《Cell Biochemistry and Biophysics》：Heat-Killed Bifidobacterium longum KABP-042 and Lactiplantibacillus Plantarum KABP-051 Prevent Scopolamine-Induced BDNF Reduction and Memory Impairment in Mice
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认知衰退与精神障碍与脑源性神经营养因子（BDNF）水平降低密切相关。本研究针对东莨菪碱（SCOP）诱发的BDNF减少和认知损伤，利用Bdnf-Luc转基因小鼠模型，通过活体生物发光成像技术，评估了热灭活乳酸菌（LAB）的预防作用。研究发现，口服热灭活长双歧杆菌KABP-042可显著阻止BDNF的降低，而热灭活植物乳杆菌KABP-051具有部分保护作用。两种菌株均能有效改善东莨菪碱诱导的海马依赖性记忆损伤。该研究证实了特定热灭活乳酸菌对神经保护的有效性，并为通过膳食因子支持脑健康提供了实用的评估工具。
随着全球人口老龄化加剧，阿尔茨海默病、痴呆和抑郁症等与认知功能下降相关的精神障碍已成为重大的公共卫生挑战。这些疾病不仅严重影响患者的生活质量，也给家庭、社会及医疗体系带来沉重负担。尽管遗传因素在其中扮演了一定角色，但越来越多的研究表明，环境与生活方式因素，特别是饮食，在脑健康中发挥着至关重要的作用。在连接饮食、肠道与大脑的复杂网络中，“肠道-脑轴”成为了一个关键的桥梁。其中，乳酸菌（Lactic Acid Bacteria, LAB）因其悠久的食用历史、公认的安全性以及多样的健康促进特性，受到了广泛关注。然而，活菌在应用上存在储存、稳定性及潜在风险等局限。相比之下，经过热灭活处理的乳酸菌及其代谢产物（统称为“后生元”），因其更佳的稳定性和安全性，正成为功能食品和神经保护研究的新宠。
大脑如何维持其可塑性以适应和学习？一个名为脑源性神经营养因子（Brain-derived neurotrophic factor, BDNF）的蛋白质扮演着核心角色。它被喻为大脑的“营养肥料”，对神经元的生存、生长、分化以及学习记忆所必需的“突触可塑性”至关重要。大量临床与临床前研究表明，BDNF水平的降低与认知能力下降、轻度认知障碍（Mild Cognitive Impairment, MCI）向阿尔茨海默病的转化，乃至抑郁症等精神疾病密切相关。因此，寻找能够维持或提升大脑BDNF水平的膳食干预手段，成为了预防和治疗认知相关疾病极具潜力的策略。但如何在活体动物中无创、实时、动态地监测大脑内BDNF的变化，一直是技术上的难点。传统方法通常需要在不同时间点处死动物获取脑组织进行分析，无法对同一个体进行纵向追踪。
为了攻克这一难题，科学家们培育出一种特殊的转基因小鼠模型——Bdnf-荧光素酶（Bdnf-Luciferase, Bdnf-Luc）小鼠。这种小鼠的大脑在表达BDNF的同时，也会表达一种来自萤火虫的荧光素酶蛋白。当向小鼠体内注射其底物（荧光素）后，荧光素酶催化底物发光，其发光强度与BDNF的表达水平成正比。借助高灵敏度的活体光学成像系统，研究人员便可以“看见”并定量分析活体小鼠大脑中BDNF的动态变化，实现了对神经保护性膳食因子的高效、无创筛选。本研究正是利用这一先进工具，探究特定热灭活乳酸菌能否对抗药物诱导的BDNF减少和记忆损伤，相关成果已发表在《Cell Biochemistry and Biophysics》期刊上。
主要关键技术方法：
本研究采用Bdnf-Luc转基因小鼠，建立了基于活体生物发光成像（Bioluminescence Imaging, BLI）的BDNF表达动态监测平台。通过腹腔注射东莨菪碱（Scopolamine, SCOP）建立认知损伤和BDNF减少的小鼠模型。口服给予热灭活的长双歧杆菌KABP-042、植物乳杆菌KABP-051及另一株对照菌株，持续14-16天。利用IVIS活体成像系统，在给药前后对小鼠头部进行BLI，通过划定感兴趣区域（Region of Interest, ROI）定量分析脑部发光信号强度变化。行为学上，采用情景恐惧条件反射（Contextual Fear Conditioning）实验，通过自动视频分析系统量化小鼠在再次进入曾遭受电击的环境时的“僵直”行为，以评估海马依赖性记忆功能。
