Cell Reports：酒精依赖患者社交能力改变和抑郁症与肠屏障功能损伤及菌群失调相关
酒精使用障碍（Alcohol Use Disorder, AUD）是一种复杂却普遍的疾病，其患者通常表现出情绪，认知和社交障碍。除了对大脑的有害影响外，长期酗酒也会改变肠道菌群的组成和功能。有研究显示肠道菌群可调节AUD患者的大脑功能和行为，但缺乏令人信服的证据。
AUD患者脑功能紊乱除了有神经递质的作用之外，还有可能是酒精诱导的神经免疫系统失调导致的，包括先天免疫信号的激活和促炎性细胞因子的表达增加。而神经炎症导致的脱髓鞘，抑制性和兴奋性神经传递之间的平衡改变，也对饮酒障碍的调节起着作用。
肠道微生物的变化主要是抗发炎特性的普氏粪脂杆菌（Faecalibacterium praustnizii）会急剧减少，而拟杆菌（Firmicutes）丰度相对增加。肠道菌群是啮齿动物社交行为的重要调节因子，其背后的分子机制尚不清楚。
2020年10月13日，比利时天主教鲁汶大学神经科学研究所在Cell Reports杂志上发文，并阐释揭示了酒精依赖患者的精神和行为问题与其肠道屏障功能损伤及肠道菌群失调相关。
Highlights
① 队列研究表明酒精依赖（AD）患者的肠漏和肠道菌群失调与社交能力低下有关；
② 给抗生素和聚乙二醇处理后的小鼠移植AD患者的粪菌，可复制其社交能力及抑郁样行为上的改变，使髓鞘形成、神经传递受损，并诱导炎症；
③ 移植AD患者粪菌可抑制小鼠的脂肪分解，并促进特定细菌属产生乙醇，从而抑制肝脏生酮作用，减少血液中β-羟基丁酸的合成和释放；
④ 在戒断AD患者中，菌群产生的乙醇的增加及低血浆BHB水平与社交障碍、抑郁及髓鞘形成降低相关
1.移植AD患者肠道菌群模型小鼠的成功建立
在文章中，作者首先使用已有的酒精依赖（Alcohol-Dependent, AD）患者队列数据，通过特征情绪智力（Emotional Intelligence, EI）问卷，发现相对于健康受试者（Control, CT）而言，AD患者的社交能力较低。为了验证这一假说，作者设计了一项粪便微生物移植（Fecal Microbiota Transplantation, FMT）实验。
首先将三周大的小鼠用抗生素（ABx）混合物处理10天，然后用聚乙二醇（PEG）处理，以耗尽内源性肠道菌群。然后选择了两名AD患者和两名CT受试者作为人类供体，将这些人类供体的粪便微生物群接种到Abx和PEG处理过的小鼠中，随后评估小鼠是否成功且持续存在细菌。实验发现，在所有时间点，AD受体小鼠粪便和盲肠中的细菌丰富度和均匀度均显著降低，与AD患者中细菌计数降低一致。同时作者发现，该模型小鼠回肠中的防御免疫机制的标志物全面衰减（Th2和Th17免疫应答改变），这与肠道稳态的丧失（Reg3g和Lcn2的表达减少）以及紧密连接的改变，黏膜结构萎缩（回肠中的绒毛高度和隐窝深度降低）有关。
2.移植AD肠道菌群小鼠的行为和脑功能变化
在三室测试、强迫游泳和高架十字迷宫等行为学检测发现，与移植CT的小鼠相比，移植AD肠道菌群的小鼠表现出类似于AD患者的心理特征，出现社交能力下降和抑郁样行为。
额叶皮层（Frontal Cortex, FC）和纹状体（Striatum, St）的检测发现AD肠道菌群移植影响了髓鞘形成和神经传递，促进了炎症反应的发生。结果显示AD受体小鼠FC和St中髓磷脂相关基因（Mobp和Mog）的表达下调，FC中γ-氨基丁酸（GABA A）受体（Gabra1和Gabra2），GABA B（1b）受体亚基（GabaBr1b）和N-甲基-D-天门冬氨酸（NMDA）受体2B（Grin2b）的亚基α1和α2受体表达上调，谷氨酸下调。
这与突触后密度95（PSD-95）的蛋白质表达增加有关，后者在调节谷氨酸能传递和突触可塑性中起关键作用。此外，我们发现AD小鼠St中促炎性细胞因子（Tnfa和Il1b）和趋化因子（Cxcl15和Ccl2）的mRNA表达显着上调，而FC没有显示炎性标志物。St中的这种局部炎症反应与小胶质细胞激活标志物（Aif1，Cd68和Nos2）升高有关，包括Gpr109a（Hcar2），β-羟基丁酸（BHB）的受体，与促炎细胞因子的受体高度相关。
图1 移植AD患者肠道菌群小鼠的行为变化
图2 移植AD患者肠道菌群小鼠的脑功能变化
3.导致移植AD患者肠道菌群小鼠出现变化的代谢相关作用机制研究
