人们常说，肠道是人类的第二大脑。近几年来，关于肠道菌群在神经退行性疾病中的作用一直众说纷纭。肠道菌群的紊乱被认为是多种神经系统疾病的源头，而肠道菌群代谢产物中的氨基酸被认为是影响大脑稳态的重要物质[1]。那么，调控肠道菌群是否能够治疗神经退行性疾病呢？
近日，来自哈尔滨医科大学附属第一医院的姚丽芬教授团队发现，帕金森病模型小鼠肠道菌群与对照小鼠相比有明显改变，而高支链氨基酸饮食可以显著缓解小鼠的运动障碍和神经病理改变。该成果发表于Brain Behavior and Immunity上[2]。
(资料图)
研究者们使用了一种经典的药物帕金森病模型：口服鱼藤酮小鼠模型。鱼藤酮是一种脂溶性药物，外周给药后可透过血脑屏障作用于中枢。这种模型造模时间短，能够特异性的导致黑质区多巴胺能神经元死亡，还能够模拟出α-突触核蛋白（α-Syn）聚集的病理表现[3]。研究者们选择口服给药，可以同时造成中枢神经系统和胃肠道的病理改变，便于观察肠道菌群在帕金森病中发挥的作用。
在实验过程中，小鼠按30mg/kg的剂量被每天喂食鱼藤酮一次，持续4周。分别选取喂食0周（对照），喂食3周和喂食4周的时间点进行观察，分别收集小鼠肠道菌群变化、血清中氨基酸含量变化和帕金森病相关行为学及病理改变。
研究发现，在服用鱼藤酮4周后，小鼠出现了明显的肠道功能障碍（便秘、粪便含水量下降），运动障碍（转轴和爬杆实验结果显著差异）和病理学改变（黑质区多巴胺能神经元死亡）。在服药3周和4周的小鼠肠道组织中均检测到了磷酸化α-Syn（病理蛋白），而在服药4周的小鼠脑中也开始出现了磷酸化α-Syn。
与此同时，服用鱼藤酮后，小鼠的肠道菌群也发生了显著变化。
在口服鱼藤酮3周后，厚壁菌门的比例显著提高，而拟杆菌门占比显著下降了，而在第4周时，厚壁菌门的占比又有所下降，使得厚壁菌门/拟杆菌门的比值在第3周与0周相比上升了230%， 而在第4周与第3周时相比下降了51.6%。对菌群多样性进行分析时，对服用鱼藤酮0周、3周、4周小鼠的肠道菌群进行比较，发现0周和4周的小鼠肠道菌群种类和分布的差异最明显，而且不同菌属的集群分析也发现，肠道菌群随服药时间动态变化。
这提示肠道菌群的改变与药物作用时间密切相关。
图示服用鱼藤酮后0周、3周、4周小鼠肠道菌群变化
接下来利用机器学习算法建立的预测模型也证实了这一点。机器学习算法对服药0周和4周的小鼠肠道菌群测拟合度达到92.41%，而区分3周和4周的肠道菌群变化的拟合度达到86.06%。
肠道菌群的改变往往意味着代谢产物发生变化，这些代谢产物是最终影响神经系统的关键。接下来研究者们对小鼠血清中的19种氨基酸进行了检测，发现亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸三种氨基酸在服药四周的小鼠中下降。对代谢通路进行分析后发现，这三种氨基酸的降解代谢增加，合成代谢减少。
图示服用鱼藤酮4周小鼠血清氨基酸代谢改变
亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，统称支链氨基酸（BCAA），都是人体的必需氨基酸。那么，小鼠出现的严重病理表现是否和药物作用后这三种氨基酸减少有关呢？
研究者们通过口服补充BCAA的方式，尝试对服用鱼藤酮的小鼠进行治疗。在服用鱼藤酮前4周，研究者们就开始对小鼠进行高BCAA食物饲养，结果发现与普通饮食饲养小鼠相比，高BCAA饮食小鼠的便秘情况得到改善，在爬杆实验和转轴试验中运动障碍恢复，黑质区多巴胺能神经元死亡也得到了显著改善。
在口服鱼藤酮后，小鼠结肠和大脑黑质区的TNF-α，IL-1β和IL-6，三种炎症因子前体蛋白水平显著升高，而经过高BCAA饮食治疗后三种炎症因子的水平也显著下降了。
图示对照组（control），口服鱼藤酮组（Rotenone）和经过高支链氨基酸治疗的口服鱼藤酮组（Rotenone+ high BCAA）多巴胺能神经元死亡情况变化
大家可能会奇怪，单纯补充了几种氨基酸怎么就能带来这么显著的变化呢？
首先，帕金森病主要累及黑质区多巴胺能神经元的一个原因就是黑质区的能量需求较高，当机体能量供应不足时，黑质区就会首先受累[4]，而支链氨基酸的分解代谢可以作为三羧酸循环的补充为细胞提供能量，所以帕金森病模型小鼠中几种支链氨基酸含量的下降可能就是因为能量需求的增加[5]。补充支链氨基酸可能缓解了能量供应不足从而挽救了黑质区多巴胺能神经元的死亡。
另外，补充支链氨基酸后，小鼠的肠道和大脑中炎症反应都下降了，而炎症反应也是帕金森病重要的病因之一。支链氨基酸对于炎症反应的调节机制还有待进一步探究，可能与调节免疫细胞增殖有关。
口服鱼藤酮的小鼠帕金森病模型虽然可以模拟出帕金森病过程中的很多病理特征，但依然不能与自然发生的帕金森病相比。这篇文章的结果不禁让人好奇，帕金森病患者中是否也存在类似的肠道菌群和氨基酸代谢的改变。如果BCAA的疾病保护作用可以在人类身上实现，那无疑可以为帕金森病的预防和治疗带来突破。
参考文献
[1] Ahn IS, Yoon J, Diamante G, Cohn P, Jang C, Yang X. Disparate Metabolomic Responses to Fructose Consumption between Different Mouse Strains and the Role of Gut Microbiota. Metabolites. 2021;11(6):342. Published 2021 May 26. doi:10.3390/metabo11060342
[2] Yan Z, Yang F, Sun L, et al. Role of gut microbiota-derived branched-chain amino acids in the pathogenesis of Parkinson"s disease: An animal study. Brain Behav Immun. 2022;106:307-321. doi:10.1016/j.bbi.2022.09.009
[3] Chia SJ, Tan EK, Chao YX. Historical Perspective: Models of Parkinson"s Disease. Int J Mol Sci. 2020;21(7):2464. Published 2020 Apr 2. doi:10.3390/ijms21072464
[4] Subramaniam SR, Chesselet MF. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in Parkinson"s disease. Prog Neurobiol. 2013;106-107:17-32. doi:10.1016/j.pneurobio.2013.04.004
[5] Liu S, Li L, Lou P, et al. Elevated branched-chain α-keto acids exacerbate macrophage oxidative stress and chronic inflammatory damage in type 2 diabetes mellitus. Free Radic Biol Med. 2021;175:141-154. doi:10.1016/j.freeradbiomed.2021.08.240
