Nature | 肠脑轴：16S+代谢+转录揭示间歇性禁食改变肠道菌群，促进神经损伤修复

神经轴突再生速率在哺乳动物外周神经系统神经元损伤后受到限制。运动和环境富集等因素可以促进轴突再生的信号通路。间歇性禁食（IF）可激活基因转录和蛋白质合成、线粒体代谢和神经营养素释放。然而，IF是否影响轴突再生能力仍有待研究。本篇以小鼠坐骨神经为对象，探究肠道细菌衍生代谢物吲哚-3-丙酸（IPA）对神经轴突的再生作用和恢复功能。

2022年06月，英国伦敦帝国学院脑科学系神经学部的Simone Di Giovanni 教授课题组在Nature（IF:69.504）期刊发表了题为 “The gut metabolite indole-3 propionate promotes nerve regeneration and repair ”的研究成果，通过GC-MS非靶向代谢组学、LC-MS/MS、16S rDNA扩增子测序、RNA转录组测序、免疫学等研究方法，发现了小鼠肠道菌群和代谢物特征，探究了神经功能恢复机理，描绘了损伤神经的再生和增加图谱，为小鼠的神经轴突再生和感觉功能恢复理论依据。

1. 实验分组

• IF组：C57BL/6小鼠，6-8只，雄性

• AL组：C57BL/6小鼠，6-8只，雄性

2. 技术路线

• GC-MS非靶向代谢组学：分析血清

• LC–MS/MS：分析IPA和血浆

• 16S rDNA扩增子测序：盲肠内容物

• 16S rRNA扩增子测序：粪便DNA

• RNA转录组测序：DGR样本

• 免疫组织化学和免疫细胞化学：采用显微镜分析DRG，计数每个区域的细胞数量，测量背景强度或计算阳性染色的细胞百分比

3. 统计分析

双尾非配对S-t检验、单因素方差分析、Tukey或Sidak多重比较检验的双向方差分析、Mann–Whitney U检验、Wald 检验

1. IF通过肠道微生物群促进的再生功能

SNC造模72小时后，与AL喂养组相比，IF喂养组的坐骨神经轴突再生速度显著更快（图1a-c和扩展数据图1a-c）。IF并未改变轴突再生的关键细胞（如施万细胞和巨噬细胞），也没改变DRG中的神经营养因子浓度。由此推测，施万细胞、巨噬细胞和神经营养因子并未在IF促进轴突再生的过程中发挥关键作用（扩展数据图1d-k）。

2. IPA通过中性粒细胞的趋化作用增强修复功能

万古霉素的介入导致革兰氏阳性菌耗竭。C.s.fldC菌株或C.s.野生型（WT）菌株对肠道进行重新克隆，观察72h后SNC轴突再生情况（图3a-d）。用C.s.fldC重新克隆的小鼠血清，因为去除了IPA，导致轴突再生显著减少（图3b-d）。

每天灌胃20mg/kg IPA，显著增加了坐骨神经的轴突再生（图3e-h），而低剂量的IPA（10mg/kg）却不影响坐骨神经轴突的再生功能（扩展数据图5a-c）。血清和DRG的时间生物利用度曲线显示，12h内采集的IPA持续增加20 min。灌胃后1 h和6 h，DGR中的IPA浓度仍较高（扩展数据图5d-e）。腹腔注射给药IPA，评估SNC 72h后的轴突再生情况，发现血清中的IPA引起了神经元的增加和生长（扩展数据图5f-h）。

差异基因表达分析表明，IPA影响了DRG基因表达程序（扩展数据图6a-c）。编码IPA核受体PXR（Nr1i2）的基因表达增加（扩展数据5）。特别是IPA影响了与免疫调节基因本体（GO）类别相关的基因，其中最显著的是中性粒细胞趋化性（图4a-b）。IPA选择性上调Cd177和Cxcl1，可能是通过CXCR2的介导，而促进中性粒细胞向DRG趋化。IPA治疗增加了DRG组织内的中性粒细胞数量，但在神经挤压部位没有增加（扩展数据图6d-k和扩展数据图7）。接受IPA的小鼠和对照组小鼠的免疫细胞数量没有差异（扩展数据8）。用抗Ly6G单克隆抗体去除中性粒细胞，显著减少了IPA介导的轴突再生（扩展数据图7和9a-k）。值得注意的是，PXR缺失减少了中性粒细胞的数量和IPA依赖性再生，其程度与抗Ly6G单克隆抗体相似（扩展数据图9j-n）。

中性粒细胞可能是被CXCL1受体CXCR2的介导机制所激活（扩展数据图10a-b）。而抗CXCR2单克隆抗体，则损害了IPA依赖性的再生（图4c-g和扩展数据图10c-d）。

RNA转录组测序发现，DRG中IPA依赖的干扰素γ (IFNγ) 信号通路增加 (扩展数据图11)。为促进DRG神经元再生生长，可体内注射IFNγ(扩展数据图11d-e)。IFNγ 在DRG神经元胞体中表达，但在轴突中不表达。体内单独传递IFNγ可以增加DRG中几种再生信号的表达(扩展数据图11h-k)。

3. IPA提高修复功能和皮肤神经支配功能

通过热刺激反应评估生理感觉功能的恢复，机械性异常疼痛，可能是表皮神经支配不良的后果（图4g-j）。通过解剖观察，热伤害后，IPA不诱发坐骨神经损伤后的机械性异常疼痛，可通过改善表皮神经支配而诱导感觉功能的恢复（图4k-m）。

参考文献

1.Scheib, J. & Hoke, A. Advances in peripheral nerve regeneration. Nat. Rev. Neurol. 9, 668–676

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2. Ferguson, T. A. & Son, Y. J. Extrinsic and intrinsic determinants of nerve regeneration. J. Tissue

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3. Hutson, T. H. et al. Cbp-dependent histone acetylation mediates axon regeneration  induced

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4. Mattson, M. P., Moehl, K., Ghena, N., Schmaedick, M. & Cheng, A. Intermittent metabolic switc-

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5. Longo, V. D. & Mattson, M. P. Fasting: molecular mechanisms and clinical applications. Cell Me-

tab. 19, 181–192 (2014).

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小妮子|撰文

小久|排版

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