导读
帕金森（PD）是一种进展迅速的神经系统疾病。目前，帕金森药物治疗有许多局限性。拜颤停复方（BCT）是一种治疗帕金森病的中草药处方，拥有国家专利（ZL201110260536.3），由刺五加、白芍、钩藤组成。本研究基于代谢组学和宏基因组学阐明BCT对PD的治疗作用并探讨其可能机制。C57BL/6小鼠被用作对照组，α-syn转基因C57BL/6小鼠被随机分配到PD（未处理）或BCT（有BCT治疗）组。我们采用UPLC-MS检测脑组织中多巴胺水平，ELISA检测炎症因子如IL-1β、IL-6、TNF-α、IFN-γ和NO，以及氧化应激指标如丙二醛、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性。粪便代谢组学用于检测粪便代谢谱，筛选差异代谢标志物，并通过KEGG富集分析预测代谢途径。宏基因组学用于确定肠道微生物组成，并进行KO富集分析以预测不同肠道微生物群的潜在功能。最后，Spearman相关性用于分析肠道菌群、代谢标志物、炎症因子、氧化应激和多巴胺水平之间的可能关系。BCT可提高α-Syn转基因C57BL/6小鼠的超氧化物歧化酶活性（P<0.01），降低TNF-α、IFN-γ、IL-1β、IL-6、NO和丙二醛水平（P<0.01、0.05），并增加多巴胺的释放（P<0.01）。宏基因组学表明BCT可恢复菌群丰度。代谢组学结果表明，BCT可逆转粪便代谢趋势，恢复α-D-葡萄糖、胞苷、L-谷氨酸、L-谷氨酰胺、N-乙酰-L-谷氨酸、棉子糖和尿嘧啶的含量。此外，它还调节精氨酸生物合成、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸、嘧啶、半乳糖和丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径。因此，BCT可以调节肠道微生物群的组成，以逆转PD小鼠的粪便代谢，保护黑质和纹状体免受氧化应激和炎症因子的影响，并最终发挥抗PD作用。
研究热点：
1. BCT主要含有刺五加苷B、芍药苷、刺五加苷E和钩藤碱，具有治疗PD的潜力；
2. BCT可减少帕金森小鼠的神经炎症和氧化应激，增加多巴胺的释放以缓解运动障碍；
3. BCT治疗PD可能与肠道菌群变化和代谢逆转有关。
论文ID
原名：Efficacy and mechanism study of Baichanting compound, a combination of Acanthopanax senticosus (Rupr. and Maxim.) Harms,Paeonia lactiflora Pall and Uncaria rhynchophylla (Miq.) Miq. ex Havil, on Parkinson’s disease based on metagenomics and metabolomics
译名：基于宏基因组学和代谢组学研究拜颤停复方（刺五加、白芍、钩藤）对帕金森病的药效和作用机制
期刊：Journal of Ethnopharmacology
IF：5.4
发表时间：2023.09
通讯作者：刘树民&卢芳
通讯作者单位：黑龙江中医药大学
实验设计
实验结果
1. BCT改善PD模型小鼠的行为
与Con组相比，α-syn组明显降低了爬杆和自主活动（P<0.01）。BCT干预后，爬行速度加快（P<0.05），同时自主活动次数增加（P<0.01）（图1A和B）。
图1 A–B：BCT化合物对转基因小鼠行为的影响（平均值±SD，n=8）。C：BCT化合物对转基因小鼠多巴胺（DA）含量的影响（平均值±SD，n＝8）。D–H：BCT化合物对PD模型小鼠神经炎症的影响。I–K：BCT对黑质氧化应激水平的影响。与对照组比较：#P<0.05，##P<0.01，与模型组比较：*P<0.05，**P<0.01，差异有统计学意义。
2. 复方BCT对PD模型小鼠药效学的影响
