揭示“肠-脑轴”奥秘:致病菌如何影响脑类器官代谢与结构

近年来,“肠-脑轴”成为科学研究的热点领域,研究表明肠道菌群不仅与消化密切相关,还可能对大脑健康产生深远影响。近日,《Molecular Psychiatry》发表的一篇研究论文《Pathogenic microbiota disrupts the intact structure of cerebral organoids by altering energy metabolism》通过脑类器官模型探讨了致病菌在神经退行性疾病中的潜在作用机制。这项研究从基因、代谢和蛋白质层面揭示了致病菌如何干扰脑组织结构和神经元功能,为神经退行性疾病的治疗提供了新思路。
致病菌破坏脑类器官的结构与神经元功能
研究人员利用脑类器官分别与非致病菌(NM)和致病菌(PM)共培养,展开比较分析。实验结果显示,与非致病菌组(NM_COs)相比,致病菌共培养组(PM_COs)存在显著的脑类器官结构和功能异常:
结构变化:NM_COs类器官保留正常心室区域排列,TUJ1+神经元的区域较宽;而PM_COs的心室结构异常,TUJ1+神经元显著减少,外层神经元区域受损。
功能障碍:PM_COs组脑类器官电生理活性显著降低,这表明致病菌影响了神经元信号传递功能。
转录组与代谢途径改变:揭示致病菌与神经退行性疾病的关联
通过转录组分析,研究发现致病菌显著改变了脑类器官的基因表达模式:
能量代谢紊乱:糖酵解途径活性降低,而磷酸戊糖途径活性升高,这种能量代谢的不平衡与神经退行性疾病的典型特征高度一致。
疾病相关基因表达增加:PM_COs中与阿尔茨海默病和帕金森病相关的基因表达显著上调,进一步验证了致病菌与神经退行性病变之间的直接联系。
代谢组学分析进一步揭示了致病菌诱导的代谢重编程:
NM_COs组代谢物主要与氨基酸合成途径相关;而PM_COs组显现更多能量代谢相关的代谢物,如三羧酸循环和丙酮酸代谢。
代谢物通讯:18O稳定同位素标记的代谢通量分析显示,致病菌通过代谢物调控神经细胞的代谢活性,影响氧化磷酸化过程,同时显著干扰糖酵解。
致病菌抑制糖酵解诱导神经元损伤
研究提出假设:致病菌通过抑制己糖激酶阻断糖酵解,进而诱导脑类器官的神经元损伤。在PM_COs中,神经退行性标志物NSE表达显著升高,而外界补充葡萄糖-6-磷酸(G6P)能有效降低NSE水平,恢复脑类器官的结构。实验结果验证了糖代谢紊乱在神经元损伤过程中的核心角色。
蛋白质组学:致病菌调控神经退行性相关蛋白表达
蛋白质组学分析进一步揭示了致病菌影响脑类器官的潜在分子机制。研究发现,PM_COs组中ANXA1、ANXA5和LMNA等与神经退行性疾病相关的蛋白质表达上调。这些蛋白参与应激反应、细胞凋亡等生物过程,与转录组数据相互呼应,进一步说明致病菌通过调控蛋白质表达破坏脑组织结构。
肠-脑轴的启示:调节菌群或是守护大脑健康的关键
这项研究从表型、基因、代谢和蛋白质多层次揭示了致病菌对脑类器官的结构与功能造成的破坏。致病菌释放的代谢物扰乱了神经元的代谢和信号传递,最终导致脑组织受损,为探索肠道菌群在神经退行性疾病中的作用机制提供了理论依据。
研究提示,人们应重视肠道菌群的平衡维护,因其不仅关乎消化系统,还可能是神经系统健康的“保护伞”。随着肠-脑轴通讯机制的深入探索,未来有望开发以调节肠道菌群为核心的新型疗法,帮助预防和治疗阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病,为人类健康提供更多保障。
结论
肠-脑轴的研究逐渐揭示了肠道微生物与神经系统健康的复杂关联。这项通过脑类器官研究致病菌影响的突破性工作,进一步阐释了肠道病原菌对神经元和能量代谢的深层影响,有望开启针对神经退行性疾病的微生态靶向治疗新篇章。通过维护肠道菌群的平衡,人类将有更大机会减少神经系统疾病的发生,为健康生活创造新的可能。