基于“肠道菌群-肠-脑”轴研究粪菌移植对脊髓损伤小鼠的神经保护作用和机制

Gut dysbiosis is the important mechanism for the occurrence and development of many neurological diseases. Our previous clinical and basic studies have shown that the composition and abundance of gut microbiota were altered after spinal cord injury (SCI), but the relationship between the alteration of gut microbiota and the restore of neurologic function after SCI remains unclear. Fecal microbiota transplantation (FMT) can remodel the structure and function of gut microbiota, and has shown good therapeutic effect in the treatment of many central nervous system diseases. On these basis, we hypothesized that FMT could remodel gut microbiota of SCI mice and exert neuroprotective effects on SCI mice. We study the recovery of motor function (behavioral evaluation and detection of action evoked potential), repair of neurological function (number of neurons and axon regeneration), expressions of neuroinflammatory factors and neurotrophic factors, and explore the repair effect of FMT on neurological function of SCI mice. By the application of 16S rDNA sequencing and widely targeted metabolomics technology, as well as bioinformatics analysis, the representative metabolites of gut microbiota were screened. The role of metabolites on FMT treatment of SCI was explored through verification experiment. The mechanism of neuroprotective effect of FMT was preliminarily explained from the perspective of microbiota-gut-brain axis, which provided theoretical basis for clinical application.

肠道菌群失调是许多神经疾病发生发展的重要机制。我们前期的临床和基础研究发现脊髓损伤（SCI）后肠道微生物组成和丰度发生改变，但肠道微生物改变与SCI后神经功能修复的关系尚不明确。粪菌移植(FMT)可重塑肠道微生态的结构和功能；已在多种中枢神经系统疾病的治疗中显示了良好效果。据此我们提出假设：FMT能重塑SCI小鼠肠道微生态，并对SCI小鼠发挥神经保护作用。本研究将从运动功能恢复（行为学评价和动作诱发电位检测）、神经功能修复（神经元数目和轴突再生），神经炎症因子和神经营养因子表达四个方面研究，探讨FMT对SCI小鼠神经功能的修复作用。借助16S rDNA测序技术、广泛靶向代谢组检测技术和生物信息学分析筛选出有代表性肠道微生物代谢物，通过验证实验探讨关键代谢物在FMT治疗SCI中发挥的作用，初步从“肠道菌群-肠-脑”轴角度阐释FMT发挥神经保护作用的机制，为临床应用提供理论依据。

脊髓损伤（SCI）患者的肠道微生物发生紊乱，而基础研究数据表明肠道微生物紊乱加重了SCI模型小鼠的神经功能损伤。越来越多的数据表明肠道微生物在SCI的发生发展中发挥重要作用。因此，我们将来自健康小鼠的肠道菌群移植给SCI小鼠，并假设菌群移植（FMT）有利于SCI小鼠运动功能的修复。本项目包括两个部分。第一部分是探究FMT 对SCI小鼠神经保护作用，高通量测序显示，SCI小鼠粪便样本中厚壁菌门、克里斯滕内尔科和丁酸单胞菌属的水平降低，FMT显著重塑了肠道微生物；行为学，神经电生理，免疫组织化学和分子生物学等检测结果表明，FMT促进SCI小鼠的功能恢复，促进神经元轴突再生，改善动物体重和代谢谱，增强肠屏障完整性和胃肠动力；FMT治疗显著增加了脊髓组织残存、血管灌注和周细胞覆盖以及血脊髓屏障的完整性，抑制了小胶质细胞和星形胶质细胞的活化，并上调神经营养因子的表达和分泌。此外，脊髓损伤后FMT下调脊髓中的IL-1β/NF-κB信号通路和肠道中的NF-κB信号通路。第二部分是通过代谢组学分析FMT对SCI小鼠干预后的差异代谢产物，并筛选出有代表性的代谢产物进行后续机制探讨和验证试验。代谢谱分析显示，FMT治疗后检测到22种差异的代谢产物，并进一步选择丙氨酸进行功能验证实验。补充丙氨酸可显著提高SCI小鼠神经元存活和损伤部位血脊髓屏障的完整性，这些结果表明丙氨酸可能是FMT改善脊髓微环境，发挥神经保护作用的重要代谢产物之一。本项目通过动物实验初步确定了FMT对SCI小鼠的神经保护作用，并尝试从肠道微生物代谢产物方面阐释机制，该研究结果为临床脊髓损伤的治疗提供了全新的思路。