《Gut Microbes》：Simulated microgravity induces cerebral dysfunction by disturbing protective microbiota-metabolite-microglia signaling across the gut?brain axis
編輯推薦：
本篇研究通過大鼠模擬微重力模型，揭示了長期微重力暴露通過擾亂腸-腦軸通訊誘發認知障礙的新機制。研究發現，微重力導致腸道菌群失調，以變形菌門（Proteobacteria）增殖為特征，并加速消耗具有神經保護作用的代謝物亞油酸（LA），進而打破中樞神經系統內LA依賴的免疫穩態。LA的缺失促進海馬區小膠質細胞的STAT1信號通路活化，驅動神經炎癥并損害突觸可塑性，最終導致焦慮樣行為和認知缺陷。研究提出，膳食補充LA可通過抑制STAT1磷酸化，重塑小膠質細胞表型并改善腦功能，為航天員在軌腦健康防護提供了全新的潛在干預策略。
模擬微重力通過擾亂保護性菌群-代謝物-小膠質細胞信號跨腸-腦軸誘發腦功能障礙
引言
長期載人航天飛行中，微重力環境對宇航員健康構成重大挑戰，尤其在任務后恢復期常出現操作能力下降等腦功能問題，其具體機制尚未闡明。腸-腦軸在調控中樞神經系統功能中扮演關鍵角色。宇航員的胃腸道問題是航天飛行期間第三常見的醫療事件，而真實航天及地面模擬微重力研究均揭示了人類和嚙齒類動物存在腸道菌群失調和宿主代謝改變。因此，研究者推測，微重力引起的腸道菌群及其代謝物紊亂，可能通過長期調控小膠質細胞激活，影響宇航員腦功能。本研究旨在探索微重力如何通過微生物群-代謝物-小膠質細胞信號軸導致腦功能障礙。
長期SMG通過破壞突觸可塑性誘發腦功能障礙
研究團隊利用后肢卸載法建立為期28天的大鼠模擬微重力模型，并設置水平尾部懸吊作為正常重力對照組。行為學測試結果顯示，SMG組大鼠在曠場實驗中的總運動距離、中心區運動距離均顯著減少，在中心區停留時間百分比降低；在高架十字迷宮實驗中，開放臂停留時間百分比及開放臂運動距離也顯著減少；在Y迷宮測試中，新異臂停留時間百分比及總距離、新異臂距離均下降。這些結果表明SMG能誘發大鼠出現焦慮樣行為和空間工作記憶障礙等腦功能障礙表型。
為探究機制，研究人員檢測了海馬區的病理變化。qRT-PCR結果顯示，SMG組海馬促炎細胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6和CCL3的轉錄水平顯著上調，表明SMG激活了海馬神經炎癥。免疫印跡分析顯示，SMG組海馬突觸后致密蛋白93和95的表達受到抑制。透射電鏡觀察進一步證實，SMG嚴重損害了海馬區突觸超微結構，表現為突觸密度和突觸后膜厚度顯著降低。此外，通過側腦室注射氯膦酸鹽脂質體清除小膠質細胞，顯著改善了SMG誘導的運動活動減少和探索行為缺陷，表明炎癥性小膠質細胞參與了SMG誘導的病理過程。綜上，SMG通過促進海馬神經炎癥和損害神經可塑性誘發腦功能障礙，且這些病理效應在重力狀態恢復至正常后依然持續。
長期SMG損害腸道屏障并影響菌群多樣性
SMG預處理后，大鼠結腸組織出現輕度結腸炎特征，包括中度黏膜炎性細胞浸潤、杯狀細胞數量顯著減少、黏膜下層增寬和隱窩深度縮短。結腸組織中促炎因子轉錄水平顯著升高。免疫熒光分析顯示，維持腸道上皮屏障完整性的關鍵緊密連接蛋白ZO-1和OCCLUDIN的表達在SMG組顯著降低，證實腸道屏障受損。
對腸道微生物進行16S rRNA測序分析發現，與NG組相比，SMG組物種豐富度和均勻度下降。α多樣性分析顯示ACE和Chao1指數降低，β多樣性主坐標分析也顯示兩組間微生物群落存在明顯分離。在門水平上，SMG消耗了有益共生菌（厚壁菌門和擬桿菌門），并富集了促炎類群（脫硫桿菌門和變形菌門）。LEfSe分析正式將變形菌門確定為SMG處理后富集的特征性菌門。這些發現表明，長期SMG可導致以屏障破壞為特征的腸道功能障礙和以促炎變形菌擴張為特征的腸道菌群失調，且這種不利狀態在“著陸后”無法快速恢復。
糞菌移植在NG條件下重現SMG的行為與認知表型
