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编者按：本研究系统揭示了阿尔茨海默病（AD）模型中，肠道淀粉样β蛋白（Aβ）的早期积累及其对肠神经系统（ENS）连接性的破坏作用。该研究证实，Aβ是导致肠动力障碍和记忆缺陷的关键介质，并能从肠道传播至大脑。更重要的是，研究发现肠道菌群代谢产物丁酸（Butyrate）可显著减少肠道和大脑中的Aβ积累，改善神经炎症，并有效预防肠神经系统连接异常、肠道功能障碍和记忆衰退。这为通过靶向“肠-脑轴”干预AD进程提供了新的治疗思路和潜在靶点。
早期肠神经系统（ENS）连接障碍、胃肠道（GI）缺陷及Aβ积累出现在SAMP8小鼠中
研究以SAMP8小鼠（一种用于研究年龄相关性淀粉样病理、认知缺陷、神经炎症和散发型AD的模型）为对象，发现其在2月龄（2mo）和6月龄（6mo）时，粪球产出量（FPO）较低，而肠道转运时间较长。肠神经系统连接性关键蛋白EphB2受体酪氨酸激酶在2mo和6mo SAMP8小鼠结肠中显著降低，而突触素（synaptophysin）在6mo时降低。免疫荧光染色显示，SAMP8小鼠结肠肌间丛中Tuj1免疫反应性（IR）的神经节间纤维减少，表明肠神经元连接性降低，同时Aβ在神经元胞体和神经节间纤维束上积累增加。源自SAMP8小鼠的纯化肠神经元培养物中，Aβ产生增加，细胞膜损伤标志物乳酸脱氢酶（LDH）释放增多。机制上，SAMP8小鼠结肠中淀粉样前体蛋白（APP）全蛋白、β-分泌酶1（BACE1）和早老素1（PS1）的表达增加，而Aβ降解酶脑啡肽酶（neprilysin）减少，表明APP的淀粉样生成途径被促进。在另一AD转基因模型Tg2576小鼠的结肠中也观察到胆碱乙酰转移酶（ChAT）、一氧化氮合酶（nNOS）、EphB2和突触素的减少，表明ENS病变是AD模型的共同病理特征。
Aβ在体外损害肠神经元连接性和活性
用外源性Aβ寡聚体制备物处理野生型（WT）大鼠来源的纯化肠神经元，可导致Aβ在神经元突起和胞体上呈点状聚集，并增加LDH释放。Aβ处理显著降低了WT肠神经元中Tuj1-IR神经突起的水平，并以剂量和时间依赖性方式降低了EphB2和突触素的蛋白水平。电生理记录显示，Aβ处理降低了肠神经系统（ENS）培养物中自发性微小突触后电流（mPSC）的振幅和频率。钙成像技术进一步证实，Aβ处理或源自SAMP8小鼠的肠神经元，其自发性和藜芦碱（veratridine）诱发的Ca2+瞬变幅度、曲线下面积（AUC）和频率均受损。这些结果表明Aβ损害了肠神经元的连接性和电生理活性。
Aβ在小鼠和人类体外模型中破坏ENS连接性
通过向3月龄WT小鼠结肠肌层内直接注射Aβ，可以在体内模拟肠道淀粉样病理。注射1个月后，Aβ注射组小鼠的FPO降低，结肠肌间丛中Tuj1-IR神经节间纤维减少，但HuC/D-IR神经元总数无变化，表明神经元连接性受损。同时，ChAT表达降低，EphB2、突触素及其下游信号分子ERK和p-ERK也显著减少。在人类诱导多能干细胞（iPSC）衍生的包含ENS的肠道类器官（HIO+ENS）中，Aβ处理同样导致EphB2和突触素表达降低。在培养24小时的人结肠外植体模型中，Aβ处理也显著降低了EphB2、突触素和神经元标志物PGP9.5的表达，并增加了LDH释放。这些结果在多种模型中证实，Aβ能够直接破坏ENS连接性并产生细胞毒性。
