基于“肠-脑轴”理论探讨固本健脑液调控Aβ沉积防治AD的作用机制

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目的:
  阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)为一种常见的多因素导致的中枢神经系统退行性疾病,目前临床已证实针对单靶点的多种抗AD新药治疗无效,而中药具有多靶点药理学活性的优势,因此寻求防治AD有效的中医治法和经典方药具有非常重要的意义。基于此本研究使用固本健脑液干预APP/PS1双转基因AD模型小鼠,观察该方对肠道菌群、肠道通透性以及海马相关指标的影响。接着构建伪无菌小鼠模型,将固本健脑液干预组小鼠粪便处理后移植到伪无菌小鼠体内,以期观察固本健脑液是否通过改善肠道菌群从而影响Aβ的沉积,进一步探讨固本健脑液治疗AD的作用机制,以期能为临床防治痴呆提供新思路。
  方法:
  1.理论探讨:进行文献研究,整理中医学从后天之本脾胃认识老年性痴呆的理论以及脾胃学说与肠道菌群之间的相关性研究,在此基础上系统阐述固本健脑液对AD的治疗机理。
  2.实验研究:实验一:取6月龄APP/PS1小鼠50只随机分为5组,分别为模型组(Model)、固本健脑液高(RSBFL-H)、中(RSBFL-M)、低(RSBFL-L)剂量组,等月龄基因阴性C57BL/6J小鼠作为空白对照组(Control),每组10只。以2ml/100g/d剂量分别给予各药物干预组相应的固本健脑液灌胃,Control组和Model组给予等容积的纯水灌胃,连续灌胃12周。使用Morris水迷宫实验评价各组小鼠学习记忆能力;采用HE染色观察各组小鼠结肠组织形态以及海马神经元形态;应用免疫组化观察各组小鼠结肠紧密连接蛋白Occludin、Zo-1的表达,观察各组小鼠海马DG区GDNF、GFRα-1表达;应用WesternBlot检测各组小鼠结肠Zo-1、occludin的表达,检测海马βAPP、Aβ1-42、BDNF、TrKB的表达;应用RealTime-PCR检测各组小鼠海马GDNF、GFRα-1mRNA的表达;应用16SrRNA技术对各组小鼠粪便进行高通量测序,检测各组小鼠肠道菌群差异。
  实验二:取6月龄APP/PS1小鼠30只,饮用含有四种抗生素的无菌水(氨苄西林1g/L、硫酸新霉素1g/L、甲硝唑1g/L、万古霉素500mg/L)1周,建立伪无菌小鼠模型,10只同窝等月龄C57BL/6J小鼠作为空白对照组,随后应用16SrRNA技术对各组小鼠粪便进行高通量测序,评估造模效果。
  实验三:进行粪菌移植(FMT)实验,对伪无菌小鼠分别移植正常小鼠粪便(FMT-Control)、APP/PS1痴呆小鼠粪便(FMT-Model)、固本健脑液高剂量组小鼠粪便(FMT-RSBFL-H ),以及未处理的空白对照组(Control),每周一次,共移植8周。使用Morris水迷宫实验评价各组小鼠学习记忆能力;采用HE染色观察各组小鼠结肠组织形态以及海马神经元形态;应用免疫组化观察各组小鼠结肠紧密连接蛋白Occludin、Zo-1的表达,观察各组小鼠海马DG区GDNF、GFRα-1表达;应用WesternBlot检测各组小鼠结肠Zo-1、occludin的表达,检测海马βAPP、Aβ1-42、BDNF、TrKB的表达;应用RealTime-PCR检测各组小鼠海马GDNF、GFRα-1mRNA的表达;应用16SrRNA技术对各组小鼠粪便进行高通量测序,检测粪菌移植后各组小鼠肠道菌群差异。
  结果:
  1.实验一结果
  (1)Morris水迷宫结果
  与Control组相比,Model组小鼠逃避潜伏期、游泳总路程均有显著增加(P<0.01),穿越原平台次数和在目标象限停留时间都明显减少(P<0.01),首次抵达平台时间显著延长(P<0.01);与Model组比较,RSBFL-H组、RSBFL-M组、RSBFL-L组逃避潜伏期与游泳总路程均有不同程度降低,而穿越原平台次数和在目标象限停留时间都显著增加,首次抵达平台时间显著减少(P<0.01,P<0.05)。
  (2)HE染色结果
  与Control组相比,Model组小鼠海马DG区和CA3区神经元数量出现明显减少(P<0.01),结肠出现轻微水肿,肠上皮以及固有层内炎性细胞浸润,出现轻度炎症反应(P<0.01,P<0.05);与Model组比较,RSBFL-H组、RSBFL-M组、RSBFL-L组海马DG区和CA3区神经元数量出现不同程度增加(P<0.01,P<0.05),结肠肿胀程度均表现出明显下降,绒毛形态较完整且排列整齐,肠上皮仅出现轻度脱落,其中RSBFL-H组肠粘膜完整度要优于RSBFL-M组与RSBFL-L组(P<0.01)。