為確認腸道菌群在微重力誘導腦功能障礙中的作用，研究將來自SMG預處理大鼠的糞便通過為期14天的糞菌移植方案移植給NG條件下的受體大鼠。結果顯示，FMT-SMG組大鼠在曠場、高架十字迷宮和Y迷宮測試中表現出與原始SMG模型高度一致的行為異常，包括焦慮樣行為和輕度認知障礙。qRT-PCR分析顯示，FMT-SMG組大鼠海馬區促炎細胞因子轉錄水平顯著上調。免疫印跡分析進一步揭示，與FMT-NG組相比，FMT-SMG組海馬PSD93和PSD95蛋白表達降低，表明SMG相關的腸道菌群失調加劇神經炎癥，損害海馬突觸可塑性。此外，血常規檢測顯示FMT-SMG組中性粒細胞百分比顯著增加，提示全身性炎癥反應被激活。
對受體大鼠腸道菌群的16S rRNA測序分析表明，FMT-SMG組微生物群組成與原始SMG模型相似，變形菌門富集。KEGG通路分析顯示，FMT-SMG組的優勢細菌顯著富集于脂質代謝、核苷酸代謝等通路。同時，FMT-SMG處理加劇了局部腸道炎癥，并導致緊密連接蛋白表達顯著降低，加重了黏膜屏障損傷。這些發現證實，腸道菌群失調可能是長期SMG誘導腦功能障礙發病機制的關鍵介質。
促炎性變形菌在SMG條件下加速消耗保護性亞油酸
為了解SMG誘導的神經炎癥是否與代謝失調有關，研究對NG和SMG大鼠的糞便樣本進行了非靶向液相色譜-串聯質譜代謝組學分析。正交偏最小二乘判別分析和主坐標分析均證實SMG誘導了特定的代謝表型改變。差異代謝物分析發現，SMG組中有241種代謝物上調，439種下調。KEGG通路分析顯示，脂質代謝通路顯著富集，其中亞油酸代謝和類固醇激素生物合成是主要改變的途徑。
靶向分析發現，SMG處理后，四種LA下游衍生物13(S)-HpODE、9, 10-DiHOME、9, 10, 13-TriHOME和9, 12, 13-TriHOME的水平顯著降低。這些衍生物均屬于TriHOME化學家族。海馬組織的絕對定量代謝組學分析也證實，SMG暴露降低了LA及其衍生物水平，提示腸道菌群來源的LA及其衍生物可能通過腸-腦軸調節中樞代謝穩態，其下調可能促發SMG誘導的認知障礙和神經炎癥。
斯皮爾曼相關性分析顯示，LA衍生物與促炎菌屬Massilia和銅綠假單胞菌呈負相關。體外共培養實驗進一步表明，與大腸桿菌相比，銅綠假單胞菌在對數生長期對LA的攝取更快，在穩定期消耗的LA也顯著更多。這些結果表明，在SMG改變的腸道微環境中，銅綠假單胞菌等致病性變形菌的過度增長與LA衍生物的消耗模式異常同步。
口服補充LA通過增強海馬突觸可塑性改善SMG誘導的腦功能障礙
鑒于腸道促炎菌對LA的消耗與SMG誘導的腦損傷同時發生，研究通過給大鼠飼喂含10% LA的特殊飼料進行了為期兩個月的口服LA補充干預。LC-MS證實，補充LA組大鼠海馬中LA水平顯著高于對照組，表明外源性LA可以穿過血腦屏障并在中樞神經系統積累。
行為測試顯示，LA補充部分逆轉了SMG誘導的行為缺陷。LA補充組大鼠在曠場實驗中心區的探索活動、高架十字迷宮開放臂的運動距離均有所增加，Y迷宮新異臂探索活動也有增加趨勢。同時，在FMT-SMG模型中，補充LA同樣改善了行為學表型，并降低了結腸和海馬中炎癥相關因子的轉錄水平，恢復了海馬區下調的突觸可塑性蛋白PSD93和PSD95的表達，并抑制了升高的STAT1及其磷酸化水平。
轉錄組PCR陣列分析顯示，LA補充下調了海馬中19種炎癥細胞因子和受體基因的表達，表明其抗炎作用。血常規檢測也顯示LA補充降低了SMG誘導的中性粒細胞百分比升高，緩解了全身性炎癥。qRT-PCR和免疫印跡分析證實，LA補充促進了海馬中多種神經營養因子、CaMK家族、AMPA受體及皮層發育因子的表達。高爾基染色直接顯示，LA補充恢復了海馬各亞區神經元的樹突長度和樹突棘密度。透射電鏡觀察還發現，LA補充顯著改善了SMG導致的腸道上皮結構損傷。這些數據表明，膳食補充LA可恢復被變形菌消耗的保護性代謝物，減輕神經炎癥，并伴隨突觸完整性和腦功能的改善。
LA給藥增強SMG大鼠模型海馬CA1錐體神經元的興奮性
