​南医大赵洁/蔡铮团队揭示葛根抗性淀粉驱动肠道菌群产生褪黑素改善缺血性脑卒中的机制

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撰文︱练卓诗

审阅︱赵   洁

责编︱王思珍，方以一

缺血性脑卒中（Ischemic stroke）为脑供血动脉局灶性狭窄或闭塞导致脑组织坏死和神经功能损伤的总称。据估计，每年约有79.5万人患有脑卒中，其中缺血性脑卒中患者约占87%[1]。除了伴有偏瘫和失语等神经功能障碍外，高达50%的卒中患者会出现胃肠道并发症，如吞咽困难、便秘、肠漏及肠道菌群失调等；而肠道菌群失调引起的内毒素入血又会加重缺血性脑卒中的不良预后[2-4]。因此，缺血性脑卒中的发生发展与肠道菌群失调和肠屏障功能障碍密切相关。益生元（prebiotics）干预可调节肠道菌群（gut microbiota），被认为是治疗神经系统疾病的合理策略。葛根抗根淀粉（Pueriariae Lobatae Radix-resistant starch，PLR-RS）是一种潜在的新型益生元；然而，其对缺血性脑卒中的作用尚不清楚。

近日，南方医科大学的赵洁和蔡铮团队在《药理学研究》（Pharmacological Research）杂志上发表了题为“Gut microbiota-derived melatonin from Puerariae Lobatae Radix-resistant starch supplementation attenuates ischemic stroke injury via a positive microbial co-occurrence pattern”的研究论文，揭示了葛根抗性淀粉驱动肠道菌群产生褪黑素改善缺血性脑卒中的机制。练卓诗、徐影和王婵为论文共同第一作者，赵洁和蔡铮为论文共同通讯作者。该研究发现，葛根抗性淀粉可减轻卒中大鼠的脑损伤和肠屏障功能障碍并逆转了肠道菌群失调。粪菌移植实验确证了PLR-RS对缺血性脑卒中大鼠的保护作用依赖于肠道菌群。有趣的是，PLR-RS驱动肠道菌群产生褪黑素，而褪黑素通过在肠道中构建了积极的肠道菌群共存模式（co-occurrence pattern），进而减轻缺血性脑卒中损伤。此项研究提出葛根抗性淀粉或可作为新型益生元改善卒中患者的预后。

在此项研究中，作者通过对低、中、高剂量PLR-RS进行了药效学研究，发现高剂量PLR-RS可减轻卒中所致的体重下降及神经功能损伤（图1a, b）。全脑TTC染色呈现界限分明的白色梗死灶（卒中后24小时）及组织完整性丧失（卒中后14天）；而补充高剂量PLR-RS可减轻脑水肿、脑组织缺损及降低脑梗死率（图1c, d）。因此，作者确证了PLR-RS减轻卒中诱导脑损伤的最佳剂量。基于“肠-脑轴”理论，作者进一步考察PLR-RS是否对肠道有保护作用，发现PLR-RS的补充可减少结肠病理损伤、降低肠道通透性及抑制细菌移位（图1e–h）。这些结果表明，葛根抗性淀粉可减轻卒中大鼠的脑损伤和肠屏障功能障碍。

图1葛根抗性淀粉减轻卒中大鼠的脑损伤和肠屏障功能障碍

（图源：Zhuoshi, Lian et al., Pharmacol Res, 2023）

PLR-RS为中药葛根中的一种水不溶性多糖，其可抵御消化酶的降解并抵达结肠作为被细菌发酵的底物。因此，作者进行了粪便16s rRNA测序分析以探讨PLR-RS是否能调控卒中大鼠的肠道菌群。LefSe分析结果表明，PLR-RS在属水平上富集了肠道有益菌，例如阿克曼氏菌（Akkermansia）和双岐杆菌（Bifidobacterium）（图2a）。鉴于肠道菌群的组成变化伴随着其生理功能的改变，作者进行了PICRUSt分析，在基因水平上预测肠道微生物的生理功能，并发现在PLR-RS的干预下，与营养代谢相关的功能通路显著上调，例如“淀粉和蔗糖代谢”和“碳水化合物消化和吸收”。此外，PLR-RS显著上调了与氨基酸生物合成或代谢相关的通路，例如“苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成”和“精氨酸合成”（图2b）。这些结果表明PLR-RS补充可改变卒中大鼠肠道菌群的组成和生理功能，尤其是富集了肠道有益菌及加强了菌群的营养代谢能力 ，从而改善肠道微生态。经粪菌移植实验验证，PLR-RS调控后的粪便微生物群在减轻脑和结肠损伤方面具有与PLR-RS相似的作用（图2c–e）。以上结果表明：肠道菌群是葛根抗性淀粉保护缺血性脑卒中的关键上游因子。