与Con组相比，α-syn组纹状体DA含量、超氧化物歧化酶（T-SOD）酶和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）酶活性显著降低（P<0.01），IFN-γ、IL-1β水平显著下降（P<0.01）；TNF-α、IL-6、NO和MDA显著升高（P＜0.05），表明模型成功。BCT处理后，DA（P<0.01）和T-SOD（P<0.05）水平显著升高，TNF-α、IFN-γ水平显著升高（P<0.01）；IL-1β、IL-6、NO和MDA显著降低（P<0.05）（图1C–K）。
图2 多元统计分析
A、B：三组的主成分分析得分图；C、G:Con组和α-syn组的OPLS-DA评分；D、H:Con组和α-syn组的S-图；E、I：BCT组和α-syn组的OPLS-DA评分；F、J:BCT组和α-syn组的S-图；C–F是负离子模式，G-J是正离子模式。
3. BCT可改善PD小鼠的粪便代谢
3.1 多元统计分析
为了揭示BCT改善PD小鼠的靶向代谢产物，我们使用UHPLC-Q-TOF-MS构建了粪便代谢谱。首先，主成分分析图（图2A和B）显示了三组聚类，其中BCT组和Con组彼此接近，并有从α-syn组分离的趋势。同时，QC样本紧密聚类，以确保系统在实验过程和数据采集过程中的稳定性和精度。其次，为了探索α-syn突变干扰宿主代谢和BCT治疗PD的重要潜在生物标志物，我们分别建立了Con和α-syn组以及BCT和α-sun组的OPLS-DA模型。Con组和α-syn组以及BCT组和α-syn组（图2E和I）的OPLS-DA评分图（图2C和G）显示样本分布区域较小，表明各组内变化较小，样本重复性良好。结果与主成分分析一致。这一现象表明，α-syn基因异常可干扰宿主的正常代谢，BCT可在一定程度上治疗PD。总得分图中S图上用红色标记的化合物是VIP≥1的化合物。离原点越远的点的VIP值越大，对分类的贡献就越大，表明它更有可能成为潜在的生物标志物（图2D、H、F和J）。
表1 PD小鼠的潜在代谢物
3.2 潜在生物标志物的鉴定和通路分析
在OPLS-DA模型中，以VIP≥1、FC≥1.2或FC≤0.8和学生t检验P值<0.05为筛选条件来识别潜在的特征生物标志物，其中BCT可下调26个代谢物，上调11个（表1）。我们使用HMDB(http://www.hmdb.ca），Metlin(http://metlin.scripps.edu)，massbank(http://www.massbank.jp/），LipidMaps(http://www.lipidmaps.org)，和mzclound(https://www.mzcloud.org)识别这37种潜在生物标志物的生物学信息。根据每个生物标志物的丰度，我们使用R版本3.6.3和pheatmap包（v1.0.12）建立了分层聚类热图（图3），其中每个小方块表示生物样本中生物标志物丰度，不同位置的色块表示相应位置标志物的相应表达水平。蓝色代表低含量，红色代表高含量，可以直接显示各组间潜在生物标志物的丰度关系。我们通过聚类热图发现BCT组和α-syn组的潜在生物标志物含量存在显著差异，与Con组更相似，表明不同组小鼠粪便中潜在生物标志物的含量差异很大。
图3 每组潜在生物标志物的热图
将已鉴定的37种潜在PD粪便生物标志物输入到MetaboAnalyst
5.0中 (https://www.metaboanalyst.ca/)，筛选相关代谢途径，以途径影响>0.05为临界值筛选，如果大于0.05，该途径可能是BCT对PD发挥治疗作用的潜在靶代谢途径（图4A）。KEGG用于进一步分析主要代谢途径和主要代谢产物，以探索它们的相互作用和关联。结果表明，粪便样本中潜在的干预靶点主要涉及精氨酸生物合成、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢、嘧啶代谢和半乳糖代谢以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢（图4B）。精氨酸生物合成的潜在生物标志物是L-谷氨酸、N-乙酰-L-谷氨酸和L-谷氨酰胺。参与D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢的是L-谷氨酰胺和L-谷氨酸；参与嘧啶代谢的是L-谷氨酰胺、胞苷、尿嘧啶；参与半乳糖代谢的是棉子糖和α-D-葡萄糖；参与丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢的是L-谷氨酸和L-谷氨酰胺（图4C）。
