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麦角硫因缓解改善阿尔茨海默症认知障碍的机制研究认领

被引量： 1

作者：

李娜

学位授予单位：

中南林业科技大学

摘要：

阿尔茨海默症(Alzheimer's disease,AD)是一种与年龄相关的神经退行性疾病,随着全球人口老龄化问题的日益严峻,AD患者的数量呈上升趋势。发掘有效的饮食干预策略以缓解AD引起的认知障碍,具有重要的公共健康意义。研究表明,麦角硫因(Ergothioneine,ET)能够穿透血脑屏障具有调控中枢神经系统氧化应激反应的能力,且在人体内具有高度的安全性与稳定性。而血浆中ET水平会随着年龄的增长而下降,通过饮食补充ET能成为一种有效缓解AD相关认知障碍的策略。鉴于此,本研究以ET为研究对象,使用线虫、细胞和小鼠等多种体内外模型,从缓解氧化应激胁迫、调节肠脑轴等角度系统研究了 ET对AD症状的缓解改善效果,通过多组学分析ET饮食干预改善AD症状的调控机制,为开发具有改善缓解AD症状的ET饮食干预剂提供理论依据,研究结果如下: (1)使用在肌肉细胞中表达β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein,Aβ)的转基因线虫CL4176为AD模型,评估了 ET对Aβ毒性的缓解作用。25 mmol/L ET能够显著降低线虫的瘫痪率,使瘫痪率下降63.92%。此外,25 mmol/LET显著降低了线虫体内的活性氧(Reactive oxygen species,ROS)水平和以剂量依赖性的方式有效延长CL4176线虫的平均寿命,平均寿命延长了 39.58%。转录组数据分析发现,ET处理诱导了 36个基因上调和44个基因下调。GO功能和KEGG通路分析表明,ET主要影响了线虫的氨酰酶活性、对异源刺激的反应和细胞氨基酸代谢过程等生物学过程以及精氨酸生物合成、酪氨酸代谢、鞘脂代谢、结核病通路、酮体的合成与降解等信号通路。 (2)利用人源型小胶质细胞HMC3氧化应激模型探究ET对细胞氧化损伤的缓解作用。研究表明,75～2400μmol/LET对HMC3细胞无毒性作用。ET预处理2h能够显著缓解H2O2导致的HMC3细胞氧化损伤。WB检测表明,600 μmol/L ET预处理可以显著上调HMC3细胞的抗氧化酶NQO1蛋白表达水平(p<0.05),降低促凋亡蛋白Bax的表达水平(p< 0.05)。通过转录组数据GO功能和KEGG富集分析显示,ET涉及广泛的生物过程,包括信号转导、细胞周期、细胞分化、蛋白质转运、凋亡过程和氧化还原过程。此外,ET通过参与调节细胞周期、P53信号通路、PI3K-Akt信号通路等关键途径,对HMC3细胞的生存、增殖和凋亡过程产生重要影响。 (3)采用双转基因APP/PS1小鼠作为AD动物模型,对3月龄的AD小鼠开展长达6个月的ET饮食干预实验。实验分为WT组、AD模型组、ET低剂量组(20 mg/kg体重,AD-LET)和高剂量(40mg/kg体重,AD-HET)四组。研究表明,AD-HET组小鼠体重增长、饮水量以及主要器官的脏器比未发现显著变化,表明ET具有良好的安全性和生理耐受性。Y迷宫和新物体识别实验表明,AD组小鼠的交替成功率和新物体探索时间随着月龄显著降低(p<0.05),而40 mg/kg ET饮食干预显著改善了AD小鼠的认知功能。HE和尼氏染色表明,ET摄入显著减轻AD小鼠脑组织中神经元的损伤。Aβ和Iba-1免疫荧光实验表明40 mg/kg ET干预可以显著降低小鼠脑组织中Aβ斑块的沉积并且抑制小胶质细胞的过度激活。WB数据表明40 mg/kg ET显著降低了肿瘤坏死因子-α (Tumor necrosis factor-α,TNF-α)的表达。对小鼠脑组织中15种神经递质分析发现,与WT小鼠相比,AD小鼠多巴胺、5-羟色胺、谷氨酸和乙酰胆碱含量显著降低(p<0.05) 。四组小鼠脑组织中共检测出9种趋化因子,相对WT组,AD组小鼠脑组织中CXCL13、CX3CL1、CCL20和CCL27等水平显著升高(p<0.05),AD-LET 和 AD-HET 组 CXCL13 和 CCL20 水平则显著降低(p< 0.05)。 (4) ET饮食干预后,APP/PS1小鼠肠道菌群的丰富度和多样性得到改善。PCA及热图聚类分析表明,AD-LET组小鼠粪便肠道菌群更接近WT组。血清代谢组分析发现ET饮食干预后小鼠血清中ET含量显著升高(p<0.0001),聚类分析表明AD-HET组小鼠的代谢模式与WT组小鼠更接近。对二级质谱鉴定出的39种显著差异代谢物进行KEGG通路分析表明,主要富集在三羧酸循环、牛磺酸代谢、鞘氨醇脂质信号通路、甘油磷脂代谢、亚油酸代谢和氨基酸合成等通路。此外,四组小鼠粪便样品中共检测出11种短链脂肪酸(Shortchain fatty acids,SCFAs),其中,乙酸、丙酸和丁酸占95%以上。AD-LET组异丁酸、丁酸、戊酸和2-甲基丁酸含量显著升高(p<0.05)。采用GC-IMS从小鼠粪便中检出60种挥发性化合物,其中己醛、正丁醇、2-甲基丁醛、丙醇和戊醛随着AD小鼠月龄的增长而增加,与小鼠月龄存在显著的正相关(R2≥0.88),可作为潜在的AD诊断生物标志物。 (5)对小鼠行为学表现、代谢组学、神经递质、趋化因子、肠道菌群及代谢产物SCFAs等多模态数据集关联分析表明,ET通过肠脑轴调节肠道微生物组成、增加丙酸、丁酸和戊酸等SCFAs产生、影响神经递质平衡及调节炎症和免疫反应等多个层面,共同改善了 AD的症状。综上所述,本论文通过采用Aβ线虫模型CLA176和人源性小胶质细胞模型HMC3初步探讨了 ET的抗氧化和神经保护能力。另一方面,本研究基于APP/PS1小鼠模型较系统地研究了 ET的抗AD效果,并从肠脑轴角度探讨了 ET的抗AD作用机制。研究发现,ET通过肠脑轴重塑小鼠肠道菌群、促进SCFAs产生及调节神经递质平衡等机制,有效改善了 APP/PS1小鼠的认知功能。不仅为缓解AD症状的ET饮食干预剂开发提供了理论支撑,也强调了维护肠脑轴健康对于防治AD的重要性。

摘要译文

关键词：

麦角硫因; 阿尔茨海默症; 线虫CL4176; 小胶质细胞; APP/PS1双转基因小鼠; 肠脑轴

学位年度：

2024

学位类型：

博士

学科专业：

食品科学与工程

导师：

吴跃

中图分类号：

TS201.4[食品营养学]

学科分类号：

0822[轻工技术与工程];083201[食品科学];083205[食品营养]

D O I：

10.27662/d.cnki.gznlc.2024.000927