维生素B2和B3联合对LPS诱导的神经炎症的神经保护作用：基于肠-脑轴的多组学见解

《Journal of Functional Foods》：Combined neuroprotective effects of vitamins B2 and B3 on LPS-induced neuroinflammation: a multi-omics insight into the gut-brain axis

　　

摘要：神经炎症（neuroinflammation）是认知衰退的关键病理驱动因素，而针对肠-脑轴（gut-brain axis）的膳食调节被认为是一种潜在且安全的治疗策略。在此，研究人员在脂多糖（LPS）诱导的神经炎症小鼠模型中，研究了核黄素（维生素B₂）和烟酰胺（维生素B₃）的联合神经保护作用。研究人员进行了整合分析，包括行为评估、组织病理学、16S rRNA测序和非靶向代谢组学，以探索潜在机制。B₂/B₃联合干预显著减轻了焦虑样行为和空间记忆障碍。从机制上讲，它抑制了海马神经炎症和氧化应激，这与调节Sirt1/NF-κB通路和抑制胶质细胞过度激活密切相关。此外，B₂/B₃补充剂通过富集阿克曼菌（Akkermansia）和减少脱硫弧菌（Desulfovibrio）重塑了肠道菌群失调，并通过调节神经保护代谢物恢复了代谢稳态。据研究人员所知，很少有研究证明B₂和B₃通过重塑肠道菌群-代谢物网络发挥联合神经保护作用，这为其作为对抗神经炎症的功能性食品成分的应用提供了科学依据。

**论文解读：维生素B₂和B₃联合干预通过肠-脑轴缓解LPS诱导的神经炎症**

**研究背景**

神经炎症（neuroinflammation）是中枢神经系统（CNS）对感染、损伤或代谢紊乱等刺激的免疫应答过程，其病理特征是小胶质细胞和星形胶质细胞的异常激活，释放大量促炎细胞因子如白细胞介素-1β（IL-1β）、白细胞介素-6（IL-6）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α），并与氧化应激（oxidative stress）紧密耦合，导致血脑屏障（BBB）完整性受损，最终引发突触功能障碍和认知障碍。尽管抗炎药物广泛应用，但长期使用常伴随胃肠道问题及心血管风险，因此，寻找安全、天然膳食成分作为预防策略成为研究热点。B族维生素作为重要的代谢辅酶，其神经保护作用日益受到关注。然而，维生素B₂（核黄素，riboflavin）和B₃（烟酰胺，nicotinamide）在肠-脑轴（gut-brain axis）调节中的联合作用机制尚不明确，特别是在LPS（lipopolysaccharide）诱导的神经炎症模型中，缺乏对肠道菌群组成、全身代谢组学变化及神经炎症结局的综合研究。因此，本研究旨在探索维生素B₂和B₃联合干预是否通过重塑肠道菌群-代谢物网络来缓解LPS诱导的神经炎症和认知损伤。

**主要技术方法**

研究人员采用LPS（Escherichia coli O55:B5）诱导的C57BL/6J小鼠（8周龄，雄性，来源：Charles River Laboratories, 浙江）神经炎症模型。主要技术方法包括：1）行为学评估：旷场实验（OFT）、Y迷宫（YM）和Morris水迷宫（MWM）测试；2）组织病理学与免疫荧光：尼氏染色（Nissl staining）评估海马神经元损伤，H&E染色评估结肠组织病理，免疫荧光检测离子钙结合适配器分子1（IBA-1）和胶质纤维酸性蛋白（GFAP）标记的胶质细胞激活；3）分子生物学：实时定量PCR（qPCR）检测炎症因子及通路基因mRNA表达，Western blot检测TLR4/NF-κB/Sirt1通路、胶质激活及凋亡相关蛋白表达；4）微生物组学：16S rRNA基因（V3-V4区）高通量测序分析盲肠内容物菌群组成；5）代谢组学：非靶向超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UPLC/Q-TOF-MS）分析血清代谢物，气相色谱（GC）检测短链脂肪酸（SCFAs）。

**研究结果**

**3.1 维生素B₂和B₃缓解LPS诱导的小鼠认知障碍和焦虑行为**

通过旷场实验、Y迷宫和水迷宫测试，研究人员发现，联合补充维生素B₂和B₃显著增加了LPS模型小鼠在旷场中央区域的停留时间和进入次数，减少了不动时间，提高了Y迷宫的自发交替率和进入新臂次数，并缩短了水迷宫测试中的逃避潜伏期，增加了目标象限停留时间。这表明联合干预有效改善了LPS诱导的焦虑样行为和空间学习记忆损伤。

**3.2 组织病理学检查和免疫荧光分析**

尼氏染色显示，联合干预显著减轻了LPS诱导的海马CA1、CA3和DG区神经元损伤，表现为神经元密度增加、细胞形态恢复。免疫荧光分析表明，联合干预有效抑制了LPS诱导的海马区小胶质细胞（IBA-1）和星形胶质细胞（GFAP）的过度激活，荧光强度显著降低，表明神经炎症减轻。

