脂质代谢是中年大鼠海马功能衰退的关键内在、系统性及肠道微生物相关因素

《Neurobiology of Aging》：Lipid metabolism is a key central, systemic and gut microbial feature of the decline in rat hippocampal function during middle age

　　

Maria Giovanna Caruso|Sebastian Dohm-Hansen|Francisco Donoso|Zo? A.P. Williams|Stefanie Grabrucker|Aonghus Lavelle|Jane A. English|Sarah Nicolas|Olivia F. O’Leary|Yvonne M. Nolan

爱尔兰科克大学解剖学与神经科学系

摘要

中年阶段被认为是大脑衰老的关键转折点，能够预示未来的认知健康状况，并且可以通过干预加以改善。这一时期内的代谢和蛋白质组差异尚未被完全理解，但这些差异可能会影响海马体的功能，而海马体正是调控记忆和焦虑的脑区。尽管肠道微生物群与大脑衰老有关，但中年时期肠道微生物群、代谢状态与海马体蛋白质组之间的关联尚未得到研究。我们假设，外周的代谢或蛋白质特征与中年时期海马体的脆弱性存在关联。因此，本研究对比了年轻成年雄性和中年雄性大鼠在行为、蛋白质组、代谢以及肠道微生物群方面的差异。对海马体的蛋白质组分析显示，有表明突触信号传导发生改变的蛋白质表达差异。同时，中年大鼠的海马体神经发生能力下降。中年时期的海马体小胶质细胞表现出富含脂质的炎症表型，这与较差的记忆表现相关。脑脊液和血清的蛋白质组及代谢组分析发现，存在异常的脂质相关通路，这些通路可能加剧中年时期海马体的脆弱性。此外，16S rRNA测序显示，参与脂质代谢调控的细菌数量减少，不过将年轻大鼠的肠道微生物群移植到中年大鼠体内并不足以显著改善依赖海马体的空间记忆能力。总体而言，这些研究结果表明，功能失调的脂质代谢是中年期的一个关键特征，可能导致海马体功能衰退。鉴于老年时期的干预空间有限，针对与代谢和脂质稳态相关的生物标志物进行研究，对于开发可在中年期实施的药物或生活方式干预措施至关重要，这些干预措施有望延缓未来的认知衰老。

引言

中年阶段现已被认定为影响未来健康状况的关键时期。就大脑衰老及其对老年认知健康的影响而言，2024年《柳叶刀》痴呆症预防委员会的报告指出，大多数与未来痴呆风险相关的可改变风险因素都与中年时期有关（Livingston等人，2024年）。因此，了解中年时期大脑与外周生物过程之间的差异及关联，有助于预测老年时期的认知发展轨迹和大脑健康状况，同时为在这一生命过渡期开发干预措施提供依据，因为此时大脑仍具有反应能力（Dohm-Hansen等人，2024年综述）。人类海马体的结构和功能变化与认知功能衰退有关（Bussy等人，2021年），海马体正是调控记忆和焦虑的脑区。在啮齿动物中，整个生命过程中都会通过一种称为成年海马体神经发生的机制产生新神经元，这一机制能够调控记忆功能和类似焦虑的行为（Clelland等人，2009年；Santarelli等人，2003年）。老年个体的成年海马体神经发生能力明显下降（Spalding等人，2013年；Wu等人，2023年），不过这种下降的具体机制、动态变化及生物标志物尚未完全明确（Kozareva等人，2019年）。作为大脑驻留的免疫细胞，小胶质细胞对海马体功能，包括神经发生，起着重要作用（Zhuang等人，2022年）。研究表明，小胶质细胞中脂滴的积累会引发衰老大脑中的促炎反应（Marschallinger等人，2020年）和神经退行性变化（Liu等人，2015年）。目前尚不清楚中年海马体中是否已经出现小胶质细胞脂滴积累现象，以及这是否与海马体功能在中年时期的潜在衰退有关。

与此同时，存在于胃肠道中的复杂微生物群——肠道微生物群——被认为在健康衰老过程中起着关键作用（Ghosh等人，2022年；Jing等人，2025年）。肠道微生物会影响大脑的结构和功能，例如在啮齿动物中，清除肠道微生物群后，小胶质细胞的形态、成年海马体神经发生以及相关行为都会发生变化（Nicolas等人，2024年；Ogbonnaya等人，2015年）。肠道微生物群会随着年龄增长而发生变化，临床前研究显示，将年轻供体的肠道微生物群移植到老年个体体内，可以通过调节外周免疫反应、小胶质细胞的生理功能和特性，以及海马体的代谢组和转录组，从而缓解与年龄相关的认知衰退（Boehme等人，2021年）。

