《Alzheimers & Dementia》：Resolving cognitive heterogeneity in white matter hyperintensities through integrated analyses of microbiome, metabolome, and brain glymphatic function
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这项综述通过整合16S rDNA测序、非靶向代谢组学和多模态磁共振成像，对肠道微生物组、血浆代谢组和脑类淋巴功能进行了表征，揭示了与认知功能障碍（WMH-CI）相关的微生物、代谢物和类淋巴标志物。研究表明，微生物群与认知之间的联系由代谢物（如十四烷基二乙醇胺）和类淋巴标志物（如沿血管周隙扩散指数，ALPS index）介导。这为理解白质高信号（WMH）的认知异质性提供了初步见解，并可能为血管性认知障碍（VCI）的靶向干预提供信息。
1 背景
白质高信号（White Matter Hyperintensities, WMH）是脑室周围和深部白质在T2加权或T2液体衰减反转恢复（FLAIR）图像上可见的高信号区域，是脑小血管病（Cerebral Small Vessel Disease, CSVD）中最常见和最早期的脑改变。WMH与认知功能障碍风险增加相关，是血管性认知障碍（Vascular Cognitive Impairment, VCI）的主要原因。然而，临床上存在认知异质性现象：部分WMH负荷高的个体出现显著认知障碍（WMH with cognitive impairment, WMH-CI），而另一些则保持相对正常的认知（WMH with normal cognition, WMH-NC）。这种分歧使得基于认知的亚组分类成为剖析认知衰退易感性和恢复力的合适范式。识别驱动这种变异的生物学因素对于揭示VCI的调控机制至关重要。
类淋巴系统（Glymphatic system）是一个全脑范围的血管周网络，通过脑脊液（Cerebrospinal Fluid, CSF）和组织间液（Interstitial Fluid, ISF）交换清除代谢废物。该过程可以通过一些神经影像学指标在体内进行评估。本研究重点关注五个无创磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）衍生的标志物，它们描绘了类淋巴通路的重要方面，并已证明与认知相关：脉络丛体积（Choroid Plexus Volume, CPV）反映CSF产生；血管周隙（Perivascular Spaces, PVS）作为CSF流入的替代指标；自由水（Free Water, FW）估计CSF-ISF交换效率；沿血管周隙扩散指数（Index of diffusivity along the perivascular spaces, ALPS index）作为ISF流出的替代指标；血氧水平依赖性与脑脊液信号耦合（Coupling between blood oxygen level-dependent and cerebrospinal fluid signals, BOLD-CSF coupling）反映类淋巴系统介导的整体废物清除。
肠道微生物组通过微生物-肠-脑轴与宿主动态双向沟通，影响大脑发育和功能。肠道微生物失调可能影响宿主的行为、认知和情绪。血液输送的微生物代谢物可能是肠道微生物群与大脑之间沟通的桥梁。本研究收集了56名健康对照（Healthy Controls, HC）、40名WMH-NC和49名WMH-CI参与者的多组学数据，旨在通过相关性分析和中介分析，建立微生物群→代谢物→类淋巴系统→认知的通路。
2 方法
所有参与者（中国汉族，右利手，50-85岁）招募自安徽医科大学第一附属医院。中度至重度WMH定义为FLAIR图像上脑室周围WMH Fazekas评分和深部WMH Fazekas评分之和≥3。认知障碍根据蒙特利尔认知评估（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）评分定义。收集人口统计学、临床和认知数据，以及粪便和血浆样本。
通过16S rDNA扩增子测序对肠道微生物组进行定量，通过超高效液相色谱-串联质谱法（Ultrahigh Performance Liquid Chromatography coupled with Tandem Mass Spectrometry, UHPLC-MS/MS）分析血浆代谢组。收集结构、弥散和静息态功能MRI数据，用于计算一系列类淋巴功能标志物，包括CPV分数（CPV Fraction, CPVF）、基底节区血管周隙体积分数（PVS Volume Fraction in Basal Ganglia, PVSVF-BG）、白质内自由水分数（Free Water fraction within the White Matter, FW-WM）、ALPS指数和BOLD-CSF耦合强度。
3 结果
3.1 人口统计学、临床和认知特征
三组在年龄、性别或教育程度上无显著差异。在血管危险因素方面，WMH-NC和WMH-CI的高血压患病率高于HC。在认知方面，WMH-CI的MoCA、简易精神状态检查（Mini-Mental State Examination, MMSE）、听觉词语学习测验（Auditory Verbal Learning Test, AVLT）总分、顺背数字广度（Forward Digit Span, FDS）和倒背数字广度（Backward Digit Span, BDS）得分显著低于HC和WMH-NC。
