工程化产丁酸酵母通过协同作用改善阿尔茨海默病相关表型

本刊推荐：针对阿尔茨海默病(AD)缺乏有效疗法的难题，研究者开发了工程化产丁酸酵母J17。研究表明J17能有效恢复AD模型小鼠血液和脑内丁酸水平，改善认知障碍，减少Aβ沉积和小胶质细胞过度活化，其作用机制涉及抑制BACE1介导的APPβ-剪切和调节肠道菌群。该研究为AD治疗提供了新型微生物疗法策略。

当人类寿命不断延长，阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)已成为困扰全球的公共卫生挑战。这种最常见的神经退行性疾病以进行性认知衰退为特征，目前缺乏有效治疗方法。AD的神经病理特征包括细胞外淀粉样斑块、神经纤维缠结、神经炎症和神经元丢失。其中，淀粉样蛋白β(amyloid β, Aβ)作为淀粉样斑块的主要成分，其异常沉积被认为是AD发病的核心环节。Aβ是由淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, APP)经β-分泌酶BACE1和γ-分泌酶顺序切割产生。当APP加工过程失调，Aβ生成增加，同时小胶质细胞清除功能受损，共同导致Aβ沉积。更棘手的是，Aβ沉积又会激活小胶质细胞，引发神经炎症反应，形成恶性循环。

近年来，肠道菌群及其代谢产物在AD发病中的作用日益受到关注。在众多微生物代谢产物中，丁酸(butyrate)展现出对AD的潜在益处。然而，如何提高丁酸的生物利用度是实现其临床应用的关键挑战。为了解决这一难题，研究团队另辟蹊径，开发了一种工程化的产丁酸酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株J17。这种酵母益生菌有望通过丁酸补充和底盘益生功能的协同作用，改善AD相关表型。

为验证这一创新策略，研究人员首先检测了AD模型小鼠APP23/PS45中丁酸水平的变化。结果显示，与野生型(WT)小鼠相比，AD模型小鼠血液和脑内的丁酸水平分别显著降低至53.99±6.90%和28.92±2.92%，这一现象与AD患者及其他两种AD模型小鼠(APP/PS1和3xTg)中的发现一致。引人注目的是，J17干预成功恢复了AD小鼠血液和脑内的丁酸水平，而底盘菌株BY4741则无此效果。

在认知功能评估方面，J17表现出显著改善效果。莫里斯水迷宫(Morris water maze, MWM)测试中，可见平台试验第一天四组小鼠的逃避潜伏期无差异。在随后四天的隐藏平台试验中，J17处理的AD小鼠逃避潜伏期显著缩短，第五天时从50.20±6.64秒降至27.82±5.86秒，与野生型小鼠水平(30.01±4.70秒)相当。在最后一天的探查试验中，J17处理的AD小鼠在目标象限的游泳距离也显著长于未处理的AD小鼠。值得注意的是，BY4741处理的AD小鼠也表现出改善趋势，但无统计学显著性。这些结果证明J17能挽救AD小鼠的学习记忆缺陷。

对Aβ沉积的进一步分析显示，J17显著减少了AD小鼠皮层和海马中Aβ斑块的数量和面积。在皮层，斑块数量从10.06±3.21/mm²降至5.70±2.20/mm²，面积从1.44±0.43%降至0.68±0.13%；在海马，数量从7.31±1.57/mm²降至4.03±1.64/mm²，面积从1.14±0.48%降至0.49±0.10%。BY4741处理组也观察到Aβ斑块减少趋势，但差异不显著。机制研究表明，J17通过降低APP、BACE1和CTFβ水平，抑制BACE1介导的APPβ-剪切，从而减少Aβ₄₂生成和斑块形成。

除减少Aβ生成外，增强Aβ清除也是J17的作用机制。研究发现J17减轻了AD小鼠小胶质细胞活化，表现为离子钙结合适配器分子1(Iba-1)染色减少。同时，J17将皮层中促炎细胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6水平分别降至74.85±15.56%、66.91±11.74%和71.45±14.29%，而抗炎细胞因子IL-10水平升至135.63±6.84%。海马区也观察到一致变化。这表明J17通过减轻小胶质细胞过度活化和神经炎症，促进小胶质细胞介导的Aβ清除。

此外，J17重塑了AD小鼠的肠道菌群，降低了炎症和神经毒性相关代谢物水平，表明J17有利于维持AD小鼠健康的肠道环境，这可能有助于缓解AD相关表型。

本研究主要采用了以下关键技术方法：使用APP23/PS45转基因AD模型小鼠进行干预研究；通过Morris水迷宫实验评估认知功能；采用免疫荧光染色检测Aβ斑块和小胶质细胞标志物Iba-1；通过酶联免疫吸附试验(ELISA)测定细胞因子水平；利用16S rRNA测序和非靶向代谢组学分析肠道菌群和代谢物变化。

J17挽救丁酸缺陷并改善APP23/PS45小鼠AD相关表型

研究人员首先证实了AD模型小鼠存在系统性丁酸缺乏，而J17干预能有效恢复血液和脑内丁酸水平。在认知功能方面，J17显著改善了AD小鼠在莫里斯水迷宫测试中的表现，缩短逃避潜伏期，增加目标象限游泳距离。

J17减轻Aβ沉积并调节APP加工

通过免疫荧光染色发现，J17显著减少了皮层和海马区Aβ斑块的数量和面积。机制研究表明，J17降低了APP、BACE1和CTFβ蛋白水平，抑制BACE1介导的APPβ-剪切通路，从而减少Aβ₄₂生成。

J17减轻小胶质细胞过度活化和神经炎症

J17处理降低了小胶质细胞标志物Iba-1的表达，调节炎症因子平衡，降低TNF-α、IL-1β和IL-6等促炎因子水平，提高抗炎因子IL-10水平，表明J17能缓解神经炎症反应。

J17重塑肠道菌群

研究还发现J17能调节AD小鼠肠道菌群组成，降低炎症和神经毒性相关代谢物，改善肠道微环境，这可能是其发挥益生效应的另一重要途径。

本研究证实工程化产丁酸酵母J17能通过多种机制缓解AD相关病理表型。值得注意的是，虽然底盘菌株BY4741也显示出改善AD表型的趋势，但未改变丁酸水平，且效果无统计学显著性，强烈提示J17的益处来自于丁酸补充和益生功能的协同效应。与粪便微生物移植相比，J17给药具有避免未知或条件性病原体潜在风险的优势。然而，J17的剂量效应和长期效果仍需进一步研究。

该研究成果发表于《Signal Transduction and Targeted Therapy》，为AD治疗提供了新的思路和策略，即通过工程微生物靶向肠道-脑轴，实现神经退行性疾病的干预。这种微生物疗法策略具有重要转化医学价值，为开发AD新型治疗方法开辟了道路。