研究表明，栖息在肠道中的不同细菌属会影响宿主体内代谢产物的生成（Lynch等人，2023年；Yin等人，2023年；Zhong等人，2025年）。事实上，肠道微生物拥有与宿主相辅相成的丰富代谢功能（Adak & Khan，2019年）。因此，肠道微生物群组成随年龄变化的差异可能会导致进入宿主体内的代谢产物生成失衡。这些代谢产物要么会引发信号级联反应，最终影响大脑功能，要么可以直接穿过血脑屏障（Cryan等人，2019年；Guzzetta等人，2022年；Williams等人，2024年）。由此可见，包括来自肠道的外周因素都可能影响大脑功能，而脑脊液则处于介导这种相互作用的独特位置。然而，尽管中年时期可能是大脑向健康或非健康衰老转变的关键阶段，但目前仍不清楚肠道微生物群、血液和脑脊液中的蛋白质组及代谢组与海马体的细胞、分子及功能状态之间存在怎样的关联。

我们假设，外周的代谢或蛋白质特征与中年时期海马体的脆弱性存在关联。因此，本研究旨在识别中年与年轻时期存在差异的新颖的中央和外周生物标志物，并确定它们之间的潜在关联。本研究对3个月大和12个月大的斯普拉格-道利大鼠进行了依赖海马体的行为测试、成年海马体神经发生能力检测、小胶质细胞状态分析以及海马体蛋白质组分析，以找出中年海马体在细胞和功能层面发生变化的分子机制。此外，还对脑脊液进行了蛋白质组分析，同时研究了肠道微生物群的差异，以及相关的血清代谢组和蛋白质组组成，以寻找可能介导肠道与大脑相互作用的物质。最后，本研究还进行了从年轻成年大鼠向中年大鼠的肠道微生物群移植实验，以判断这种移植是否足以改善中年大鼠的依赖海马体的认知功能。

章节节选

实验动物

本研究使用的年轻成年（3个月大；Y）和中年（12个月大；MA）雄性斯普拉格-道利大鼠购自法国Janvier实验室。所有动物实验均在爱尔兰健康产品监管局颁发的许可证（AE19130/P149）许可下进行，遵循欧洲共同体理事会指令（2010/63/EU）的要求，并得到了科克大学动物实验伦理委员会的批准。大鼠抵达后，会被配对饲养在维持特定环境的群体中

中年大鼠的空间学习记忆能力受损且活动量减少

空间学习记忆能力是通过莫里斯水迷宫试验来测定的（图1A-D）。所有大鼠在训练阶段都学会了如何找到隐藏的平台（时间的主效应：F (2.676, 72.26) = 27.56，p < 0.0001）（图1B）。然而，中年大鼠逃脱平台所需的时间更长（年龄的主效应：F (1, 27) = 33.27，p < 0.0001；第1天：p < 0.0001；第2天：p < 0.01；第3天：p < 0.0001；第4天：p < 0.001）（图1B）。这一结果，再加上没有其他差异的情况

讨论

在本研究中，我们分析了大鼠中年时期的外周和中枢系统变化及其与认知功能之间的关系。中年大鼠的空间学习记忆能力存在受损现象。此外，中年大鼠还表现出轻微的类似焦虑的行为，不过这些发现可能受到了中年时期饮食和活动行为变化的干扰。对海马体背侧和腹侧DG区域的蛋白质组分析显示，有某些蛋白质的表达存在差异

验证

我们确认，本研究尚未在其他地方发表，也没有被其他期刊考虑发表。其发表已获得所有作者以及研究开展地相关机构的批准。如果该研究被接受，未经版权所有者的书面同意，不得以相同形式、英文或其他语言，包括电子形式在其他地方发表。

未引用参考文献

（Yang等人，2024年）

资金支持

本研究的资金由爱尔兰研究委员会（原爱尔兰科学基金会）提供，资助编号为SFI/FFP/6820，同时还获得了Reta Lila Weston信托基金在“大脑健康与微生物组”项目下的资助。这些资助方并未参与研究设计、数据收集、分析及解释、报告撰写，也未参与决定将论文投稿发表。

CRediT作者贡献说明

Zo? A.P. Williams：写作——审阅与编辑，验证，软件使用，方法学，正式分析，数据整理。Stefanie Grabrucker：正式分析。Aonghus Lavelle：监督，软件使用，方法学，正式分析，数据整理。Nolan Yvonne M：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，监督，资源协调，项目管理，方法学，资金筹集，概念构思。Maria Giovanna Caruso：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化

利益冲突声明

YMN正在接受Marigot Limited的科研资助，同时作为特邀演讲者从Yakult获得了报酬。OFO则接受了Marigot Limited和Alkermes plc的科研资助，还作为特邀演讲者在Janssen举办的会议上获得了报酬。这些支持并未影响也不限制本文的内容。其余作者均声明不存在利益冲突。

致谢

我们要感谢Thieza Melo博士、Tara Foley、Patrick Fitzgerald、Gerard Moloney博士以及Caitriona Scaife在技术方面给予的帮助。

数据声明

所有的原始质谱数据将通过MassIVE合作伙伴数据库在ProteomeXchange平台上公开。原始序列数据将被存放在NCBI的序列读取档案库中，并在论文发表后公开。所有R语言分析代码将在有需求时提供。源数据随本手稿一同提供。