  (3)免疫组化实验结果
  与Control组对比,Model组小鼠海马DG区GDNF、GFRα-1表达降低,结肠Zo-1、occludin表达量呈明显降低,且分布也较稀疏(P<0.01);与Model组相比,RSBFL-H组和RSBFL-M组海马DG区GDNF、GFRα-1表达明显升高(P<0.05);RSBFL-L组与Model组相比,DG区中GDNF与GFRα-1表达改变不明显(P>0.05),而结肠Zo-1、occludin的表达RSBFL-H组、RSBFL-M组、RSBFL-L组呈现出不同程度升高趋势且分布较为密集(P<0.01,P<0.05)。
  (4)WesternBlot实验结果
  与Control组对比,Model组海马βAPP、Aβ1-42蛋白表达量都有明显升高,BDNF、TrKB蛋白表达量都有明显降低,结肠Zo-1、occludin蛋白表达量有明显降低(P<0.01);与Model组相比,RSBFL-H组、RSBFL-M组、RSBFL-L组小鼠海马βAPP、Aβ1-42蛋白表达都有不同程度降低,BDNF、TrKB蛋白表达都有不同程度升高,结肠Zo-1、occludin蛋白表达都有不同程度升高(P<0.01,P<0.05)。
  (5)RealTime-PCR实验结果
  与Control组对比,Model组海马GDNF、GFRα-1mRNA表达明显降低(P<0.01);与Model组相比,RSBFL-H组、RSBFL-M组、RSBFL-L组GDNF、GFRα-1mRNA表达有不同程度升高(P<0.01,P<0.05)。
  (6)16SrRNA检测结果
  与Control组相比,Model组的Simpson指数、Shannon指数和Chao1指数较Control组都呈现出下降趋势(P<0.05);与Model组相比,RSBFL-H组、RSBFL-M组、RSBFL-L组肠道Simpson指数、Shannon指数和Chao1指数均表现出不同程度的升高(P<0.05)。在对分别每一组小鼠肠道菌群分类水平差异的比较上,与Control组对比,Model组中拟杆菌门(Bacteroidetes)下调,变形菌门(Proteobacteria)上调(P<0.05);而RSBFL-H组、RSBFL-M组、RSBFL-L组的拟杆菌门上调(Bacteroidetes),变形菌门(Proteobacteria)下调(P<0.05)。在科、属分类水平上,与Control组对比,Model组中脱硫弧菌科(Desulfovibrionaceae)上调,乳杆菌科(Lactobacillaceae)下调(P<0.05);与Model组相比,RSBFL-H组、RSBFL-M组、RSBFL-L组脱硫弧菌科(Desulfovibrionaceae)都有不同程度的下调,乳杆菌科(Lactobacillaceae)都有不同程度上调(P<0.05);与Control组对比,Model组中幽门螺杆菌属(Helicobacter)上调,乳杆菌属(Lactobacillus)和拟杆菌属(Bacteroides)下调(P<0.05);与Model组相比,RSBFL-H组、RSBFL-M组、RSBFL-L组幽门螺杆菌属(Helicobacter)下调,而乳杆菌属(Lactobacillus)和拟杆菌属(Bacteroides)都有不同程度上调(P<0.05)。
  2.实验二结果
  结果显示在饮用1周抗生素水后GF组的Simpson指数、Shannon指数和Chao1指数较Control组都呈现出下降趋势,GF组与Control组相比差异有统计学意义(P<0.05);且GF组分别在门、纲、目、科、属等五个分类水平上肠道菌群的多样性以及丰富度都明显下降(P<0.05)。
  3.实验三结果
  (1)Morris水迷宫结果
  与Control组相比,FMT-Model组小鼠逃避潜伏期以及游泳总路程均有显著增加(P<0.01),小鼠穿越原平台次数和在目标象限停留时间都明显减少(P<0.01),首次抵达平台时间显著延长(P<0.01);与FMT-Model组相比,FMT-Control组、FMT-RSBFL-H组小鼠逃避潜伏期与游泳总路程均降低(P<0.05),穿越原平台次数和在目标象限停留时间都显著增加(P<0.05),首次抵达平台时间显著减少(P<0.05)。
  (2)HE染色结果