3.2 肠道微生物组的组间差异
三组微生物群落组成存在显著整体差异。在属水平上，六种微生物分类群显示出统计学上稳健的组间差异：Acetivibrio、Staphylococcus、Pseudomonas、Megasphaera、Ralstonia和 Haemophilus。这些分类群表现出三种主要的改变模式：(1) WMH-CI特异性减少：Acetivibrio在WMH-CI中低于HC和WMH-NC；(2) 从HC到WMH-CI的渐进性增加：Staphylococcus和 Pseudomonas在WMH-CI中相对于HC升高；(3) WMH相关改变：Megasphaera减少，Ralstonia在两个WMH组中相对于HC增加。Haemophilus在WMH-NC中相对于HC有适度升高。
3.3 血浆代谢组的组间差异
在正离子模式下，三组间十四烷基二乙醇胺、1,5-萘二胺和β-尿苷存在显著差异。这些代谢物表现出两种主要的改变模式：(1) 从HC到WMH-CI的渐进性减少：十四烷基二乙醇胺在WMH-CI中相对于HC减少；(2) WMH-CI特异性减少：1,5-萘二胺和β-尿苷在WMH-CI中低于HC和WMH-NC。
3.4 类淋巴功能的组间差异
三组在CPVF、PVSVF-BG、FW-WM和BOLD-CSF耦合方面存在显著差异，ALPS指数也存在显著组间差异。事后比较揭示了三种主要模式：(1) 从HC到WMH-CI的渐进性改变：CPVF更大，gBOLD-CSF耦合在WMH-CI中比HC更弱；(2) WMH相关增加：PVSVF-BG在两个WMH组中相对于HC升高；(3) WMH-CI特异性改变：FW-WM升高，ALPS指数在WMH-CI中相对于HC和WMH-NC降低。
3.5 肠道微生物群、血浆代谢物、类淋巴功能与认知之间的关联
偏Spearman相关分析揭示了所有参与者中肠道微生物群、血浆代谢物、类淋巴功能指标和认知之间的一系列关联。中介分析进一步探索了微生物群通过代谢物和/或类淋巴功能与认知关联的三种可能途径。具体而言，Acetivibrio与MoCA之间的正相关显著由十四烷基二乙醇胺和ALPS指数介导，也由十四烷基二乙醇胺单独介导。同样，Staphylococcus与MoCA之间的负相关由十四烷基二乙醇胺和ALPS指数介导，也由十四烷基二乙醇胺单独介导。
4 讨论
通过整合多组学方法，本研究全面调查了WMH认知异质性背后的微生物-肠-脑机制。肠道微生物组分析揭示了六个细菌属在三组间的不同变化模式。血浆代谢组分析确定了三种代谢物在三组间存在显著差异。多模态MRI分析显示所有类淋巴功能标志物均存在显著组间差异。这些多组学变化的整合揭示了微生物群、代谢物、类淋巴功能指标和认知之间的多种关联。更重要的是，中介分析支持了连接微生物群与认知的两条潜在途径。这些发现为解释WMH-CI易感性和/或恢复力的生物学框架提供了初步见解，可能为保护认知和预防VCI的更有针对性的干预提供信息。
肠道微生物组分析确定的六个细菌属在三组间表现出不同的变化模式，可能反映了从HC到WMH-NC，最终到WMH-CI的渐进性微生物-肠-脑轴失调。Acetivibrio在WMH-CI中显著减少，表明其减少与WMH-CI特异性相关。Staphylococcus和 Pseudomonas在WMH-CI中相对于HC富集。Megasphaera减少和 Ralstonia增加与WMH相关，无论认知状态如何。Haemophilus在WMH-NC中独特地升高。
血浆代谢组分析显示十四烷基二乙醇胺、1,5-萘二胺和β-尿苷在三组间存在显著差异。十四烷基二乙醇胺表现出跨组的逐步减少。1,5-萘二胺和β-尿苷显示出WMH-CI特异性改变模式。β-尿苷的减少可能反映了神经化学支持的受损。
多模态MRI分析显示类淋巴功能存在显著组间差异，具有不同模式。CPVF从HC到WMH-NC再到WMH-CI逐渐增加，可能是一种早期代偿反应。PVSVF-BG表现出WMH相关增加模式。FW-WM和ALPS指数表现出WMH-CI特异性改变。gBOLD-CSF耦合从HC到WMH-CI逐渐减弱。这些发现表明了一个顺序性的类淋巴衰竭模型。
相关性和中介分析揭示了一个统一的微生物群-代谢物-类淋巴功能-认知轴，可能是WMH认知异质性的基础。Acetivibrio与MoCA呈正相关，由十四烷基二乙醇胺和ALPS指数介导。Staphylococcus与MoCA呈负相关，同样由十四烷基二乙醇胺和ALPS指数介导。这些发现描绘了肠道微生物群可能影响认知结果的两种机制途径：(1) 微生物群→代谢物→类淋巴系统→认知，和 (2) 微生物群→代谢物→认知。
本研究存在若干局限性。首先，其相关性设计无法推断因果关系。其次，非靶向代谢组学仅提供相对代谢物定量。第三，尽管使用了多模态MRI评估类淋巴功能，但这些测量是间接的，可能受到类淋巴清除以外因素的影响。ALPS指数可能受到白质微结构不对称性和其他生理扩散信号的影响。第四，中介分析存在局限性。最后，未控制口服益生菌或酸奶摄入。
总之，这项整合多组学研究建立了可能的微生物群-代谢物-类淋巴功能-认知关联，有望更好地解释WMH的认知异质性。更广泛地说，这些发现可能对开发针对已识别通路方面的干预措施以保护认知功能和预防VCI具有重要的临床意义。