**3.3 维生素B₂和B₃改善小鼠脑和肠道中的促炎细胞因子水平和氧化应激水平**

通过检测血清促炎因子（TNF-α、IL-6、IL-1β）和海马、皮层、结肠组织中的氧化应激标志物（MDA、SOD、T-AOC），研究人员发现，LPS诱导显著升高了血清促炎因子和脑肠组织MDA水平，并降低了SOD和T-AOC活性。而维生素B₂和B₃联合干预有效逆转了这些变化，降低了炎症因子水平，增强了抗氧化能力，并调节了乙酰胆碱（ACh）和乙酰胆碱酯酶（AChE）水平。

**3.4 维生素B₂和B₃抑制海马神经炎症并调节TLR4/NF-κB/Sirt1信号通路，缓解结肠病理损伤**

qPCR结果显示，LPS上调了海马中TLR4、NF-κB、CD86（M1型小胶质细胞标志物）及促炎因子（TNF-α、IL-6、IL-1β）的mRNA表达，并下调了Sirt1和抗炎因子IL-10的表达。联合干预显著逆转了这些变化，恢复了Sirt1水平，抑制了TLR4/NF-κB通路。同时，H&E染色显示，联合干预减轻了LPS诱导的结肠黏膜损伤、隐窝变形和炎症细胞浸润，病理评分显著降低。

**3.5 维生素B₂和B₃重塑肠道菌群组成并恢复肠道稳态**

16S rRNA测序分析表明，LPS给药降低了肠道菌群的α多样性（Ace、Chao、Sobs指数），并改变了β多样性。联合干预显著提高了α多样性，并在门水平上提高了Bacillota/Bacteroidota比值。在属/种水平上，LPS显著减少了有益菌阿克曼菌（Akkermansia）的丰度，增加了有害菌脱硫弧菌（Desulfovibrio）的丰度。维生素干预，特别是联合组，显著富集了阿克曼菌并抑制了脱硫弧菌。此外，LEfSe分析识别出不同组别的生物标志物，PICRUSt功能预测显示LPS扰乱了菌群功能，而联合干预恢复了短链脂肪酸（SCFAs）的浓度，包括乙酸、丙酸、丁酸等。

**3.6 非靶向代谢组学**

血清非靶向代谢组学分析显示，联合干预使LPS诱导的代谢谱向对照组趋近。关键差异代谢物包括：2-oleoyl-1-palmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine（甘油磷脂代谢，LPS上调，联合干预逆转）、12-Hepe（花生四烯酸代谢，LPS下调，联合干预恢复）、以及乙酰-L-肉碱（Acetyl-l-Carnitine，脂肪酸降解和线粒体能量代谢，LPS下调，联合干预上调）。KEGG通路富集分析表明，这些代谢物主要涉及甘油磷脂代谢和花生四烯酸代谢，与膜流动性和炎症消退密切相关。

**3.7 Western blot**

Western blot结果进一步验证了分子机制。LPS显著上调了海马中TLR4、MyD88、NF-κB、IBA-1、GFAP、促凋亡蛋白Bax和Caspase-3的表达，下调了抗凋亡蛋白Bcl-2的表达。维生素B₂和B₃联合干预有效抑制了TLR4/MyD88/NF-κB通路的激活，抑制了胶质细胞过度激活，并恢复了Bax/Bcl-2平衡，从而减轻了细胞凋亡。

**3.8 Pearson相关性分析**

Spearman相关性分析显示，富集的阿克曼菌与神经保护指标（如乙酰胆碱含量、旷场探索行为）呈显著正相关，与神经炎症驱动因子（如NF-κB）呈负相关。而脱硫弧菌与短链脂肪酸（如乙酸）呈负相关。神经保护代谢物（12-Hepe、乙酰-L-肉碱）与有益菌阿克曼菌正相关，与有害菌拟杆菌属负相关。这些关联揭示了维生素B诱导的肠道菌群重塑与抗炎和神经能量代谢物之间的密切关系。

**讨论与结论**

讨论部分指出，B族维生素，特别是B₂和B₃，通过调节SIRT1/NF-κB轴和重塑肠道菌群来发挥神经保护作用。研究证实，联合干预比单独使用更有效地富集了阿克曼菌（Akkermansia）并抑制了脱硫弧菌（Desulfovibrio），这有助于维持肠道屏障完整性、调节免疫反应并增强SCFAs产生，从而抑制神经炎症。此外，非靶向代谢组学揭示，维生素干预通过调节甘油磷脂代谢和花生四烯酸代谢，恢复神经保护代谢物（如12-Hepe和乙酰-L-肉碱），从而修复线粒体功能、抗炎并支持认知功能。研究还讨论了等效人类剂量（HED）的应用潜力，表明该剂量范围在安全范围内，但需临床验证。尽管存在样本量小、仅为急性模型等局限性，但研究结论强调了联合干预的协同优势。

**结论：** 总之，这些维生素在LPS诱导的小鼠神经炎症模型中改善了行为认知功能，恢复了肠道屏障完整性，并减轻了海马炎症和氧化应激。多组学分析表明，联合干预通过富集有益微生物类群（如阿克曼菌）、恢复短链脂肪酸（SCFA）产量以及调节Sirt1/NF-κB信号通路以抑制胶质细胞激活，从而作用于肠-脑轴。这些发现为进一步研究维生素B₂和B₃作为神经炎症疾病潜在营养干预措施提供了科学依据，并支持其作为功能性食品成分的未来评估。然而，由于这些结果基于临床前小鼠模型，在推荐实际应用之前，必须进行包括粪便微生物群移植（FMT）实验以确认微生物因果关系，以及严格的人体临床试验。