图4 代谢途径的富集分析
A：代谢途径富集分析，1，精氨酸生物合成；2，D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢；3，嘧啶代谢；4，半乳糖代谢；5，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢。B：代谢途径的富集气泡图。C：主要潜在代谢途径网络图。对标记为红色的化合物进行潜在生物标志物筛选。
4. BCT对PD小鼠肠道菌群结构和功能的影响
4.1 BCT对肠道菌群结构的影响
帕金森症患者经常伴有胃肠道疾病。此外，粪便对肠道菌群的代谢也起着重要作用。我们推测帕金森的发展过程与肠道菌群的变化有关，肠道菌群异常可能是BCT治疗帕金森的潜在靶点。因此，我们对Con、α-syn和BCT组的小鼠粪便进行宏基因组测序，以比较各组之间的微生物组成。首先，在最低测序深度对所有物种水平样本的组成谱进行随机重采样，以校正测序深度引起的多样性差异，然后计算多样性指数。结果显示，与Con组相比，只有α-syn组的simpson指数上调（图5A），表明α-syn组的微生物群落配对均匀性和优势物种数增加。我们根据各组的OTU水平对各组进行PCA分析，发现Con组和α-syn组相距较远，而BCT组介于两者之间，表明BCT给药后肠道菌群结构向空白组靠拢（图5B）。
我们分析了门水平上丰度前10的肠道菌群，发现与Con组相比，α-syn组的厚壁菌门、螺旋体和梭杆菌门均下调（P<0.05），放线菌表达上调（P＜0.05）。BCT处理后，放线菌有明显回调（P<0.05），厚壁菌门、螺旋体和梭杆菌也有回调趋势（图5C和D）。然后，我们使用LEfse分析对菌群进行差异分析，试图找出导致肠道菌群结构差异的潜在菌群，在LDA>2的条件下筛选具有统计学差异的物种。如图5E所示，我们在肠道微生物中发现了15个不同属和25个不同种；进一步对不同肠道微生物的单因素方差分析表明，与Con组相比，α-syn转基因小鼠肠道菌群有11个菌属和11个肠道菌种下调，以及1个属和1个种上调。BCT处理后，7属和6个物种的丰度可以恢复（图5和G），为Acetatifactor、Anaerobium、Lachnotalea、Marvinbryantia、假丁酸弧菌、Faecalitalea和Anaeromassilibacillus、Acetatifactor_muris、Anaerobium_acetethylicum、Lachnotalea_sp_AF33_28、Marvinbryantia_formatexigens、Gemmiger_sp_An120和Fa ecalitalea_sp_Marseille_P3755。
图5 A：alpha多样性分析。与对照组比较：#P<0.05，##P<0.01，与模型组比较：*P<0.05，**P<0.01，表明显著差异。B：PCA图。C：门水平微生物组成图；D：门水平微生物菌群差异分析。E：肠道菌群的LEfse分析。F：属水平微生物菌群差异分析。G：种水平肠道菌群差异分析。
4.2 BCT对PD菌群功能的调节作用
