鼻腔S. aureus降解性激素并与大脑中多巴胺和5-羟色胺水平降低相关

研究人员发现人类鼻腔雌二醇和睾酮水平与S. aureus丰度呈负相关，雌二醇的相关性更强。只有S. aureus与类固醇及其衍生物代谢物的增加相关。

S. aureus在体外能够将雌二醇转化为雌酮，将睾酮转化为雄烯二酮，雌二醇转化活性强于睾酮转化活性。虽然其他一些鼻腔定植细菌也表现出类似的体外活性，但显著低于S. aureus。在小鼠鼻腔定植模型中，S. aureus定植导致鼻腔雌二醇和睾酮水平显著降低，而血清性激素水平保持不变。

S. aureus对大脑中的性激素水平也有类似影响。大脑中改变的性激素水平不是由于从头生物合成的差异，因为前体孕烯醇酮和孕酮水平没有变化。转录组分析显示，与性激素生物合成相关的CYP17A1和HSD基因表达在S. aureus定植小鼠和对照S. epidermidis定植小鼠之间没有变化。

雌二醇和睾酮已知能增加中脑多巴胺和5-羟色胺水平，该区域在情绪调节中起关键作用。转录组分析还显示，色氨酸羟化酶(TPH2)、酪氨酸羟化酶(TH)和多巴脱羧酶(DCC)转录本在雄性和雌性小鼠中均显著少于S. epidermidis定植对应小鼠，表明S. aureus在鼻子中降解性激素通过下调其生物合成影响大脑中的多巴胺和5-羟色胺水平。这些基因表达的变化通过中脑组织样本的逆转录定量PCR验证。京都基因与基因组百科全书(KEGG)途径富集分析揭示了相关代谢途径的显著变化。重要的是，研究人员随后验证了减少的生物合成导致S. aureus鼻腔定植小鼠大脑中5-羟色胺和多巴胺浓度降低，而其他神经递质浓度不受影响。

S. aureus HSD降解性激素并在小鼠中诱导抑郁行为

为了阐明S. aureus降解性激素的机制，研究人员搜索了本研究中使用的S. aureus鼻腔分离株基因组(其基因组已测序)中的推定hsd基因。他们搜索了短链脱氢酶/还原酶(SDR)家族成员，这些成员在类固醇激素、前列腺素和视黄醇代谢中具有生理作用。

只有表达推定hsd基因12(hsd12)的表达菌株显示出强大的降解雌二醇和睾酮的能力。这确定了hsd12基因负责S. aureus中的性激素降解，并作为一个先前未知的17β-HSD，其同工酶被宿主用于维持雌二醇和睾酮的稳态。hsd12基因在NCBI中注释为SDR家族氧化还原酶，存在于本研究中获得的所有S. aureus分离株中，并且在已发表的S. aureus分离株中高度保守，位于一个主要包含未知功能基因的区域。

为了将观察到的S. aureus介导的表型直接与hsd12基因联系起来，研究人员创建了S. aureus hsd12缺失突变体。hsd12的缺失不会改变在不同培养基中的体外生长，并且通过RNA测序(RNA-Seq)分析对基因组中其他基因的表达只有非常小的影响。用hsd12缺失菌株定植雌性和CUMS处理的雄性小鼠导致与对照组无法区分的表型，但与同基因野生型S. aureus菌株定植的小鼠显著不同。研究人员还验证了细菌定植不会导致体重和温度变化，小鼠没有显示疾病迹象，炎症和细胞因子和组织学分析在S. aureus和同基因hsd12缺失菌株之间没有显示显著差异。这些发现表明hsd12基因在机制上负责S. aureus鼻腔定植与抑郁症之间的联系。

小鼠适应S. aureus菌株的抑郁诱导能力

为了排除观察到的S. aureus对抑郁行为的影响是菌株特异性的，研究人员还使用小鼠适应菌株ST88进行了关键实验。S. aureus ST88降解雌二醇和睾酮与本研究通常使用的ST398菌株相似。

