《NeuroToxicology》：Elevated fecal silver, lithium, and platinum in cognitive impairment: A pilot exploration of microbiota–metal interactions
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本研究针对肠道微生物群（GMB）与金属暴露在认知障碍（CI）中的作用机制尚不明确的问题，开展了整合GMB宏基因组测序、25种粪便金属ICP-MS定量以及多维认知评估的初步探索。结果发现，与健康对照（HC）相比，aMCI和AD患者粪便中银（Ag）、锂（Li）和铂（Pt）浓度显著升高（p < 0.001），但未观察到GMB多样性的显著差异。这提示特定金属元素的肠道排泄异常可能与神经退行性过程存在潜在关联，为未来大规模纵向研究提供了新方向。
随着全球人口老龄化加剧，阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）及其前驱阶段——遗忘型轻度认知障碍（Amnestic Mild Cognitive Impairment, aMCI）已成为严峻的公共卫生挑战。这些疾病不仅给患者家庭带来沉重负担，其复杂的病理机制，如β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积和tau蛋白过度磷酸化，至今缺乏有效的根治手段。近年来，科学家们将目光投向了人体内一个庞大的“隐形器官”——肠道微生物群（Gut Microbiota, GMB）。这个栖息在肠道内的微生物生态系统，通过所谓的“肠-脑轴”（Gut-Brain Axis）与大脑进行着密切的双向通讯，影响着神经炎症、免疫调节等关键过程。另一方面，人类在日常生活中不可避免地会通过饮食、空气等途径暴露于各种金属元素，其中一些金属（如铅、镉）已被证实具有神经毒性，并能扰乱肠道菌群的平衡。然而，将GMB、金属暴露和认知障碍这三者联系起来进行系统性研究的尝试仍然较少。我们不禁要问：特定的金属暴露是否会调节GMB与认知功能之间的关系？这对于理解认知障碍的早期机制有何启示？
为了回答这些问题，由David Mateo领衔的研究团队在《NeuroToxicology》上发表了一项开创性的初步研究。他们精心设计了一项横断面研究，招募了来自西班牙塔拉戈纳地区的60名年龄在60至85岁之间的参与者，并将其分为三组：12名单域aMCI患者、18名AD患者以及30名年龄和性别匹配的健康对照（Healthy Controls, HC）。为了增强统计效力，研究人员后续将aMCI和AD患者合并为认知障碍（Cognitive Impairment, CI）组（n=30）与HC组（n=30）进行比较。所有参与者都排除了可能干扰结果的特定因素，如近期使用抗生素、患有胃肠道疾病等。
研究团队运用了多项关键技术方法来构建一个多维度的分析框架。首先，他们采用鸟枪法宏基因组测序（Shotgun Metagenomic Sequencing）对收集的粪便样本进行DNA测序，从而全面评估肠道微生物的组成和多样性。其次，利用高灵敏度的电感耦合等离子体质谱法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS）精确量化了粪便样本中25种金属元素的浓度，涵盖了从必需元素到潜在毒性金属的广泛范围。此外，所有参与者都接受了一套长达约两小时的标准化神经心理学测试电池评估，涵盖了认知功能、情绪状态、神经精神症状和日常生活能力等多个维度。在数据分析阶段，研究人员采用了包括多样性指数分析（如Chao1指数、Shannon指数、Bray-Curtis距离）和多元统计模型（如MaAsLin2）在内的生物信息学方法，以探寻微生物、金属与临床表型之间的复杂关联。
3.1. 队列特征和认知、情绪、神经精神及功能评估