研究结果：
建立可视化东莨菪碱诱导BDNF减少的BLI技术
研究人员首先验证了BLI技术监测SCOP效应的可行性。如图1所示，对Bdnf-Luc小鼠连续多日腹腔注射SCOP（1 mg/kg）后，活体BLI清晰地显示其头部生物发光信号显著减弱，而注射生理盐水的对照组信号变化不大。通过ROI定量分析和变化率计算，确认重复给药（连续2天）可稳定诱导出显著的BDNF表达降低，为后续干预研究提供了可靠的评价模型。单次给药效果不明显，而共同注射临床常用认知改善药物多奈哌齐（Donepezil）可阻止这种信号降低，验证了模型的敏感性。
口服热灭活LAB对东莨菪碱诱导BDNF减少的影响
在建立模型基础上，研究者评估了三株热灭活LAB的预防效果。如图2所示，小鼠预先口服菌株14天后，再接受SCOP攻击。结果显示，口服生理盐水或热灭活的口腔链球菌KABP-054的小鼠，其脑部BLI信号在SCOP后显著下降。然而，预先口服热灭活长双歧杆菌KABP-042的小鼠，其信号降低被显著阻止。热灭活植物乳杆菌KABP-051也显示出抑制信号下降的趋势，但保护作用弱于KABP-042。这表明KABP-042能有效预防SCOP引起的大脑BDNF水平下降。
口服热灭活LAB对东莨菪碱诱导记忆损伤的影响
BDNF与学习记忆功能直接相关，因此研究进一步在C57BL/6N野生型小鼠上检验了这两种菌株的行为学保护作用。通过情景恐惧条件反射实验（图3），单次较高剂量SCOP（2 mg/kg）可显著损害小鼠的记忆，表现为测试阶段“僵直”时间百分比大幅降低。口服KABP-042或KABP-051预处理后，小鼠的记忆损伤得到部分但显著的改善，其效果与阳性对照药多奈哌齐相当。更有趣的是，当以1:1比例联合口服KABP-042和KABP-051时，对记忆的保护作用似乎优于单独使用任一种菌株，提示两者可能存在协同或互补效应。
研究结论与讨论：
本研究成功地将Bdnf-Luc小鼠活体BLI技术应用于膳食微生物的神经保护功效筛选。主要结论是：热灭活的长双歧杆菌KABP-042能显著预防东莨菪碱引起的大脑BDNF表达降低，而热灭活的植物乳杆菌KABP-051具有部分保护作用；这两种热灭活菌株（后生元）均能有效改善东莨菪碱诱导的海马依赖性记忆损伤。
其重要意义体现在多方面：首先，在科学层面，它直接证实了特定的热灭活乳酸菌（后生元）可通过口服途径发挥神经保护作用，即使不具有活性，其细胞组分仍能通过“肠道-脑轴”影响大脑关键神经营养因子BDNF和认知功能，拓宽了人们对益生菌/后生元功能的认识。其次，在技术层面，研究突出了Bdnf-Luc活体成像平台的价值。该技术实现了对大脑内BDNF表达的无创、纵向、实时可视化监测，为快速筛选具有调节神经可塑性潜力的膳食因子、功能食品成分或药物提供了高效、灵敏的工具，克服了传统终点法检测的局限。再者，在应用层面，后生元具有稳定性高、安全性好、易于储运和应用于各种食品载体等优势。KABP-042和KABP-051作为有潜力的后生元候选，为开发用于支持脑健康、预防或辅助改善认知衰退的功能性食品和膳食补充剂提供了实验依据。
关于其作用机制，文章在讨论中提出了基于现有研究的合理推测。尽管未在本研究中直接验证，但指出可能涉及迷走神经通路以及肠道激素的介导。例如，补充数据表明KABP-042能在体外刺激肠内分泌细胞分泌胰高血糖素样肽-1（GLP-1），而GLP-1可通过迷走神经或直接作用于脑内受体来影响包括海马在内的脑功能。此外，其他研究也发现某些热灭活菌能促进肠道血清素释放，进而通过类似通路增强海马神经发生和记忆。联合用药效果更佳，提示不同菌株可能通过相同或不同的信号通路协同作用。当然，后生元也可能通过调节神经炎症、小胶质细胞激活等已知途径发挥作用，这些都有待未来研究深入揭示。
总之，这项研究不仅鉴定出具有神经保护潜力的特定热灭活乳酸菌株，更重要的是展示了一种强大的、可用于未来大脑健康相关功能因子发现和评估的活体筛选平台。它将膳食干预、肠道微生物、脑内关键分子事件和最终的行为学表型有机连接起来，为通过营养策略维护脑健康、对抗认知衰退开辟了新的思路和切实可行的技术路径。