肠道微生物功能的变化经常伴随着肠道微生物结构的改变。因此，我们基于KEGG对肠道微生物的基因功能进行了注释，我们获得了5264个KEGG Orthology（KO）。我们基于Kos的丰度进行PCA聚类分析。结果显示，三组菌群聚集且明显分离（图6A），表明三组的肠道菌群功能不同。我们对代谢途径进行功能富集后，获得6条一级代谢途径、36条二级代谢途径和206条三级代谢途径。其中，代谢在一级代谢途径中的相对丰度和比例最大（图6B）。因此，我们对三级代谢途径进行了进一步的Lefse分析，发现幽门螺旋菌感染的上皮细胞信号。百日咳、精氨酸和脯氨酸代谢、碳青霉烯生物合成、肌醇磷酸代谢、酮体的合成与降解、D_谷氨酰胺和D_谷氨酸代谢、嘧啶代谢、苯乙烯降解是导致细菌功能差异的潜在关键途径（图6C）。同时，D_谷氨酰胺和D_谷氨酸代谢、嘧啶代谢也是粪便代谢的关键途径。
图6 A：基于Kos丰度的PCA聚类分析。B：1级代谢途径的富集分析。C：基于3级代谢途径的LefSE分析。
5. 药物指标与肠道菌群及粪便代谢表型的相关性分析
BCT在干预后改善PD方面发挥作用，可能与肠道菌群的结构变化有关。Spearman相关系数用于绘制热图矩阵和网络关系图，结果表明，肠道菌群与PD指标之间存在大量相关性（图7A和B）。然而，肠道微生物群是如何“脱离”肠道，在肠道和大脑之间进行联系并发挥调节作用的。肠道菌群能否通过影响代谢表型，通过小分子介质参与肠脑通讯？我们观察到肠道菌群与粪便代谢之间存在显著相关性（|r|≥0.5，P<0.05）。Acetatifactor、Acetatifactor_muris和N-乙酰-L-谷氨酸呈显著负相关（|r|≥0.8或更高）（图7C和D），表明肠道菌群结构的变化会影响代谢表型。代谢表型的变化与帕金森病的进展可能有关。这种变化可能是逆转帕金森的关键。然后，我们分析了药效指标与粪便代谢物之间的联系，发现粪便代谢物与药效指标之间存在显著相关性（r≥0.5或r≤−0.5，P<0.05），尿嘧啶与DA还原特别相关（|r|≥0.7）（图7E和F）。这些结果表明，BCT可能通过调节肠道菌群组成和影响粪便代谢发挥抗PD作用。
图7 A：肠道菌群与药物指标相关性热图。B：肠道菌群及药物指标网络图为｜r｜＞0.5，绘制图时P＜0.05。C：代谢产物和肠道菌群之间相关性的热图。D：代谢产物与肠道菌群网络图的绘制关系为｜r｜＞0.5，P＜0.05。E：代谢产物和药物指标之间相关性的热图。F：代谢产物和药物指标的网络图为｜r｜＞0.5，绘制图时P＜0.05。
讨论
在这项研究中，我们证明BCT可以有效改善氧化应激和炎症反应，增加DA的释放，并缓解由α-syn转基因引起的运动障碍。我们使用宏基因组测序和基于UHPLC-Q-TOF-MS的代谢组学研究了BCT对肠道微生物群和粪便代谢表型的影响。结果表明，BCT可逆转α-syn基因过表达引起的肠道微生物群紊乱。同时，BCT处理后，宿主的粪便代谢特性发生了显著变化。此外，Spearman相关系数揭示了肠道微生物群的变化与药代动力学指标之间的显著关联。我们还观察到，肠道菌群的变化与潜在的粪便代谢标志物、潜在的粪便代谢标志物和药物指标显著相关，这表明BCT可能通过改变肠道菌群来影响宿主粪便代谢表型，以改善脑氧化应激和炎症，从而达到抗PD的效果。这些发现可能为BCT的发病机制、治疗效果和在帕金森病中的应用提供新的见解。
氧化应激和炎症因子的产生已被发现可加速PD的进展，诱导神经元凋亡，并进一步限制DA的释放。在正常条件下，身体的自然防御机制足以对抗自由基对细胞的损伤，从而在氧化和抗氧化系统之间形成动态平衡。人体用来消除氧自由基的关键化学物质是谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶。SOD是一种自由基清除酶，可以清除身体产生的超阴离子（‧O2−），是身体抵抗自由基的第一道防线。GSH-px主要催化GSH还原为H2O2的反应，并在体内清除H2O2，以保护细胞结构和功能的完整性。然而，PD患者SNc区域的SOD和GSH-Px活性降低，身体的氧化机制受损，产生的活性氧（ROS）无法及时清除。过量的ROS刺激生物膜的不饱和脂肪酸，产生致命的脂质过氧化物MDA，损害DA神经元膜的功能，可能导致神经元变性或死亡。因此，MDA不仅可以代表体内脂质过氧化的程度，还可以间接反映自由基对细胞攻击的严重程度。与此同时，越来越多的数据表明，神经炎症在帕金森的发病机制中发挥作用，促炎细胞因子扩增反应和免疫反应可能直接参与神经元细胞死亡。