《ACS Applied Materials & Interfaces》：Metabolic Profiling of the Gut–Brain Axis in a Murine Model of Ulcerative Colitis with Raman Spectroscopy
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肠-脑轴（Gut–Brain Axis, GBA）使肠神经系统与中枢神经系统之间发生双向串扰，并在肠道炎症性疾病中发挥关键作用。本研究首次证明拉曼光谱（Raman Spectroscopy, RS）可用于捕捉调控GBA的生化变化快照，并识别小鼠溃疡性结肠炎模型
肠-脑轴（Gut–Brain Axis, GBA）使肠神经系统与中枢神经系统之间发生双向串扰，并在肠道炎症性疾病中发挥关键作用。本研究首次证明拉曼光谱（Raman Spectroscopy, RS）可用于捕捉调控GBA的生化变化快照，并识别小鼠溃疡性结肠炎模型中存在的代谢物特征振动谱带。研究人员通过饮水给予葡聚糖硫酸钠（Dextran Sulfate Sodium, DSS）诱导小鼠急性结肠炎，RS检测发现血清中21个、盲肠内容物中21个及丘脑区22个显著峰，这些峰关联广泛代谢物类别，且与结肠炎小鼠疾病活动度较健康小鼠呈强相关。研究结果表明，在DSS-结肠炎模型中丘脑代谢物改变最为显著，而非已知参与GBA通讯的下丘脑。研究人员鉴定出6种血清、盲肠和丘脑共有的生化物种——包括不饱和脂肪酸、脂质、甘油三酯、蛋白质/酰胺III（Amide III）、色氨酸和苏氨酸——可能作为驱动肠-脑通讯的炎症反应早期生物标志物。Pearson相关性分析进一步显示丘脑神经递质与血清氨基酸及肠道脂质/脂肪酸呈中度至强相关。本基础性研究提供了溃疡性结肠炎中启用肠-脑串扰的早期生化变化快照，未来可拓展至其他肠道或脑部疾病。
研究背景与意义
肠-脑轴（Gut–Brain Axis, GBA）是由肠道菌群介导、经迷走神经和循环系统实现肠神经系统（Enteric Nervous System, ENS）与中枢神经系统（Central Nervous System, CNS）双向通讯的复杂网络，涉及代谢产物、神经活性化合物、免疫及内分泌途径。炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）如溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）常伴有肠道菌群失调及抑郁焦虑等精神共病，提示GBA参与疾病进程，但人体系统水平机制研究受饮食等混杂因素限制难以开展。代谢物改变早于体重下降、结肠缩短等宏观体征，是早期疾病进展的高灵敏度指标。目前尚无研究用拉曼光谱（Raman Spectroscopy, RS）在无标记、无破坏条件下同步检测肠、血、脑多器官代谢变化以探究GBA。本研究采用DSS诱导急性结肠炎C57BL/6小鼠模型，利用RS检测血清、盲肠内容物及多脑区组织代谢谱，旨在揭示肠炎背景下GBA的早期生化变化及器官间代谢关联，为IBD相关神经炎症提供早期生物标志物和检测思路。本研究发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。
主要关键技术方法
研究人员采用6周龄雄性C57BL/6小鼠，随机分为健康对照组（正常饮水）与结肠炎组（3% DSS饮水7天诱导急性结肠炎，n≈12–18/组）。收集血清、盲肠内容物及全脑组织。血清经Milli-Q水1:1稀释后滴于CaF2片干燥；盲肠内容物用甲醇:水=9:1极性萃取后取上清；脑组织OCT包埋冷冻切片于PLL包被CaF2片。使用Renishaw inVia共聚焦拉曼显微镜（785 nm激光）采集600–1800 cm–1区间拉曼光谱。原始光谱经Savitzky–Golay平滑、多项式荧光背景扣除、标准正态变量（Standard Normal Variate, SNV）变换及特定内标峰比值归一化。采用PCA–t-SNE（Principal Component Analysis–t?Distributed Stochastic Neighbor Embedding）进行降维可视化，PERMANOVA检验组间差异，线性核支持向量机（Support Vector Machine, SVM）进行分类验证。Pearson相关性分析用MetaboAnalyst 6.0及Python完成。部分脑切片行胶质纤维酸性蛋白（Glial Fibrillary Acidic Protein, GFAP）及S100钙结合蛋白免疫荧光（Immunofluorescence, IF）染色评估神经炎症。血清及结肠组织匀浆上清用Luminex多重微球法检测细胞因子。
研究结果
