 精神分裂癥（Schizophrenia, SCZ）是一種破壞性的精神類疾病，影響大約全球總人口的0.5-1%。此前研究者將重點放在對人類基因組的分析上，以確定SCZ的發(fā)病機制。通過全基因組關聯(lián)（GWAS）分析已鑒定出108個易感基因座，但這些關聯(lián)在SCZ中僅占約4%。可見，在遺傳因素之外，還有其他因素影響著SCZ的發(fā)生。腸道菌群可以通過菌群-腸-腦軸（MGB）調節(jié)大腦功能和行為，且已被報道可影響宿主的情緒、記憶、認知和自發(fā)活動。最近的臨床和臨床前研究表明腸道菌群的紊亂和SCZ的發(fā)生存在潛在的聯(lián)系。為了研究SCZ中菌群-腸-腦軸的潛在作用機制，重慶醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院謝鵬研究團隊等利用16S rRNA測序、糞菌移植和代謝組學技術在SCZ人群和小鼠模型上系統(tǒng)研究了SCZ相關的腸道菌群變化以及腸道菌群調節(jié)宿主生理和行為的可能機制（見下圖），相關成果發(fā)表于Science Advances（2017 IF=11.5）。  臨床樣本研究 本研究共納入63例SCZ病人和69例年齡、性別和BMI匹配的正常人。PANSS評分（評定SCZ癥狀嚴重程度）范圍為45-120。對糞便樣本進行16S rRNA分析后發(fā)現(xiàn)：相比于正常組，SCZ組的微生物豐富度指數(shù)（Chao）和多樣性指數(shù)（Shannon）都顯著降低（圖1A），表明SCZ病人腸道菌群多樣性更低。β多樣性分析表明兩組的腸道菌群結構有明顯差異（圖1B）。另外，性別和抗精神病藥物對微生物表型無顯著影響。LEfSe分析找出77個有差異的OTUs，其中23個OTUs在SCZ患者中是增加的，包括Veillonellaceae, Prevotellaceae, Bacteroidaceae和Coriobacteriaceae；剩余54個是降低的，包括Lachnospiraceae, Ruminococcaceae, Norank和 Enterobacteriaceae。作者進一步和先前發(fā)表的重度抑郁癥研究結果作對比以確定SCZ中的菌群結構變化是否是相對特異的。相比于正常組，分別只有15.3%和30.3%的OTUs在SCZ和抑郁癥組是同步增加和降低的，表明SCZ中觀察到的腸道微生物組成變化相對于抑郁癥是特異的。為了鑒定與SCZ癥狀嚴重程度相關的細菌，作者采用相關分析發(fā)現(xiàn)2個和PANSS評分顯著正相關以及6個負相關的OTUs，如下圖1D所示。作者進一步采用逐步回歸分析來鑒別關鍵的診斷SCZ的微生物標志物。SCZ和正常間最顯著的差異出現(xiàn)在Aerococcaceae, Bifidobacteriaceae, Brucellaceae, Pasteurellaceae和Rikenellaceae。由它們組成的標志物組用于診斷SCZ和正常的ROC曲線下面積為0.769（圖1E），表現(xiàn)出了潛在的診斷價值。  動物模型研究 1. 移植SCZ病人腸道菌群可誘導無菌小鼠表現(xiàn)出SCZ相關行為 臨床糞便樣本研究已經觀察到SCZ病人的腸道菌群發(fā)生了明顯紊亂，但這種菌群結構的變化是否能夠誘導SCZ？作者采用糞菌移植（FMT）實驗發(fā)現(xiàn)相比HC小鼠，移植SCZ菌群的小鼠表現(xiàn)出高度活躍（圖2A）和焦慮減弱的表型（圖2B），強迫游泳實驗中的靜止時間明顯縮短（圖2C）。高度活躍是多個SCZ嚙齒動物模型中最一致的發(fā)現(xiàn)。在Y迷宮、社交測試和社會新穎性偏好試驗中，移植SCZ和正常人菌群的小鼠表現(xiàn)無明顯差異（圖2D-F）。移植SCZ菌群小鼠對高分貝聲音表現(xiàn)出更夸張的驚嚇反應（圖2G），但前脈沖抑制實驗（PPI）無顯著區(qū)別（圖2H）。顯著增加的驚嚇反應是dysbindin基因敲除SCZ模型的主要特征。