為進一步探究LA如何改善SMG后大鼠腦功能，研究人員應用全細胞膜片鉗技術評估了海馬CA1錐體神經元的電活動。結果顯示，與NG組相比，SMG組靜息膜電位絕對值減小，產生動作電位所需的最小電流（基強度）增加，表明SMG損傷了海馬CA1錐體神經元的興奮性。在相同注入電流下，SMG組誘導的動作電位數量少于NG組。LA口服給藥挽救了SMG誘導的大鼠海馬神經元興奮性降低。微型興奮性突觸后電流記錄顯示，SMG組mEPSC的頻率顯著降低，而振幅未變，提示自發性條件下突觸前信號減少。LA給藥部分提高了mEPSC的頻率，但未觸發振幅變化。綜上，SMG影響了大鼠海馬CA1錐體神經元的功能，而LA給藥可部分恢復SMG相關的神經元興奮性減弱。
LA通過結合并抑制STAT1在Tyr 701和Ser 727位點的磷酸化來抑制炎癥性小膠質細胞激活
為闡明LA發揮神經保護作用的機制，研究使用重力控制器在體外產生了10-3G的模擬微重力環境。細胞活性篩選表明，0-100 μM濃度的LA適用于小膠質細胞系BV2的功能研究。RNA測序分析顯示，LA給藥顯著下調了疾病相關小膠質細胞標記物、多種促炎指標的表達，同時增強了抗炎基因的表達，表明LA重塑了小膠質細胞的極化模式以減輕神經炎癥。KEGG通路富集分析揭示了與死亡或存活相關通路的變化。
免疫熒光實驗證實，SMG誘導的CD68表達增強可被LA補充顯著逆轉。同時，LA干預顯著減弱了有害的活性氧產生。鑒于STAT1及其磷酸化形式是神經炎癥促炎反應的關鍵調節因子，研究人員檢測了總STAT1和磷酸化STAT1的蛋白水平。免疫印跡分析顯示，LA給藥顯著降低了SMG條件下海馬組織中t-STAT1和p-STAT1 (Tyr 701)的表達水平。同樣，LA補充也逆轉了SMG處理的BV2細胞中t-STAT1、p-STAT1 (Tyr 701)和p-STAT1 (Ser 727)表達的增加。使用STAT1抑制劑氟達拉濱的實驗表明，LA的抗炎作用與STAT1通路抑制有關，且兩者聯合使用未顯示出協同效應。
分子對接分析揭示了LA與STAT1的結合模式，顯示LA與STAT1上的精氨酸殘基（Arg 321）之間形成了氫鍵。表面等離子體共振實驗進一步表征了相互作用動力學，證實了LA與STAT1之間存在劑量依賴性的特異性分子相互作用。這些結果表明，LA通過直接結合STAT1并抑制其磷酸化，減輕了SMG誘導的炎癥性小膠質細胞激活和氧化損傷。
討論與結論
本研究通過FMT實驗證實了腸道菌群失調在SMG相關腦病中的作用，并揭示了變形菌過度消耗保護性代謝物LA，從而破壞中樞神經系統LA依賴的免疫穩態的機制。即使重力恢復正常，這種消耗也會誘發腦功能障礙。口服LA能限制STAT1介導的小膠質細胞激活，挽救海馬突觸可塑性損傷，促進從SMG向NG重力轉換過程中腦功能的恢復。
研究指出，變形菌門的過度增長與多種神經系統疾病相關，并能破壞腸道屏障完整性，促進有害代謝物易位。在微重力環境下，變形菌的富集消耗了具有神經保護作用的LA及其衍生物。LA及其衍生物能穿透血腦屏障，通過改善神經元功能、重塑小膠質細胞穩態發揮神經保護作用。本研究發現LA通過直接結合并抑制STAT1磷酸化，將SMG激活的小膠質細胞推向靜止狀態。此外，LA還能改善黏膜屏障功能。NASA雙胞胎研究也觀察到宇航員外周血免疫細胞中STAT1表達顯著增加，這與本研究在SMG小膠質細胞中的發現高度一致。
本研究闡明了腸-腦軸在微重力誘導腦功能障礙中的作用。同時，微重力也可能通過誘發外周免疫系統功能障礙、系統性炎癥水平升高以及氧化應激等機制獨立或協同地調節中樞神經系統功能。LA可能通過改善外周免疫細胞功能和增強機體抗氧化能力來協同增強這些保護作用，這一潛在機制有待后續實驗驗證。
總之，本研究揭示SMG通過促進腸道促炎變形菌增殖，加速LA消耗，破壞腸道屏障完整性。這削弱了LA介導的對小膠質細胞STAT1磷酸化的抑制，從而驅動其促炎極化并加劇神經炎癥。SMG誘導的LA消耗可能與微重力相關的腦功能障礙密切相關。在SMG條件下膳食補充LA可通過重建海馬免疫穩態和減輕突觸損傷來改善腦功能。這些發現表明，“微生物群-代謝物-小膠質細胞”軸可能是保護微重力條件下腦健康的潛在靶點。值得注意的是，LA補充作為航天應用的潛在對策，仍需在劑量優化、綜合安全性評估及多模型驗證等方面進行深入研究，以推動其向臨床應用的轉化開發。