  与Control组相比,FMT-Model组小鼠海马DG区和CA3区神经元数量出现明显减少(P<0.01),而FMT-Model组小鼠结肠表现出轻微水肿表现,肠上皮以及固有层内的炎性细胞浸润有轻度炎症反应(P<0.01);与FMT-Model组比较,FMT-Control组、FMT-RSBFL-H组海马DG区和CA3区神经元数量出现明显增加(P<0.05),结肠肿胀程度有明显下降,肠上皮仅出现轻度脱落,绒毛形态较完整(P<0.05)。
  (3)免疫组化实验结果
  与Control组对比,FMT-Model组海马组织中GDNF与GFRα-1表达降低(P<0.01),结肠组织中Zo-1、occludin表达量呈明显降低,且分布也较稀疏(P<0.01);与FMT-Model组相比,FMT-Control组、FMT-RSBFL-H组海马组织中GDNF与GFRα-1表达明显升高(P<0.05),而结肠组织中Zo-1、occludin表达呈现明显升高趋势且分布较为密集(P<0.05)。
  (4)WesternBlot实验结果
  与Control组对比,FMT-Model组海马βAPP、Aβ1-42蛋白表达量都有明显升高,海马BDNF、TrKB蛋白表达量都有明显降低(P<0.01),结肠Zo-1、occludin蛋白表达量都有明显降低(P<0.01);与FMT-Model组相比,FMT-Control组、FMT-RSBFL-H组小鼠海马βAPP、Aβ1-42蛋白表达都有不同程度降低,BDNF、TrKB蛋白表达都有不同程度升高(P<0.01,P<0.05),结肠Zo-1、occludin蛋白表达都有不同程度升高(P<0.01,P<0.05)。
  (5)RealTime-PCR实验结果
  与Control组对比,FMT-Model组海马GDNF、GFRα-1mRNA表达明显降低(P<0.01);与FMT-Model组相比,FMT-Control组、FMT-RSBFL-H组GDNF、GFRα-1mRNA表达有不同程度升高(P<0.05)。
  (6)16SrRNA检测结果
  结果显示FMT-Model组的Simpson指数、Shannon指数和Chao1指数较Control组都呈现出下降趋势,FMT-Model组与Control组相比差异有统计学意义(P<0.05)。与FMT-Model组相比,FMT-Control组、FMT-RSBFL-H组肠道Simpson指数、Shannon指数和Chao1指数均表现出不同程度的升高(P<0.05);在对分别每一组小鼠肠道菌群分类水平差异的比较上,与Control组对比,FMT-Model组中拟杆菌门(Bacteroidetes)下调,变形菌门(Proteobacteria)上调,脱硫弧菌科(Desulfovibrionaceae)上调,乳杆菌科(Lactobacillaceae)下调,幽门螺杆菌属(Helicobacter)上调,乳杆菌属(Lactobacillus)和拟杆菌属(Bacteroides)下调(P<0.05);与FMT-Model组相比,FMT-Control组、FMT-RSBFL-H组拟杆菌门上调(Bacteroidetes),变形菌门(Proteobacteria)下调,脱硫弧菌科(Desulfovibrionaceae )都有不同程度的下调,乳杆菌科(Lactobacillaceae)都有不同程度上调,幽门螺杆菌属(Helicobacter)下调,而乳杆菌属(Lactobacillus)和拟杆菌属(Bacteroides)都有不同程度上调(P<0.05)。
  结论:
  (1)AD的发病与后天之本脾胃关系密切,而脾胃与肠道菌群之间又相互影响,因此AD的治疗可从脾胃入手;
  (2)固本健脑液能够改变APP/PS1小鼠肠道菌群的丰度和多样性;
  (3)固本健脑液能改善APP/PS1小鼠的学习记忆能力,逆转痴呆模型小鼠海马神经元凋亡、减少Aβ沉积以及改善痴呆模型小鼠结肠通透性的增加,改善肠道炎症;
  (4)通过粪菌移植实验,结果发现移植固本健脑液高剂量组小鼠粪便后能够使受试组小鼠成功的复制原固本健脑液高剂量组(RSBFL-H组)的肠道菌群结构,且粪菌移植后同样能改善APP/PS1小鼠的学习记忆能力,逆转痴呆模型小鼠海马神经元凋亡、减少Aβ沉积以及改善肠道炎症,证明了固本健脑液改善Aβ沉积、抑制神经元凋亡从而达到逆转AD的发病是通过改善肠道菌群并通过调节“脑-肠轴”来实现的。
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