肠道菌群可能通过不同的途径与大脑沟通，主要是神经，免疫或代谢途径。而接受AD和CT的小鼠在腔静脉（反映全身血液）中测量的10种不同的炎症细胞因子和趋化因子均无差异。故作者假设肠道和大脑是通过代谢途径相互作用的。
作者通过血浆中1 H-NMR代谢组学分析发现AD受体小鼠的β-羟丁酸（β-Hydroxybutyrate, BHB）水平降低。BHB是肝脏从乙酰辅酶A中产生的酮体，在血液中释放，是神经元的能量代谢的底物。此外，作者发现AD移植小鼠Hmgcs2（生酮作用的主要CT点）和转录因子PPARα（其主要调控物）的表达下调；其皮下脂肪组织（sAT）更多，脂肪细胞更大，提示脂肪细胞中更多的脂质存储，且脂肪分解减少。与此同时，肝脏生酮作用的主要底物血浆非酯化脂肪酸（NEFAs）浓度降低。
紧接着，作者又探索了肠道微生物群是否以及如何参与酮体合成的调控。使用PICRUSt从盲肠内容物中获得的分类学特征中推断出，AD移植小鼠中与酒精代谢相关的途径被上调。
随后检测发现接受AD的小鼠门静脉中的血液乙醇浓度相对较高（小鼠在实验过程中未暴露于酒精），与血浆BHB水平呈负相关，乙醇已被证明可以下调Hmgcs2和PPARα，支持其对生酮的抑制作用。门静脉乙醇水平与梭状芽胞杆菌（Clostridium -sensu stricto, -XI, -XVIII），乳球菌（Lactococcus），葡萄球菌（Turicibacter）和艾克曼菌（Akkermansia）呈正相关，它们带有编码乙醇脱氢酶和醛脱氢酶的基因，表明它们具有生产和/或代谢乙醇的功能。
图3 AD肠道菌群对乙醇生成
以及肝脏生酮和BHB合成的影响
BHB除了作为神经元的能量底物，还参与许多脑功能。
暴露于生酮饮食（Ketogenic Diet, KD）6周的小鼠血液中BHB水平显著提高，单羧酸转运蛋白-1（Monocarboxylate Transporter，MCT1）表达上调，也改善了社交行为，抑郁样行为，髓鞘形成障碍和神经炎症。
通过将小鼠暴露于生酮饮食，结果显示Hmgcs2、PPARα以及Mct1的表达增强，髓磷脂相关基因的表达增加，且KD改善了社交行为和对社交新颖性的偏好。
最后为了将实验结果转化为临床实践，作者收集了多个AD患者队列的生物学，心理和神经影像数据。结果显示AD患者肠道微生物产生了乙醇，脂肪量与肠道通透性之间呈正相关，血液中NEFA和BHB存在相关性；低BHB与社交障碍，抑郁症和髓鞘受损有关。
图4 全文图形概要
综上，酒精依赖患者的社交障碍与其肠道屏障功能损伤及肠道菌群失调相关，而小鼠的粪菌移植实验证实，肠道菌群的紊乱介导了酒精依赖患者的抑郁及社交行为变化，这与患者肠道菌群产生的乙醇增加，抑制了肝脏生酮作用，导致β-羟基丁酸合成及释放的减少有关。
同时，血液β-羟基丁酸水平的降低与AD患者的髓鞘形成受损、社交障碍及抑郁相关。这一发现旨在通过恢复肠道菌群（即通过益生元补充）或酮体代谢的营养疗法，促进肠肝脑轴的联系，降低AUD患者的复发风险。
Sophie Leclercq, Tiphaine Le Roy, Sonia Furgiuele, Valentin Coste, Laure B. Bindels, Quentin Leyrolle, Audrey M. Neyrinck, Caroline Quoilin, Camille Amadieu, Ge´ raldine Petit, Laurence Dricot, Vanessa Tagliatti, Patrice D. Cani, Kristin Verbeke, Jean-Marie Colet, Peter Sta¨rkel, Philippe de Timary* and Nathalie M. Delzenne*.Gut Microbiota-Induced Changes inβ-Hydroxybutyrate Metabolism Are Linked to AlteredSociability and Depression in Alcohol Use Disorder. Cell Reports, 2020,33(2), 108238.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108238
作者：朱春婷（brainnews创作团队）
校审：Sheena/ 尹（brainnews编辑部）