罗伊氏乳杆菌DSM 17938及其上清液通过调节肠道菌群及其色氨酸代谢改善帕金森病

《Antioxidants》：Lactobacillus reuteri DSM 17938 and Its Supernatant Ameliorate Parkinson’s Disease in Association with Modulation of Gut Microbiota and Its Tryptophan Metabolism

　　

帕金森病（PD）是一种与肠道菌群失调和色氨酸代谢紊乱相关的神经退行性疾病，但益生菌的作用机制尚不明确。研究人员对MPTP诱导的PD雄性C57BL/6J小鼠口服给予罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）DSM 17938活菌（1.0 × 10⁹ CFU/mL，0.2 mL）或其发酵上清液冻干粉（三种浓度）。治疗增加了小鼠的运动距离和速度，提高了血清超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽（GSH）水平，降低了丙二醛（MDA）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）和白细胞介素-1β（IL-1β）水平，促进了神经元存活，并倾向于增加黑质中酪氨酸羟化酶（TH）的表达。16S rRNA测序显示，治疗改变了肠道菌群组成。PD小鼠中乳酸杆菌属（Lactobacillus）和异杆菌属（Allobaculum）增加，而颤螺菌属（Oscillospira）和螺杆菌属（Helicobacter）减少；治疗恢复了颤螺菌属（Oscillospira）的丰度。粪便非靶向代谢组学揭示PD中色氨酸代谢紊乱，表现为吲哚乙酸升高，犬尿喹啉酸、黄尿酸、吲哚-3-乙醇和α-氧代-1H-吲哚-3-丙酸降低。治疗显著恢复了神经保护性代谢物，包括犬尿喹啉酸、黄尿酸和血清素。PICRUSt2预测了色氨酸合成途径相关微生物（颤螺菌属（Oscillospira）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）、粪球菌属（Coprococcus））。治疗改善了运动缺陷、氧化应激、炎症和多巴胺能神经元死亡，这与肠道菌群调节和菌群源性色氨酸代谢物的积累相关。与上清液相比，活菌表现出更优的抗氧化和神经保护功效，可能归因于持续定植和连续代谢活性。这些发现提示，靶向关键色氨酸代谢菌或其代谢物可能是PD的潜在疗法。

**论文解读：罗伊氏乳杆菌DSM 17938及其上清液通过调节肠道菌群和色氨酸代谢改善帕金森病**

**研究背景、问题及意义**

帕金森病（Parkinson‘s disease, PD）是全球第二常见的神经退行性疾病，其病理特征包括黑质（substantia nigra, SN）多巴胺能神经元进行性丢失和酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase, TH）表达下降，导致运动障碍（如静止性震颤、步态异常、运动迟缓、强直）。PD的发病机制涉及遗传易感性、氧化应激、代谢紊乱、环境因素和神经炎症的复杂相互作用。近年来，肠道菌群失调及其代谢产物改变在PD发病中的作用受到广泛关注，尤其是通过肠-脑轴（gut-brain axis, GBA）影响中枢神经系统。PD患者肠道菌群组成发生显著变化，如Catabacter、Akkermansia丰度增加，而Faecalibacterium、Roseburia减少。此外，色氨酸（tryptophan）代谢紊乱是PD患者的常见特征，约95%的色氨酸经犬尿氨酸途径（kynurenine pathway）代谢，产生神经保护性（如犬尿喹啉酸、黄尿酸）或神经毒性（如3-羟基犬尿氨酸、喹啉酸）代谢物，而PD患者该途径受损。益生菌（probiotics）如罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）可通过调节肠道菌群和色氨酸代谢发挥神经保护作用，但罗伊氏乳杆菌DSM 17938活菌与其发酵上清液在PD模型中的保护效果及机制尚未系统比较，且其调节肠道菌群和色氨酸代谢的分子机制仍不完全清楚。因此，本研究旨在评估罗伊氏乳杆菌DSM 17938活菌及其三种浓度发酵上清液对MPTP诱导的PD小鼠的保护作用，并探讨这些作用是否与肠道菌群组成和色氨酸代谢物谱的变化相关，为靶向菌群-色氨酸代谢轴的PD干预策略提供实验证据。该论文发表在《Antioxidants》。

**主要技术方法**

研究采用MPTP（1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶）腹腔注射（30 mg/kg，连续8天）建立PD小鼠模型（雄性C57BL/6J，6周龄，来源于SPF（北京）生物技术有限公司）。实验分为6组：对照组、MPTP组、MPTP+YCFS1（低浓度上清液）、MPTP+YCFS3（中浓度上清液）、MPTP+YCFS5（高浓度上清液）、MPTP+YLB（活菌，1.0×10⁹ CFU/mL）。主要技术包括：旷场实验（open field test）评估运动功能；HE染色、尼氏染色、TH免疫荧光和免疫组化评估黑质神经元存活及TH表达；ELISA检测血清氧化应激指标（SOD、GSH、MDA）和炎症因子（TNF-α、IL-6、IL-1β）；16S rRNA基因测序（V3-V4区）分析肠道菌群组成；粪便非靶向代谢组学（UPLC-MS/MS）检测色氨酸代谢物；PICRUSt2预测菌群功能路径。

**研究结果**

**3.1 罗伊氏乳杆菌DSM 17938或其上清液改善MPTP诱导的PD小鼠运动缺陷**
旷场实验显示，MPTP组小鼠运动轨迹稀疏、总距离和平均速度显著降低，表明运动缺陷成功诱导。与MPTP组相比，YCFS1、YCFS3、YCFS5和YLB治疗组均显著增加运动总距离和平均速度，扩大运动轨迹范围，表明两种治疗均能缓解运动障碍。

