IF=10.6!南昌大学聂少平教授团队在Cell子刊发表肠道益生菌改善阿尔茨海默病新成果!

肠道益生菌如何远程调控大脑功能？南昌大学聂少平教授团队在 Cell 子刊Cell Reports Medicine发表了题为《Escherichia coli Nissle 1917 alleviates Alzheimer’s disease in mice through OmpA-containing outer membrane vesicles》的研究性论文，首次揭示益生菌大肠杆菌Nissle 1917通过分泌外膜囊泡携带关键蛋白OmpA穿越肠-脑屏障，重塑中枢免疫网络，从而显著改善阿尔茨海默病小鼠的认知功能与病理特征。该成果为开发基于细菌囊泡的神经退行性疾病健康干预提供了全新思路。

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是一种中枢神经系统的退行性病变，主要发生在老年或老年前期，症状包括记忆障碍、失语、失用、失认以及视空间能力损害等。大量研究表明，AD的发病机制与肠道菌群失调密切相关，肠道微生物通过其代谢产物（如短链脂肪酸）或结构成分（如脂多糖、肽聚糖）与宿主进行双向通讯，进而影响中枢神经系统的免疫状态和神经功能。益生菌干预被证实能够在一定程度上缓解认知衰退，但其中的分子机制长期悬而未决。近年来，肠道菌分泌的一种直径20-400 nm的外膜囊泡（Outer membrane vesicles, OMVs），其携带核酸、蛋白质、酶和代谢物等多种母菌成分，被认为是细菌与宿主细胞之间信息交流的重要载体，使得OMVs在调节肠道稳态、免疫应答乃至远端器官功能方面的作用日益受到关注。其中，大肠杆菌Nissle 1917（Escherichia coli Nissle 1917, EcN）是一种被广泛研究的肠道益生菌，已报道具有调节血清素代谢、改善神经炎症等潜在神经保护作用，但EcN是否通过其分泌的OMVs影响肠脑轴通讯、进而干预阿尔茨海默病病理，此前尚无任何研究报道。因此，深入解析EcN OMVs能否跨越肠-脑屏障、如何重塑中枢神经免疫网络，不仅有助于揭示益生菌作用的本质，也为开发基于细菌囊泡的神经退行性疾病治疗策略提供了全新的视角。

AD患者肠道中EcN-样菌减少，且与认知能力正相关

为探究肠道菌群与认知功能之间的潜在联系，研究团队首先对18名AD患者和22名健康对照者的粪便样本进行了宏基因组测序。结果显示，AD患者的肠道菌群多样性显著降低，菌群组成发生明显偏移，其中益生菌EcN-样菌株的丰度与患者的简易精神状态检查表（Minimum Mental State Examination, MMSE）认知评分呈显著正相关，即认知能力越差的患者，其肠道内EcN-样菌越少。此外，AD患者肠道微生物功能通路的变化集中在外泌体生成、蛋白质输出、转运以及谷氨酸和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA）能突触信号等方面，提示肠脑之间可能存在囊泡介导的通讯系统。

EcN通过分泌OMVs缓解AD病理

在此基础上，研究人员使用APP/PS1转基因AD小鼠模型进行体内干预。口服EcN后，小鼠海马区β-淀粉样蛋白（β-Amyloid, Aβ）斑块面积和数量显著减少，特别是直径超过600 µm²的大斑块明显减少；同时，神经炎症因子IL-1β、IL-6和TNF的蛋白水平显著下降，Y迷宫和和新物体识别认知行为测试也表明得到明显改善。为了验证OMVs是否是EcN发挥作用的关键，团队使用GW4869（一种外泌体/囊泡释放抑制剂）预处理EcN，结果表明，被抑制OMVs分泌的EcN菌株的神经保护效应大幅降低。这明确表明，OMVs是EcN介导缓解AD病理的关键效应物。