TNF-α通过TNFR1受体的死亡结构域诱导细胞凋亡，此外还诱导THir神经元的损失和减少纹状体中DA的释放。IFN-γ由小胶质细胞产生，通过Jak/ATAT1途径诱导iNOS转录，促进NO的合成，NO与O2−结合产生亚硝酸根阴离子（ONOO−），加重神经元的毒性和损伤。此外，IFN-γ反过来可以激活小胶质细胞，诱导MHCII和CD14基因的表达，从而形成正反馈，并在PD的持续和进展中发挥作用。活化的小胶质细胞可释放IL-6和IL-1β，干扰脑源性生长因子的表达，介导细胞毒性作用，阻碍神经前体细胞的再生，使神经元容易退化。与临床研究结果一致，本研究中，PD小鼠的TNF-α、IL-1β、IL-6、INF-γ、NO和MDA水平呈上升趋势，而T-SOD和GSH-Px活性下降。BCT能有效降低TNF-α、INF-γ、IL-1β、IL-6、NO和MDA，提高T-SOD活性，有效抑制氧化应激和炎症的产生，增加DA的释放，达到抗PD的效果。
越来越多的证据证明，帕金森的发生发展与肠道菌群紊乱密切相关。通过调节肠道微生物的丰度和多样性来改善帕金森可能是新一代的治疗方法。我们采用宏因子测序法检测Con组、α-syn组和BCT组小鼠的肠道内容物。与Con组相比，α-syn组的simpson指数增加，肠道菌群和优势种的均匀度增加，而BCT后simpson指标下降。菌群组成向空白组靠拢的趋势表明，BCT可以逆转α-syn过表达引起的肠道菌群紊乱。在本研究中，BCT可以逆转PD小鼠中7个菌属和6个肠道菌种的菌群丰度变化——Acetatifactor、Anaerobium、Lachnotalea、Marvinbryantia、假丁酸弧菌和Faecalitalea和Anaeromassilibacillus，以及Acetatifactor_muris、Anaerobium_acetethylicum、Lachnotalea_sp_AF33_28、Marvinbryantia_formatexigens、Gemmiger_sp_An120和Fae calitalea_sp_Marseille_P3755。
图8 肠道菌群、代谢物、代谢途径和药效学网络的调节
肠道微生物群是一个复杂多变的系统，可能不是单个细菌的绝对规律。然而，一些肠道微生物群的增加或减少可能具有特定的预测作用。通过Spearman相关分析，我们发现除Faecalitalea和Faecalitelea _ sp _ Marseille _ P3755与DA呈负相关外，其余均与DA呈正相关。Acetatifactor属和Acetatifactor _ muris与IFN-γ、TNF-α、α-D-葡萄糖、N-乙酰基-l-谷氨酸盐呈负相关，与尿嘧啶呈正相关。α-D-葡萄糖是一种单糖，是生物体中常见的能量来源，也是肠道细菌的天然营养物质，它可以被肠道菌群利用，并转化为短链脂肪酸，发挥抗炎作用。Acetatifactor可以通过Akt/mTOR途径降低TNF-α炎症因子的表达，还可以通过降低Th17和增加Treg细胞分化来分泌石胆酸，石胆酸可以调节宿主免疫反应。Acetatifactor产生乙酸和丁酸，促进肠上皮细胞的稳定，稳定肠道屏障。在本研究中，假丁酸弧菌的丰度降低，这与临床PD患者的表现一致，并且在BCT干预后其丰度可以上调。假丁酸弧菌主要参与碳水化合物、蛋白质和脂质的代谢，产生单糖并将其发酵为丁酸以获取能量，它可以调节能量代谢，下调IFN-γ、IL-1β、IL-6、TNF-α、α-D-葡萄糖和N-乙酰基-l-谷氨酸，提高GSH-Px活性和尿嘧啶水平，发挥抗炎和神经保护作用。同时，本研究表明，Gemmiger_sp_An120具有与假丁酸弧菌属相同的作用，只是它不能下调TNF-α水平。吉米菌通常是厌氧菌，或者可能与减少LPS和促进slgA调节炎症有关。此外，Forbes在免疫介导的炎症性疾病中观察到了与我们相同的结果，其中吉米菌属在治疗前下调，治疗后上调。