**3.2 罗伊氏乳杆菌DSM 17938或其上清液减轻MPTP诱导的神经元死亡**
HE和尼氏染色显示，MPTP组黑质神经元数量减少、胞体萎缩、形态不规则，而治疗组神经元形态改善、数量增加。TH免疫荧光和免疫组化定量分析显示，MPTP组TH阳性面积减少，治疗组（YCFS1、YCFS3、YCFS5、YLB）TH阳性面积均呈增加趋势（但未达统计学显著）。YLB组在免疫荧光中的TH阳性率增加幅度最大（166.95%），表明活菌对神经元保护作用更优。

**3.3 罗伊氏乳杆菌DSM 17938或其上清液减轻MPTP诱导的氧化应激和炎症**
与对照组相比，MPTP组血清SOD和GSH显著降低，MDA、IL-6、IL-1β、TNF-α显著升高。治疗组（尤其是YLB）显著升高SOD和GSH，降低MDA和炎症因子，YLB组的抗氧化和抗炎效果最显著，表明活菌具有更强的系统保护作用。

**3.4 罗伊氏乳杆菌DSM 17938或其上清液调节粪便菌群组成**
α多样性分析显示，MPTP组Chao1指数和观测物种数增加，但Shannon和Simpson指数降低，表明菌群丰富度增加但多样性下降。治疗组Shannon和Simpson指数均升高。β多样性（NMDS）显示各组菌群组成显著分离，MPTP组与对照组差异最大，治疗组向对照组靠近。分类学分析表明，MPTP组乳酸杆菌属（Lactobacillus）和异杆菌属（Allobaculum）相对丰度升高，颤螺菌属（Oscillospira）和螺杆菌属（Helicobacter）降低；治疗组逆转了这些变化，恢复了颤螺菌属（Oscillospira）丰度。

**3.5 粪便非靶向代谢组学分析**
PCA和PLS-DA显示各组粪便代谢物谱显著分离。共鉴定517个差异代谢物，KEGG富集分析发现12条共同通路，包括色氨酸代谢（tryptophan metabolism）。重点分析色氨酸代谢通路：MPTP组中，犬尿喹啉酸（kynurenic acid）、黄尿酸（xanthurenic acid）、吲哚-3-乙醇（indole-3-ethanol）、α-氧代-1H-吲哚-3-丙酸（alpha-oxo-1H-indole-3-propanoic acid）和血清素（serotonin）相对丰度降低，而吲哚乙酸（indoleacetic acid）升高。治疗组（尤其是YLB）显著恢复神经保护性代谢物（犬尿喹啉酸、黄尿酸、血清素）水平，并降低促炎性吲哚乙酸。

**3.6 色氨酸代谢相关菌群鉴定**
PICRUSt2预测显示，色氨酸生物合成超途径（PWY-6629）相关菌群丰度在MPTP组降低，治疗组升高。该途径中高丰度菌属包括颤螺菌属（Oscillospira）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）、粪球菌属（Coprococcus）、罗氏菌属（Roseburia）和梭菌属（Clostridium），提示这些菌群可能参与色氨酸代谢。

**总结与讨论**

本研究证实，罗伊氏乳杆菌DSM 17938活菌及其发酵上清液均可通过调节肠道菌群和色氨酸代谢减轻MPTP诱导的PD小鼠运动缺陷、氧化应激、炎症和多巴胺能神经元死亡，且活菌效果优于上清液，可能归因于活菌的持续定植和代谢活性。关键机制包括恢复颤螺菌属（Oscillospira）丰度、促进神经保护性色氨酸代谢物（犬尿喹啉酸、黄尿酸、血清素）积累，并抑制促炎性吲哚乙酸。这种保护作用反映了犬尿氨酸途径内从神经毒性分支向神经保护性分支的转换，而非途径间分流。PICRUSt2推测颤螺菌属（Oscillospira）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）和粪球菌属（Coprococcus）为潜在色氨酸代谢菌，提示维持这些菌群丰度可能具有治疗意义。研究局限性包括：未测定细菌定植或原位代谢周转、上清液活性成分未鉴定、仅使用亚急性MPTP模型、缺乏脑组织炎症谱分析、样本量较小等。未来需通过粪便菌群移植验证特定菌属的神经保护作用，并补充色氨酸代谢物进行组合治疗。

**研究结论**（翻译原文Conclusions部分）
总之，罗伊氏乳杆菌DSM 17938及其上清液均通过调节肠道菌群和色氨酸代谢在MPTP诱导的PD小鼠中发挥神经保护作用，其中活菌效果更优。该神经保护作用表现为恢复颤螺菌属（Oscillospira）丰度、积累神经活性色氨酸代谢物（犬尿喹啉酸、黄尿酸和血清素），并抑制促炎性吲哚乙酸。这种保护反映了犬尿氨酸途径内从神经毒性分支向神经保护性分支的转换，而非途径间转向吲哚代谢。全细胞治疗更强的效力可能源于持续肠道定植和连续代谢活性，而上清液效应更为短暂。PICRUSt2推断颤螺菌属（Oscillospira）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）和粪球菌属（Coprococcus）为推定色氨酸代谢菌群，提示维持这些菌群可能具有治疗相关性。总之，这些发现确立了罗伊氏乳杆菌DSM 17938通过调节菌群-色氨酸代谢轴缓解PD，并支持靶向特定色氨酸代谢菌或其代谢物作为PD干预的有前景策略。