结果显示，CI组和HC组在年龄、体重指数（BMI）、教育年限、吸烟饮酒习惯以及地中海生活方式指数（MEDLIFE）的大部分组分上均无显著差异，这表明两组在基本人口学特征上具有可比性。然而，正如预期那样，在认知功能评估方面，CI组在多项测试中的表现显著差于HC组。例如，在简易精神状态检查（Mini-Mental State Examination, MMSE）、记忆损害筛查（Memory Impairment Screen, MIS）、自由和线索选择性提醒测验（Free and Cued Selective Reminding Test, FCSRT）以及执行功能相关的连线测验（Trail Making Test, TMT）B部分等测试中，CI组得分均显著较低（p值经Holm-Bonferroni校正后仍显著）。同时，CI组也表现出更多的神经精神症状和日常生活活动能力（Activities of Daily Living, ADL）的下降。这些结果有力地证实了CI组参与者确实存在符合诊断的认知和相关功能损害。
3.2. 金属测定
这是本研究最引人注目的发现之一。在检测的25种金属中，银（Ag）、锂（Li）和铂（Pt）在CI组参与者粪便中的浓度显著高于HC组，且差异具有高度的统计学意义（所有p < 0.001，经校正后p = 0.023）。具体而言，Ag在CI组的中位浓度为78.8 ng/g，而HC组仅为5.00x10-4ng/g；Li在CI组为15.5 ng/g，HC组为3.65 ng/g；Pt在CI组为0.658 ng/g，HC组为0.002 ng/g。其他金属，如铝（Al）、镉（Cd）、铜（Cu）、铁（Fe）、铅（Pb）等，在两组间未发现显著差异。这一发现将Ag、Li、Pt这三种相对研究较少的金属元素推到了认知障碍潜在生物标志物的前沿。
3.3. 微生物多样性和多变量线性模型
与研究初始假设相反，分析结果显示，CI组和HC组在肠道微生物的丰富度（Chao1指数）和α多样性（Shannon指数）上均未观察到显著差异。同样，反映群落结构差异的β多样性（Bray-Curtis相异度）分析也未发现组间存在统计学意义的区别。此外，通过多变量线性模型调整了年龄、BMI和教育年限等混杂因素后，研究人员并未发现Ag、Li、Pt这三种金属的浓度与微生物多样性指标或认知测试得分之间存在显著的关联。
研究的讨论部分对上述结果进行了深入剖析。认知功能的广泛下降符合aMCI和AD的典型临床特征。然而，肠道微生物多样性缺乏组间差异的结果，与之前一些报道AD患者存在菌群失调（Dysbiosis）的研究不尽相同。作者认为，这可能是由于本研究的样本量相对较小，以及CI组内部包含了不同疾病阶段的患者，存在一定的异质性所致。他们引用自己团队另一项规模更大的研究指出，在更大的AD队列中确实观察到了微生物多样性的降低。
对于粪便中Ag、Li、Pt水平升高的发现，研究者提出了几种可能的解释。关于银（Ag），已有动物实验表明，银纳米颗粒可以穿过血脑屏障，在大脑中积累并引发氧化应激和神经炎症，从而导致神经毒性。本研究中CI患者粪便Ag升高可能反映了机体试图通过肠道加速排泄Ag，以减少其系统性损害的保护性机制。关于锂（Li），这是一个特别有趣的发现。近期有研究报道，在aMCI和AD患者的大脑前额叶皮层中，内源性锂的水平实际上是降低的，提示大脑可能存在锂的缺乏。因此，本研究中观察到的粪便锂水平升高，可能意味着体内锂稳态失调，导致锂的生物利用度下降，尤其是大脑中的锂不足。动物模型证实，锂缺乏会促进Aβ沉积和tau蛋白磷酸化，而补充锂则具有神经保护作用。此外，锂也被证明可以调节GMB组成和短链脂肪酸的产生，从而影响肠-脑轴通讯。关于铂（Pt），其环境或治疗性（如化疗药物）暴露可能导致吸收。动物研究表明铂化合物具有神经毒性。粪便Pt水平升高同样可能是一种限制其全身性暴露的排泄机制。
尽管先前有研究将镉（Cd）、铁（Fe）、铅（Pb）等金属与GMB改变联系起来，但本研究在当前样本中并未发现金属浓度与GMB或认知结果之间的显著关联。作者承认，这可能是由于样本量限制或临床异质性所致，并强调未来需要更大规模的研究来澄清这些关系。
总结而言，这项开创性的多维试点研究揭示了认知障碍患者粪便中银、锂、铂排泄的特异性升高，这为理解神经退行性疾病中金属稳态失衡提供了新的线索。尽管未能证实初始假设中关于肠道微生物群整体多样性改变的直接关联，但研究结果凸显了特定痕量金属元素在认知障碍病理生理过程中的潜在重要性。这些发现强调了将环境暴露因素与宿主微生物组整合分析的必要性。正如作者所指出的，未来的研究方向应是开展大规模、纵向的队列研究，以确定这些金属变化是原因还是结果，阐明其背后的分子机制，并评估它们作为早期诊断或风险分层生物标志物的潜在价值。这项研究为探索认知障碍的复杂病因开辟了一个新的视角，即关注微生物群-金属相互作用这一交叉领域，有望为早期干预策略带来新的启示。