本研究还发现，Anaerobium、Marvinbryantia、Marvinbryantia formemerates和Anaerobium_ acetethylicum与GSH-Px、T-SOD、Raffinose、尿嘧啶和L-谷氨酸水平呈正相关，与IFN-γ、IL-1β和α-D-葡萄糖水平呈负相关。Anaerobium和Anaerobium_ acetethylicum也与IL-6呈负相关。Anaerobium和Anaerobium_ acetethylicum是厌氧菌，主要以葡萄糖酸为底物，发酵成乙醇、乙酸、甲酸等短链脂肪酸，可以减少炎症因子的分泌，减少THP-1细胞的细胞呼吸，减少ROS的产生，从而促进肠道和大脑环境的稳定。Marvinbryantia和Marvinbrynti_formatexegens也与N-乙酰-l-谷氨酸盐呈负相关，N-乙酰-l-谷氨酸盐可激活N-乙酰-谷氨酸合成酶活性，下调N-乙酰-l谷氨酸盐水平，修复精氨酸代谢紊乱，调节脑炎症。Faecalitalea和Faecalitelea _ sp _ Marseille _ P3755与IFN-γ、α-D-葡萄糖和N-乙酰-l-谷氨酸盐呈正相关，与尿嘧啶呈负相关。Faecalitalea与T-SOD呈负相关，Faecalitelea _ sp _ Marseille _ P3755与IL-1β、IL-6和TNF-α呈正相关。Yan等人在患有自发性骨关节炎的恒河猴中也观察到Faecalitalea的增加，这与炎症的发展密切相关，但其机制尚不清楚。Anaeromasilibacillus的丰度与IFN-γ、IL-1β、TNF-α、N-乙酰-L-谷氨酸和α-D-葡萄糖呈负相关，与L-谷氨酰胺和尿嘧啶呈正相关。这也是我们第一次发现Anaeromasilibacillus与帕金森模型中的代谢产物和炎症指标有关。Lachnolea和Lachnolea_sp_AF33-28与T-SOD呈正相关，与IL-1β和α-D-葡萄糖呈负相关。Lachnolaea_sp_AF33_28也与尿嘧啶呈正相关，尿嘧啶可能干扰嘧啶代谢途径。
改变后的肠道菌群的功能和功能是什么？我们对宏基因筛选的KO进行了富集分析，发现了9条途径。D_谷氨酰胺和D_谷氨酸代谢和嘧啶代谢也是粪便代谢富集的途径。这些结果表明，BCT改变了肠道菌群的结构和组成，可以影响菌群的功能，从而调节宿主粪便代谢。
非靶向代谢组学被广泛用于筛选在疾病条件或药物治疗下调节的潜在小分子代谢产物。本研究使用UHPLC-Q-TOF-MS筛选与PD相关并受BCT调节的小分子代谢产物。在本研究中，BCT小鼠的粪便代谢与Con组相似，α-syn组的37种代谢产物发生逆转。此外，KEGG富集分析表明，BCT抗PD主要参与精氨酸生物合成、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢、嘧啶代谢和半乳糖代谢，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸与代谢途径中的7种代谢产物有关。
在本研究中，α-syn组小鼠肠道中的L-谷氨酸和L-谷氨酰胺下调，BCT干预后可以逆转这种情况。尽管帕金森相关研究的主流结果与谷氨酸水平不一致，但一些研究表明，临床帕金森病患者肠道代谢产物中的谷氨酸水平呈下降趋势，在与帕金森患者相似的运动障碍肌张力障碍患者的血清中也出现了这种情况。谷氨酸是谷胱甘肽的前体，其减少可能与PD进展中氧化应激的增加有关。谷氨酰胺通过谷氨酰胺ABC转运蛋白转运到细胞质，并在谷氨酰胺酶和谷氨酰胺合成酶的作用下与谷氨酸相互转化。谷氨酸-谷氨酰胺转换异常导致D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢紊乱，从而介导能量代谢并加速PD的病理生理过程。谷氨酸由N-乙酰谷氨酸合酶生成N-乙酰谷氨酸，最后生成精氨酸。在这项研究中，谷氨酸水平下降，N-乙酰谷氨酸合成酶产生N-乙酰谷氨酸，最终精氨酸增加，但精氨酸没有出现显著变化。据推测，N-乙酰谷氨酸合成酶在PD小鼠中受损，并且酶活性降低。N-乙酰谷氨酸不能向下合成精氨酸，精氨酸生物合成途径的反馈被阻断。