研究人员创建了ST88的hsd缺失突变体，该突变体没有显示任何生长缺陷或除hsd基因外的显著基因表达变化，并且表现出显著降低的降解雌二醇和睾酮能力。然后建立了一个复制ST398菌株使用模型一般设置的小鼠定植模型，但仅使用两次鼻腔滴注，细菌量大大减少，间隔七天。ST88菌株像ST398一样在抗生素处理的鼻子上定植，并且像ST398一样不定植肺部，但显示出更高的肠道定植能力。虽然使用小鼠适应菌株可能更好地反映"自然"定植场景；这意味着用ST88获得的结果应谨慎解释，因为它们可能不仅由于鼻-脑轴，还由于肠-脑轴。ST88定植不影响体重、温度、疾病或鼻子和肺中的细胞因子表达，hsd缺失不影响定植。在大多数行为测试中，S. aureus ST88增加了抑郁行为，而应用ST88Δhsd导致与对照组无法区分的表型。这些结果表明S. aureus的Hsd酶促进小鼠抑郁行为不是菌株依赖性的。

最后，使用ST88菌株，研究人员测试了S. aureus是否降解人工引入小鼠鼻子的性激素。为此，他们首先通过雌性小鼠双侧卵巢切除术和雄性小鼠双侧睾丸切除术消除生理性激素波动的影响，随后使用鼻腔水凝胶持续释放雌二醇或睾酮。研究人员使用水凝胶是因为它能够更好地靶向大脑并避免快速肾脏或肠道排泄。他们确定水凝胶在两天内几乎完全释放负载的雌二醇和睾酮。应用S. aureus与雌二醇或睾酮负载的水凝胶显著降低了鼻腔和大脑雌二醇和睾酮水平。最后，研究人员表明水凝胶介导的鼻腔应用性激素显著减轻了S. aureus应用诱导的焦虑和抑郁行为。除了确认鼻腔性激素对抑郁和焦虑相关表型的影响外，这些发现为S. aureus介导的鼻腔性激素降解及其对抑郁样行为的影响机制提供了进一步的直接证据。

研究结论与意义

本研究首次揭示了鼻腔微生物组通过S. aureus的存在影响抑郁症。研究人员证明S. aureus通过表达一个先前未知的17β-HSD同工酶(由命名为hsd12的基因编码)降解性激素睾酮和雌二醇，导致小鼠模型中大脑多巴胺和5-羟色胺浓度降低。虽然发现其他一些鼻腔共生细菌在体外也具有一些性激素降解活性，但它们的丰度在抑郁症患者中没有增加。

外周细菌感染以及肠道微生物组的组成已被证明影响神经系统疾病。然而，鼻腔微生物组在神经系统疾病中的作用仍然是推测性的或仅基于相关证据。本研究发现的导致鼻腔微生物组对抑郁症影响的机制为鼻-脑轴在神经系统疾病发展中的关键作用提供了先前缺乏的证据。

微生物内分泌学领域正在迅速发展，最近几项研究说明了肠道细菌的激素转化。通过识别鼻腔微生物组中转化类固醇性激素的酶，本研究表明在肠道以外的宿主相关环境中存在参与类固醇代谢的同工酶。

男性和女性性激素都与决定抑郁行为有关，并且抑郁症发病率存在明显的性别依赖性差异。相应地，研究人员观察到人类鼻腔雌二醇水平与抑郁行为的相关性比睾酮更强，并且S. aureus在雌性小鼠中诱导抑郁行为比雄性更明显。S. aureus降解女性性激素雌二醇比男性性激素睾酮快得多可能解释这些差异，因此S. aureus鼻腔定植可能有助于观察到的抑郁症患病率的性别依赖性差异。

鼻腔微生物组中共生S. aureus对抑郁症的影响与感染对炎症相关神经系统疾病的影响有本质区别。然而，无症状S. aureus在鼻子中的存在代表了一个已知的风险因素，现在可以添加到S. aureus代表发病风险影响的发病率列表中。

本研究存在一些局限性。研究人员调查了一个相对较小的人类队列，并主要依赖小鼠的机制研究来支持结论。没有合并症的年轻成人队列不能代表社会经济逆境人群以及青少年或老年抑郁症。尽管匹配了关键混杂因素，但未测量的因素可能导致残余混杂。此外，没有S. aureus检测方法是完全准确的，这就是为什么在研究中包括了几种不同的方法。最后，尚不完全清楚细菌如何从性激素降解酶中受益。可能，它们利用它们作为碳源或消除雌二醇介导的压力。

总之，本研究发现了鼻腔微生物组对广泛神经系统疾病的显著影响，突出了鼻-脑轴和鼻腔细菌定植对此类疾病的重要性。这一发现不仅增进了对抑郁症发病机制的理解，还为开发新的治疗策略提供了潜在靶点，可能通过调节鼻腔微生物组或阻断Hsd12酶活性来预防或治疗抑郁症。