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科研简讯
9月6日，西安交通大学第一附属医院脑科学团队王强教授课题组在《肠道微生物（Gut Microbes）》杂志（2023 IF:12.2）发表题为“Akkermansia muciniphila supplementation prevents cognitive impairment in sleep-deprived mice by modulating microglial engulfment of synapses”的研究论文，揭示了在睡眠剥夺（sleep deprivation，SD）小鼠模型中，肠道菌群紊乱刺激小胶质细胞对海马突触蛋白的过度吞噬导致认知功能损伤，补充A. muciniphila通过增加短链脂肪酸（SCFAs）产生，调节小胶质细胞吞噬功能进而改善SD诱导的认知功能损伤，为SD诱导的认知功能损伤的防治提供了新靶点与新策略。
研究背景
睡眠障碍，尤其是失眠在人群中的发生率高达1/3。长期失眠可造成不可逆的认知功能损伤。研究显示，睡眠剥夺（sleep deprivation，SD）可引起认知功能下降，并伴有肠道菌群改变。微生物-肠-脑轴在许多神经系统疾病的发生中起关键作用，包括认知功能障碍。然而，肠道菌群在SD诱导的认知功能障碍中的作用及其机制目前尚不清楚。
小胶质细胞作为大脑中主要的固有免疫细胞，其突触修剪和消除在记忆的形成和遗忘中发挥重要作用。有研究指出SD可诱导小胶质细胞激活，可能有认知功能障碍有关。然而，小胶质细胞激活和肠道菌群紊乱之间有何种关系及其在SD诱导的认知功能障碍中发挥何种作用未见报道。
研究发现
针对上述科学问题，研究团队首先采用抗生素联合处理干扰小鼠肠道菌群，在此基础上构建了SD小鼠模型，发现与正常睡眠的小鼠比较，SD小鼠表现出了明显的认知功能减退，而抗生素处理会进一步加重SD小鼠的认知功能损伤（图1）。由此说明，肠道菌群紊乱可能在SD诱导的认知功能障碍中发挥重要作用。
图1. 扰乱肠道菌群可加重睡眠剥夺小鼠的认知功能障碍
那么SD小鼠来源的肠道菌群是否在认知功能损伤中发挥重要作用呢？团队采用粪便微生物移植（FMT）将SD小鼠和正常睡眠小鼠的粪便微生物移植到健康小鼠的肠道内，结果发现（图2），接受了SD小鼠粪便微生物的健康小鼠表现出了学习记忆能力的显著下降。由此说明，SD可能通过诱导肠道菌群紊乱，进一步导致认知功能损伤。
图2. 睡眠剥夺小鼠来源的肠道微生物诱导健康小鼠出现认知功能损伤
在此基础上，为探究肠道菌群紊乱如何诱导认知功能损伤，团队使用16s rRNA技术检测了SD和正常睡眠小鼠粪便微生物的组成，发现SD小鼠肠道菌群的组成发生了明显改变，且菌属Akkermansia muciniphila（AKK）的丰度显著降低，后续研究聚焦于AKK菌（图3）。
图3. 睡眠剥夺诱导小鼠肠道菌群紊乱，AKK丰度降低
团队通过灌胃给小鼠补充AKK菌，并建立SD模型，结果发现，补充AKK可显著提高SD小鼠的认知功能损伤（图4）。
图4. 补充AKK可减轻 睡眠剥夺 诱导的小鼠认知功能障碍
那么，AKK是如何改善SD诱导的认知功能损伤呢？团队使用蛋白免疫印迹和免疫荧光染色的技术检测了小鼠海马中突触蛋白SYP、VGLUT1和PSD95的表达水平和密度，结果显示补充AKK显著缓解了SD小鼠海马齿状回突触蛋白的丢失（图5）。
图5. 补充AKK可改善SD诱导的突触蛋白丢失
那么，小胶质细胞在SD小鼠中是否介导突触蛋白的丢失呢？结果显示（图6），与对照组比较，SD小鼠海马齿状回Iba1+阳性细胞数明显增多，C1q的面积百分比明显上升，CD68在小胶质细胞内的积聚显著增多，且小胶质细胞对SYP的吞噬也明显增加，补充AKK可有效逆转上述改变。由此说明，补充AKK可有效抑制小胶质细胞过度活化和突触吞噬功能。
图6. 补充AKK抑制睡眠剥夺小鼠海马区小胶质细胞的过度激活和突触吞噬功能
肠道菌群很难跨过血脑屏障，那么AKK是如何发挥上述保护作用的呢？结合既往文献可知AKK在代谢性疾病中发挥重要作用，为此研究团队检测了小鼠血清代谢产物的变化，结果显示（图7），SD小鼠血清短链脂肪酸（SCFAs）——乙酸和丁酸浓度明显降低，补充AKK可显著升高SCFAs浓度，且SCFAs水平和小鼠对新物体的探索时间呈正相关。进一步，给小鼠补充SCFAs，发现可明显改善SD小鼠的认知功能损伤。
图7. 补充AKK逆转睡眠剥夺小鼠血清SCFAs降低
最后，研究团队在体外构建了神经元/小胶质细胞共培养体系，利用LPS刺激模拟SD诱导的炎症反应，并使用SCFAs预处理，证实了SCFAs可通过抑制小胶质细胞激活和过度吞噬，进而防止神经元突触丢失（图8）。
图8. SCFAs通过抑制小胶质细胞过度吞噬防止神经元突触丢失
图9. 肠道菌群参与睡眠剥夺认知功能损伤的新机制
综上所述，本研究首次明确了肠道菌群在小鼠慢性SD诱导的认知功能损伤中所发挥的作用，并定位至单一菌株，证实了AKK菌株移植有利于改善SD小鼠的认知功能障碍，并对其潜在的机制进行了初步的阐述。此外，研究还发现了SCFAs在抑制小胶质细胞过度活化保护神经元中的作用（图9）。研究的结果可能为与SD或其他神经系统疾病相关的认知功能障碍的治疗和预防提供了新的策略。
研究团队
西安交通大学第一附属医院博士研究生李娜为本文的第一作者，王强教授和徐晶助理研究员为论文通讯作者，西安交通大学第一附院医院为第一完成单位。本研究得到了国家自然科学基金（81974540、82274290、82101346）、陕西省重点研究与发展计划（2022ZDLSF02-09）、陕西省科技创新团队（20201TD-58）等项目资助。
西安交通大学第一附院医院麻醉手术部是国家重点临床专科，其实验室脑科学研究中心是陕西省中医药管理局-脑功能调节重点实验室，麻醉手术部在2021年中国医院科技量值排名（STEM）中位列第17名。王强教授团队长期致力于围术期脑功能调节与转化研究、围术期器官功能保护的机制及转化医学研究，在2021年的“麻醉学专家国际论文学术影响力百强榜”中排名第10位。近5年来团队先后获得国家自然基金面上项目、青年项目、陕西省重点产业链及陕西省创新团队等国家级和省部级项目40余项支持。近五年在Autophagy、Biomaterials、eBioMedicine、Gut Microbes、Journal of Advanced Research、Stroke、British Journal of Anaesthesia等杂志发表SCI论文120余篇。
文章链接https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19490976.2023.2252764
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