谷氨酸仍然被身体消耗以合成N-乙酰谷氨酸。BCT可能上调N-乙酰谷氨酸合酶的活性，恢复精氨酸生物合成的反馈机制，以减少谷氨酸的消耗并调节谷氨酰胺-谷氨酸的转化。众所周知，嘧啶代谢紊乱会对神经系统、免疫系统和肾功能造成损害，也会导致恶性肿瘤。在本研究中，BCT可以通过上调α-syn组小鼠的L-谷氨酰胺、尿嘧啶和胞苷水平来抑制嘧啶代谢。胞苷在大脑中合成CDP胆碱，可作为DA补充剂预防PD的发展。L-谷氨酰胺为尿苷的合成提供氮源。胞苷通过胞苷脱氨酶转化为尿苷，尿嘧啶通过嘧啶核苷磷酸化酶转化为尿嘧啶。尿苷可增加帕金森病模型大鼠纹状体DA和酪氨酸羟化酶的活性，上调突触数量和protein-1水平，恢复多巴胺能神经传递。同时，α-syn组α-D-葡萄糖上调，棉子糖下调，导致半乳糖代谢紊乱。大脑95%以上的能量由葡萄糖代谢产生的ATP提供，因此当被激活的神经元需要能量时，大脑会忽略外周葡萄糖水平，直接驱动神经血管单元吸收外周葡萄糖。模型组中α-D-葡萄糖水平的升高表明脑组织中的葡萄糖摄取减少，这可能是由神经元的大量死亡和对能量的需求减少引起的。棉子糖能增加双歧杆菌、乳杆菌等有益菌的肠道定植，抑制有害细菌的繁殖，从而建立健康的肠道菌群环境。此外，棉子糖还具有稳定膜结构、储存能量、清除ROS等功能。BCT干预后，α-D-葡萄糖水平下降，棉子糖水平升高，表明神经元得到有效保护，能量需求增加，有益细菌定植增加，肠道环境向健康方向改变。
BCT如何作用于肠腔中的微生物以改变宿主粪便的代谢特征？BCT如何保护黑质和纹状体免受氧化应激和炎症因子的影响？众所周知，小分子代谢产物是连接肠脑轴的重要媒介。我们在药物指标与潜在代谢标志物之间进行了相关性分析，发现它们之间存在显著相关性（图7C和D）。为了进一步研究这些代谢产物、肠道菌群和药效学之间的内在关系，我们提取了具有显著相关性的代谢产物与微生物、代谢产物与药物指标，并结合宏基因组学和代谢组学预测途径构建了肠道菌群-代谢产物-代谢途径-药效学相互作用网络图，如图8所示。BCT可调节Acetatifactor、Marvinbryantia、Faecalitalea、Anaeromasilibacillus、Anaerobium、假丁酸弧菌、Lachnotalea属和Acetatifactor_muris、Marvinbryantia_formatexigens、Lachnotalea_sp_AF33_28、Faecalidale_sp_Marseille_P3755和Anaerobium_aceteylicum、Gemmiger_sp_An120的丰度，以恢复肠道菌群功能，逆转粪便代谢趋势；同时可以回调α-D-葡萄糖、胞苷、L-谷氨酸、L-谷氨酰胺、N-乙酰-L-谷氨酸、棉子糖、尿嘧啶，调节精氨酸生物合成、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢、嘧啶代谢、半乳糖代谢和丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径，保护黑质和纹状体免受氧化应激和炎症因子的影响，并最终起到抗PD的作用。
结论
总之，我们证明BCT减轻了α-syn转基因小鼠中PD的发展。结合药效学、宏基因组学和代谢组学分析，BCT可以通过调节肠道菌群的组成来逆转PD小鼠的粪便代谢，保护黑质和纹状体免受氧化应激和炎症因子的影响，最终发挥抗PD作用，为BCT治疗PD提供了坚实的理论依据和研究思路。然而，这项研究的结果需要通过使用UPLC-MS技术检测脑组织中的肠道菌群代谢产物来进一步探索肠道菌群与脑组织之间的代谢关系。同时，未来可以进行粪便微生物移植实验，以阐明肠道菌群变化对BCT抗PD作用的贡献。
原文链接：
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37714224/
转自：“如沐风科研”微信公众号
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