以上這些行為試驗表明，小鼠移植了SCZ菌群后表現(xiàn)出SCZ相關的運動亢進、焦慮和抑郁樣行為減輕以及驚嚇反應增加，提示SCZ菌群受體小鼠的微生物組成紊亂與SCZ小鼠模型的幾種表型特征有關。  2. SCZ病人中發(fā)現(xiàn)的關鍵差異細菌在糞菌移植受體小鼠中成功定植 作者同樣對糞菌移植小鼠的糞便進行了多樣性分析以確定臨床研究中發(fā)現(xiàn)的關鍵差異細菌是否在小鼠腸道中成功定植。SCZ菌群移植小鼠和正常菌群移植小鼠的菌群結構有較大差異。逐步回歸分析顯示Aerococcaceae和Rikenellaceae是兩組間差異最顯著的細菌。兩者的組合用于區(qū)分SCZ菌群移植小鼠和正常菌群移植小鼠的準確率為100%。另外，Aerococcaceae和Rikenellaceae在SCZ病人和SCZ菌群移植小鼠中的變化是一致的。 3. SCZ菌群移植小鼠腸-腦氨基酸和脂質代謝紊亂 為了表征菌群參與的功能，作者利用全基因組鳥槍法測序分析了糞菌移植小鼠的盲腸糞便樣本。通路富集分析顯示有8條通路在SCZ菌群移植小鼠中是上調的，25條通路是下調的（圖3）。其中，參與脂質和氨基酸代謝的基因在SCZ菌群移植小鼠中富集。  接下來，作者對糞便、血清和海馬組織進行非靶向代謝組學分析，發(fā)現(xiàn)SCZ菌群移植小鼠和正常菌群移植小鼠的代謝輪廓有顯著差異。相比于正常菌群移植小鼠，SCZ菌群移植小鼠的血清和海馬谷氨酰胺增加，糞便和海馬谷氨酸降低，海馬γ-氨基丁酸（GABA）增加。血清谷氨酸和GABA以及糞便GABA無顯著性差異（圖4A-C）。谷氨酸能神經傳遞，尤其是降低的海馬谷氨酸已被廣泛報道和SCZ病理機制密切關聯(lián)。這三個代謝物在大腦皮層中有顯著變化，而在小腦或紋狀體中并沒有，表明谷氨酸-谷氨酰胺-GABA循環(huán)紊亂局限于谷氨酸豐富的大腦區(qū)域（海馬和大腦皮層）。功能聚類分析顯示海馬、血清和糞便中差異表達的代謝物主要參與氨基酸和脂質代謝（圖4D），與全基因組鳥槍法測序結果一致。已有報道表明SCZ病人血清和大腦脂質代謝顯著紊亂。SCZ菌群移植小鼠的外周和大腦甘油磷脂顯著降低，而甘油磷脂是關鍵的突觸功能調節(jié)因子，突觸功能的缺失已被認為是SCZ發(fā)病的基礎。  小結 腸道微生物群可以通過MGB軸影響大腦功能和行為，從而誘導各種神經精神類疾病的發(fā)生。該研究首先利用16S rRNA技術分析了臨床SCZ病人的糞便樣本，發(fā)現(xiàn)SCZ病人的腸道菌群發(fā)生了顯著紊亂，一些特定的細菌和SCZ嚴重程度密切相關，由Aerococcaceae, Bifidobacteriaceae, Brucellaceae, Pasteurellaceae和Rikenellaceae 5種細菌組合的Panel顯示出潛在的SCZ診斷價值（ROC曲線下面積為0.769）。接下來，作者采用糞菌移植技術證實了來自SCZ病人的腸道菌群能夠誘導無菌小鼠表現(xiàn)出與其他SCZ小鼠模型類似的SCZ相關行為，且臨床樣本中發(fā)現(xiàn)的關鍵差異細菌可成功在無菌小鼠腸道中定植。接受SCZ病人腸道菌群移植的小鼠表現(xiàn)出與氨基酸、脂質代謝有關的微生物基因和宿主代謝物的紊亂，尤其是海馬中谷氨酸不足，谷氨酰胺和GABA升高。腸道微生物群的改變可能通過調節(jié)MGB代謝途徑參與SCZ的發(fā)生和/或病理。綜上，該研究表明SCZ腸道菌群可改變宿主神經化學和神經功能，而這可能與SCZ發(fā)病機制有關。 參考文獻 Peng Zheng et al., The gut microbiome from patients with schizophrenia modulates the glutamate-glutamine-GABA cycle and schizophrenia-relevant behaviors in mice. Science Advances 2019; 5 : eaau8317.  精彩回顧 |
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