3. 结果与讨论（Results and Discussion）
研究人员首先确认DSS模型成功建立：结肠炎组出现体重下降＞20%、疾病活动指数（Disease Activity Index, DAI）升高、脾体比增加、结肠缩短及结肠和血清中IL-1β、IL-5、IL-6、IL-12、IL-17A、IFN-γ等促炎细胞因子显著上调（p＜0.05）。
血清拉曼代谢谱显示健康组（n=15）与结肠炎组（n=18）平均光谱差异显著，PCA–t-SNE可明确区分两组（PERMANOVA p=0.001），SVM分类AUC=0.97±0.04。共鉴定21个显著差异峰（p＜0.05）：结肠炎血清谷氨酸（878 cm–1）、色氨酸（758、1012 cm–1）、酰胺III（1256 cm–1）上调；组氨酸（1311 cm–1）、苏氨酸（1340 cm–1）、脯氨酸（642 cm–1）、苯丙氨酸（622、1031 cm–1）及柠檬酸/琥珀酸（939 cm–1）、单糖下调；不饱和脂肪酸（1261 cm–1）上调，饱和脂肪酸（1174 cm–1）下调。多种氨基酸与结肠长度及终末体重正相关，不饱和脂肪酸及酰胺III与之负相关。
盲肠内容物（健康n=12，结肠炎n=13）经甲醇/水萃取后RS检测亦能经PCA–t-SNE区分（PERMANOVA p=0.003），鉴定21个显著差异峰。酰胺III（1256 cm–1）上调；异亮氨酸（1352 cm–1）、苏氨酸（1340 cm–1）、甘氨酸（神经递质）下调；甘油三酯（867、1300 cm–1）、不饱和脂肪酸（1269、1659 cm–1）上调；短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids, SCFAs；1366、1536 cm–1）及类胡萝卜素（1525、1156 cm–1）显著下调。类胡萝卜素、SCFAs、异亮氨酸、苏氨酸与结肠长度及体重正相关；不饱和脂肪酸、甘油三酯呈负相关。
脑多区域（前额叶皮层、丘脑、下丘脑、海马、白质、延髓）RS mapping显示仅丘脑在结肠炎组出现最显著代谢改变（22个差异峰），海马及延髓无明显变化。其它脑区变化较轻微：胼胝体饱和脂肪酸（1086 cm–1）及单糖（1126 cm–1）下调；下丘脑谷胱甘肽（928 cm–1）及不饱和脂肪酸（1659 cm–1）上调；前额叶皮层谷胱甘肽（674 cm–1）及酪氨酸（828 cm–1）上调；小脑白质DNA（781、1095 cm–1）及NADH（1575 cm–1）上调。丘脑中：苯丙氨酸（622、1002 cm–1）、苏氨酸（1340 cm–1）、色氨酸（758、1012 cm–1）、谷胱甘肽（928 cm–1）、磷脂酰胆碱/鞘磷脂（Phosphatidylcholine/Sphingomyelin, PC/SM；719 cm–1）、不饱和脂肪酸（1266、1659 cm–1）、酰胺III（1256 cm–1）上调；谷氨酸（878 cm–1）、单糖（1126 cm–1）、胆固醇（700 cm–1）、甘油三酯（868 cm–1）、饱和脂肪酸（1086 cm–1）、多巴胺（1363 cm–1）、5-羟色胺（1428 cm–1）下调。丘脑PCA–t-SNE可区分两组（PERMANOVA p=0.019）。GFAP及S100免疫荧光在健康与结肠炎组间无显著差异，提示代谢改变早于胶质激活蛋白表达。
研究人员进一步鉴定出血清、盲肠及丘脑共有的6个协同变化峰：不饱和脂肪酸（1261–1269 cm–1）、脂质/脂肪酸（1063 cm–1）、甘油三酯（867–870 cm–1）、酰胺III（1249–1256 cm–1）、色氨酸（1012 cm–1）、苏氨酸（1340 cm–1）。Pearson相关热图显示丘脑神经递质（多巴胺、5-羟色胺）与血清氨基酸呈中度至强正相关；丘脑苯丙氨酸与多数血清代谢物呈负相关；盲肠SCFAs与血清苏氨酸及柠檬酸/琥珀酸呈正相关；丘脑多巴胺与盲肠DNA、精氨酸、类胡萝卜素呈正相关，提示器官间早期代谢偶联。
讨论与结论（Conclusions）
研究人员总结：本研究首次应用RS表征DSS诱导急性结肠炎小鼠血清、盲肠内容物及多脑区（尤其丘脑）代谢谱，发现血清21个、盲肠21个、丘脑22个显著差异拉曼峰。血清、盲肠和丘脑共有6种生化物种（不饱和脂肪酸、脂质/脂肪酸、甘油三酯、酰胺III、色氨酸、苏氨酸）协同改变，提示肠炎背景下存在肠-脑间系统性生化物质转运，可能是驱动GBA通讯的早期炎症响应分子信号。代谢物改变早于GFAP/S100等蛋白水平变化，是神经炎症极早期标志。血清在ENS-CNS沟通中起中介作用，肠源代谢物影响血清宿主响应进而驱动脑内早期变化。RS代谢 profiling是探究GBA分子机制的高灵敏度手段，未来可结合多组学及大动物模型拓展。研究局限包括盲肠极性萃取可能引入峰强度偏差，血清白蛋白等大分子的谱带贡献使代谢物归属需谨慎解读。