图2葛根抗性淀粉保护缺血性脑卒中依赖肠道菌群

（图源：Zhuoshi, Lian et al., Pharmacol Res, 2023）

鉴于PICRUSts分析提示肠道菌群的代谢功能发生改变，作者进行了代谢组学分析以探究PLR-RS通过调节肠道菌群改善缺血性脑卒中的潜在机制。经筛选，色氨酸代谢物—褪黑素引起了作者的关注，因其是迄今发现的最强的内源性自由基清除剂。作者发现，相比于卒中大鼠，补充PLR-RS可提高盲肠内容物和血清中的褪黑素水平，但并无显著性差异（图3a, b）；然而，PLR-RS补充后褪黑素在大脑中显著蓄积（图3c）。这可能与褪黑素具有良好的脂溶性和水溶性有关，褪黑素可因此进入到大多组织甚至蓄积在线粒体中，导致其在血液循环和肠道内容物中的水平降低[5]。此外，褪黑素是一种调节节律和改善睡眠的内源性神经激素，主要由大脑松果体合成；然而，胃肠道也是合成褪黑素的重要来源[6]。为探究增加的褪黑素是否来源于肠道菌群，作者通过体内实验清除肠道菌群后发现褪黑素水平显著下降，而减少了肠道褪黑素水平后可介导卒中的易感性（图3d–f）。此外，作者还通过体外实验发现PLR-RS与肠道菌群共孵育后，褪黑素水平显著升高；同时，经外源性补充褪黑素，卒中大鼠的大脑和结肠损伤得到明显改善（图3g–j）。这些结果表明：葛根抗性淀粉可驱动肠道细菌产生褪黑素保护缺血性脑卒中。

图3葛根抗性淀粉驱动肠道细菌产生褪黑素保护缺血性脑卒中

（图源：Zhuoshi, Lian et al., Pharmacol Res, 2023）

肠道微生物区系是一个复杂的生态系统或社区，其中的细菌成员很少独立生活，而是彼此产生相互作用，进而影响肠道微生态的稳定性[7]。因此，在肠道菌群的角度研究细菌成员之间的相互作用（即共生关系）可深入地探讨褪黑素在缺血性脑卒中的作用。作者通过Spearman相关性分析研究了肠道菌群之间的相互作用，并利用共存模式（co-occurrence pattern）可视化肠道微生态的共生关系。结果显示，MCAO组和褪黑素组的度分布曲线均呈现出幂律分布（图4a, b），表明具有高度连接的中心物种是少数的及所构建的网络是非随机的。接下来，作者比较了两组的共存模式，发现褪黑素组的共存模型呈现出更大的网络，表明褪黑素可诱导更加紧密且复杂的相互作用（图4c, d）。在肠道菌群的共存模式中，一些特定物种由于能与较多物种产生相互作用而在维持网络稳定性方面具有重要领导作用。该领导作用促使这些物种成为关键物种或基石菌（keystone species）。经鉴定，在褪黑素所构建的菌群共存模式中，基石菌大多为肠道有益菌，例如Enterorhabdus、Bacteroidales_S24–7_group、Prevotella_9、Ruminococcaceae和Lachnospiraceae（图4e, f）。这些结果表明，褪黑素可促使有益细菌在肠道微生态中引领积极的肠菌共生模式，通过加强肠菌之间的共生关系促进肠道内稳态。

图4褪黑素构建了积极的肠道菌群共存模式以改善肠菌之间的共生关系

（图源：Zhuoshi, Lian et al., Pharmacol Res, 2023）

图5工作总结图：葛根抗性淀粉驱动肠道菌群产生褪黑素改善缺血性脑卒中

（图源：Zhuoshi, Lian et al., Pharmacol Res, 2023）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，此项研究探讨了葛根抗性淀粉是否通过“菌-肠-脑轴”减轻缺血性脑卒中损伤。该研究发现葛根抗性淀粉可诱导卒中大鼠的肠道菌群产生褪黑素，而褪黑素可通过在肠道中构建积极的肠菌共存模式，促进肠道内稳态及增强肠屏障功能，从而减轻缺血性脑卒中损伤（图5）。此项工作揭示了葛根抗性淀粉减轻缺血性脑卒中损伤的机制，为使用益生元进行神经保护治疗提供了重要依据，也为葛根抗性淀粉应用为新型益生元改善卒中患者预后提供了潜在的临床转化价值。
此外，该研究中尚未解决的问题或可提示后续的研究方向：（1）该研究从肠道菌群组成及生理功能两个方面，整体地阐述了葛根抗性淀粉的益生元功能，然而并未聚焦到某类特定菌属在缺血性脑卒中的作用；（2）该研究表明葛根抗性淀粉可驱动肠道菌群产生褪黑素。然而，对于能产生褪黑素的特定菌属或菌种尚不明确。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.phrs.2023.106714

赵洁团队（左一、左二）、蔡铮（左三）。

（照片提供自：南方医科大学药学院赵洁、蔡铮团队）

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参考文献（上下滑动查看）  [1] Virani SS, Alonso A, Aparicio HJ, et al. Heart disease and stroke statistics-2021 update: A report from the american heart association. Circulation 2021;143(8):e254-e743.[2]  Kerber KA, Brown DL, Lisabeth LD, et al. Stroke among patients with dizziness, vertigo, and imbalance in the emergency department: A population-based study. Stroke 2006;37(10):2484-2487.[3]  Camara-Lemarroy CR, Ibarra-Yruegas BE, Gongora-Rivera F. Gastrointestinal complications after ischemic stroke. Journal of the neurological sciences 2014;346(1-2):20-25.[4]  Xu K, Gao X, Xia G, et al. Rapid gut dysbiosis induced by stroke exacerbates brain infarction in turn. Gut 2021.[5]  Bonnefont-Rousselot D, Collin F. Melatonin: Action as antioxidant and potential applications in human disease and aging. Toxicology 2010;278(1):55-67.[6]  Chen C-Q. Distribution, function and physiological role of melatonin in the lower gut. World Journal of Gastroenterology 2011;17(34):3888.[7]  Wu G, Zhao N, Zhang C, et al. Guild-based analysis for understanding gut microbiome in human health and diseases. Genome medicine 2021;13(1):22.          

编辑︱王思珍
本文完