EcN OMVs可进入大脑，OmpA蛋白是穿越屏障的关键成分

EcN OMVs不仅定植于结肠，还出现在脾、肾、肝、肺等多个外周器官，更重要的是，在脑部的皮层、海马和下丘脑区域也检测到了清晰的tdTomato荧光信号。免疫共染色显示，这些进入大脑的EcN OMVs主要被神经元摄取，部分被小胶质细胞和星形胶质细胞内化。利用AF647荧光标记的EcN OMVs进行时间动力学分析发现，血液和脑中的EcN OMVs信号在给药后3小时达到峰值，12小时内基本被清除，提示EcN OMVs以一种动态、可控的方式进入大脑神经中枢。

EcN OMVs调控大脑神经-免疫网络

EcN OMV处理组与对照组之间有178个基因显著上调、56个基因下调，这些差异基因富集于神经元功能、突触信号传导、胶质细胞活化等通路。基因集富集分析进一步证实，小胶质细胞、星形胶质细胞和神经元相关基因集均被显著调控。转录因子网络分析提示，Stat3、Nfe2l2、Runx1、Spi1、Neurod2等关键转录因子的表达变化，可能驱动了炎症反应、小胶质增殖分化以及星形胶质细胞成熟与神经发生。这些分子层面的变化为EcN OMVs重塑中枢免疫微环境提供了直接证据。

EcN OMVs缓解AD小鼠神经功能损伤

在细胞与功能水平上，EcN OMVs带来了令人振奋的改善。免疫染色显示，EcN OMV干预组小鼠海马CA1和CA3区的神经元数量显著增加，TUNEL阳性凋亡细胞减少。突触前蛋白SYP和突触后蛋白PSD-95的表达强度以及共定位的突触点数均明显升高，树突棘密度也显著增加。电生理记录进一步表明，海马CA3区苔藓纤维突触的长时程增强作用（Long-term potentiation, LTP）在OMV处理后明显增强，这直接解释了行为学上认知功能的提升。

EcN OMVs调控神经-免疫细胞功能互作

星形胶质细胞和小胶质细胞是中枢神经系统中的主要胶质细胞，它们对维持和支持神经元功能稳态具有重要作用。而EcN OMVs对小胶质细胞的状态产生了深刻的调节作用。虽然EcN OMV治疗组海马中IBA1阳性小胶质细胞的总数略有增加（约8.5%），但这些小胶质细胞从过度活化的“阿米巴样”形态转变为了静息监测状态：它们的突起变得更长、分支更多、节段和末端点数增加，细胞体积也相应增大。与此同时，CD68阳性的活化标记显著下降，表明小胶质细胞的过度炎症反应被有效抑制。更重要的是，EcN OMVs处理增强了小胶质细胞对Aβ斑块的包围和吞噬能力，同时减少了它们对正常突触的过度修剪（表现为PSD-95阳性物质在小胶质细胞内的体积下降）。此外，星形胶质细胞与微血管的接触更加紧密，紧密连接蛋白OCLN表达升高，血脑屏障和血-脑脊液屏障的完整性得到改善。这些结果表明，EcN OMVs通过协调星形胶质细胞-小胶质细胞-神经元三方对话，重建了中枢神经系统的免疫与功能稳态。

OmpA蛋白是EcN OMVs神经-免疫调控关键成分

OMVs究竟是如何穿越血脑屏障并发挥神经-免疫调控作用的？蛋白质组学分析显示，EcN OMVs携带了843种蛋白质，其中外膜蛋白OmpA和OmpF含量最高。已有研究表明OmpA在细菌与宿主细胞的相互作用中发挥关键作用。为了验证其功能，团队构建了OmpA敲除的EcN突变株（ΔOmpA−/−）。结果发现，ΔOmpA−/− OMVs不仅穿透肠道屏障和进入脑实质的能力显著下降，其对AD小鼠的Aβ清除、认知改善效果也明显弱于野生型EcN OMVs。然而，直接静脉注射纯化的重组OmpA蛋白并不能模拟OMVs的保护作用，只有将OmpA包裹在完整的EcNOMV结构中，才能实现稳定的靶向递送和功能发挥。这说明OmpA是EcN OMVs跨屏障转运的关键调控成分，而OMV的脂质双层结构为其提供了保护与协同作用。