多组学及质谱成像技术研究人参-五味子调控微生物-肠-脑轴治疗阿尔茨海默症的作用机制

Alzheimer's disease is a neurodegenerative disease that seriously endangers human health. Its pathogenesis is complicated, and the only drugs has poor clinical efficacy. The recent research found that “Microbiota-gut-brain axis” consisted by gut microbiota and gut and cerebral nervous system may be closely related to Alzheimer’s disease. Our previous studies have also found that Ginseng-Fructus Schisandra has a good effect on Alzheimer’s disease. Therefore, in this project, as a research object, the bio-action mechanism of Ginseng-Fructus Schisandra for treating AD was investigated by the study model from down （gut microbiota） to top (brain). The multi-omics techniques were applied to research the “drug-gut microbiota interaction” of Ginseng -Fructus Schisandra with intestinal flora. The object of the study is to identify the biomarkers related metabolic pathways and bacterial species associated with Alzheimer’s disease. The distribution of biomarkers and active components of Ginseng-Fructus Schisandra in brain tissue were studied by mass spectrometry image technique. The effects of “drug-gut microbiota interaction” on the metabolism of Ginseng-Fructus Schisandra with and the homeostasis of gut microbiota were investigated. The influence of the content of the small molecular metabolites from gut and brain was also studied. The results of the above studies can be used to clarify the role of Ginseng-Fructus Schisandra in the prevention and treatment of Alzheimer’s disease via regulating the microbiota-gut-brain axis, and could provide the scientific evidences for the research and development of innovative drugs with gut microbiota as therapeutic target.

阿尔茨海默症 (AD) 是一种严重危害人类健康的神经退行性疾病，其发病机制复杂，目前仅有的西药临床疗效欠佳。最新研究表明，肠道菌群与肠、脑神经系统构成的“微生物-肠-脑轴”可能与AD密切相关。申请人前期研究发现，人参-五味子配伍对AD具有很好的疗效。因此，本项目以人参-五味子药对为研究对象，采用由下（肠道菌群）至上（脑）的研究模式，以基于多组学技术为主要研究手段，深入研究人参-五味子药对与肠道菌群之间的“药菌互作”，确定与疾病、疗效相关的生物标志物及相关代谢通路、菌群种属；结合质谱成像技术，研究AD相关的生物标志物及中药活性成分在脑组织的分布；考察“药-菌互作”对于中药成分代谢及肠道菌群稳态的影响，以及对菌群-宿主共生小分子代谢物及相关信号通路的影响，阐明人参-五味子通过对微生物-肠-脑轴的调控作用，发挥防治AD的多成分多靶点作用机制。为以肠道菌群作为治疗靶标的创新药物研发提供依据。

本项目以人参-五味子药对为研究对象，基于多组学技术，质谱成像等技术，阐明人参-五味子药对通过对微生物-肠-脑轴的调控作用。对人参-五味子药对配伍前后的体外化学物质组研究发现，人参-五味子药对配伍后，大分子质量的人参皂苷结构中的糖链被水解，转换为小分子量的人参皂苷，同时木脂素含量总体升高。.进一步对人参-五味子药对的体外肠内菌代谢物质组进行研究，发现人参皂苷主要发生去糖基化作用，通过逐步地降糖作用生成极性较小、质量较小的化合物。木脂素并未发生显著代谢，推测联苯环辛烯类型的木脂素成分，主要以原型的形式吸收进入体内。同时，人参-五味子药对对阿尔兹海默症（AD）大鼠肠道菌群紊乱具有调节作用。而入血成分研究结果表明，人参的入血成分主要为小分子量人参皂苷，在血中含量较低，而药对中五味子木脂素入血成分含量较高。.通过多角度药效学评价证明了人参-五味子药对对AD的治疗作用。利用粪便和血浆非靶向代谢组学以及血浆脂质组学确定生物标志物，探讨人参-五味子药对对相关代谢通路的影响，发现通过人参-五味子药对的调控，生物标志物含量可以显著回调。开发了一种基于LC-MS/MS的异烟肼衍生化策略，结合靶向代谢组学对粪便，血浆，大脑中的含羧基代谢产物进行定量，明确人参-五味子药对对含羧基代谢产物代谢紊乱的调控作用。通过对粪便的基因组学研究，证明了人参-五味子药对对AD大鼠肠道菌群紊乱的调控作用。.进一步通过粪便代谢组学及16S rRNA测序方法对五味子多糖治疗AD大鼠的生物标志物及相关代谢通路、菌群种属进行探究。通过对短链脂肪酸测定、相关性分析以及病理学实验等深入阐述了五味子多糖通过微生物-肠-脑轴，发挥防治AD的作用机制。.利用微透析-质谱联用技术，建立了人参皂苷、五味子木脂素治疗AD的PK-PD关联分析方法。利用质谱成像技术考察人参-五味子治疗AD的空间脑组织分布，发现与AD密切相关的4种神经递质含量显著回调；且检测到3种木脂素类、2种人参皂苷类成分。