丁酸（Butyrate）预防Aβ诱导的肠神经元功能损伤
丁酸是肠道细菌发酵膳食纤维产生的短链脂肪酸（SCFA）。体外实验表明，丁酸能以剂量依赖的方式增加ENS培养物中EphB2和突触素的表达，并降低APP、BACE1和PS1的蛋白水平。在源自SAMP8小鼠的纯化肠神经元中，丁酸处理能防止Tuj1-IR神经突起减少，并阻断EphB2和突触素的耗竭。免疫荧光和酶联免疫吸附试验（ELISA）显示，丁酸显著降低了SAMP8神经元内和培养基中的Aβ水平，并减少了LDH释放。在WT肠神经元中，丁酸也能阻止外源性Aβ诱导的EphB2和突触素减少。钙成像实验证实，丁酸处理可以挽救SAMP8来源或Aβ处理的WT肠神经元中受损的自发性和藜芦碱诱发的Ca2+信号。这些结果表明，丁酸通过减少Aβ产生和/或增加其清除，来保护肠神经元连接性和功能。
丁酸减少SAMP8小鼠肠道中APP的淀粉样加工并改善胆碱能表型
对3周龄断奶的SAMP8小鼠通过饮水连续补充丁酸5个月。代谢组学分析显示丁酸摄取增加。ELISA检测证实，丁酸处理显著降低了SAMP8小鼠结肠和血浆中的Aβ1-40和Aβ1-42水平。丁酸处理还逆转了SAMP8小鼠结肠中APP和BACE1表达的上调以及脑啡肽酶的下调，并降低了BACE1的酶活性。免疫荧光分析显示，丁酸处理恢复了SAMP8小鼠结肠肌间丛中ChAT的表达和Tuj1-IR的神经节间纤维束，但对nNOS的表达改善不明显。丁酸可能通过调节组蛋白去乙酰化酶（HDAC）功能发挥其有益作用，因为它能纠正SAMP8小鼠结肠中异常的HDAC1/3表达以及组蛋白H3和H4的乙酰化水平。
丁酸改善SAMP8小鼠的肠道神经炎症
SAMP8小鼠结肠肌间丛中胶质纤维酸性蛋白（GFAP）免疫反应性的肠胶质细胞（EGCs）数量增多、面积增大、胞体肿胀，呈现反应性胶质增生。丁酸处理显著降低了SAMP8小鼠中这种反应性肠胶质增生的水平。实时定量PCR（RT-qPCR）分析显示，SAMP8小鼠结肠中促炎细胞因子肿瘤坏死因子α（TNFα）和白介素6（IL6）的mRNA水平大幅升高，而丁酸处理可将其恢复至对照水平。抗炎细胞因子IL10有升高趋势但未达显著差异。这些数据表明丁酸改善了SAMP8小鼠肠道中的神经炎症状态。
丁酸改善神经元连接性并预防SAMP8小鼠的肠-脑功能障碍
丁酸处理恢复了SAMP8小鼠结肠中EphB2和突触素的蛋白表达水平。功能上，丁酸处理挽救了SAMP8小鼠降低的FPO，改善了肠道运动功能。在行为学测试中，丁酸处理完全防止了SAMP8小鼠在新物体识别（NOR）和Y迷宫测试中表现出的短期记忆缺陷。然而，丁酸处理未能改善SAMP8小鼠在高架十字迷宫（EPM）和旷场（OF）测试中表现出的去抑制（焦虑样行为减少）和运动活动亢进表型。这说明丁酸特异性挽救了与淀粉样病理和连接性损伤相关的记忆缺陷，但对其他行为表型影响有限。
丁酸预防SAMP8小鼠的脑淀粉样病理
研究进一步探讨了丁酸对大脑淀粉样病理的影响。ELISA检测显示，丁酸处理显著降低了SAMP8小鼠海马组织中的Aβ水平。硫黄素S（ThioS）染色显示，丁酸处理减少了SAMP8小鼠海马区淀粉样斑块的数量。此外，丁酸处理还上调了SAMP8小鼠海马中EphB2和突触素的蛋白表达。这些结果综合表明，口服补充丁酸不仅能改善肠道病理，还能减轻大脑中的淀粉样蛋白负荷，并增强与记忆相关的突触蛋白表达，从而实现从肠道到大脑的系统性保护作用。
