新闻动态

NEWS

平台介绍

新闻动态

联系我们

首页

文献解读 | 糖尿病患者福音！认知损伤有救了！间歇性禁食改善糖尿病引起的认知损伤

发布时间：

2022-12-09 14:48

导读：

认知减退是2型糖尿病中一种严重的并发症，其中的病因是多因素的。

研究人员发现28天间歇性禁食方式能够通过微生物菌群-代谢物-脑轴改善行为障碍：间歇性禁食能够提高海马线粒体的生物合成和能量代谢基因表达；重构肠道微生物；同时改善与认知功能相关的微生物代谢物。而且研究人员还发现了间歇性禁食影响的基因、微生物和代谢物之间的紧密联系。

这篇文章我们就来详细看一下间歇性禁食如何改善认知损伤。

本期解读文献

研究背景：

在世界范围内的2型糖尿病 (T2D) 患病数量越来越多。而认知减退是2型糖尿病中一种严重的并发症，其中的病因是由多因素引起的。包括大脑胰岛素抵抗、大脑微血管损伤和神经炎症。以前的研究发现T2D相关的或高脂引起的认知缺陷与大脑胰岛素抵抗、葡萄糖摄取下降、神经递质代谢失调和线粒体功能紊乱有关。

间歇性禁食（IF）是一种周期性的禁食方法，可有效改善代谢，减轻胰岛素抵抗等T2D症状，在一些动物模型中也显示出神经保护和改善认知的作用，但其对T2D引起的认知功能障碍的保护作用尚不清楚。

在这里，研究人员发现28天IF方式能够通过微生物菌群-代谢物-脑轴改善行为障碍：IF能够提高海马线粒体的生物合成和能量代谢基因表达；重构肠道微生物；同时改善与认知功能相关的微生物代谢物。

而且研究人员还发现了IF影响的基因、微生物和代谢物之间的紧密联系。用抗体清除肠道微生物能够部分废止IF的神经保护作用。在提升认知功能方面，IPA、5-HT、SCFAs和TUDCA具有和IF饮食相似的效果。

实验设计：

实验流程

主要结论：

1. IF抑制胰岛素抵抗和认知障碍

将自发2型糖尿病的db/db小鼠分为2组，分别进行随意饮食（以下简称AL）或者间歇性禁食（以下简称IF），历时28天。以正常db/m小鼠AL饮食作为正常对照。结果发现，IF在不改变全部能量摄取的情况下减轻了db/db小鼠的体重。此外，在此疗法结束时，IF处理大大地减少了db/db小鼠每天的摄水量和尿量。

在第28天，通过胰岛素耐受试验评估IF在db/db小鼠中对胰岛素抵抗的影响，与AL饮食的小鼠相比，IF处理通过抑制空腹血糖水平（降低54.8％）和空腹胰岛素水平（降低29.8％）来提高db/db小鼠的胰岛素敏感性。db/db小鼠经IF治疗后，反映胰岛素抵抗的HOMA-IR值降低。此外，IF有意地减少了附睾白色脂肪组织（eWAT）的质量和脂肪细胞的大小。

Morris水迷宫测试显示IF处理可改善糖尿病小鼠的认知能力、增加空间记忆。高架迷宫的结果表明，IF疗法可改善db/db小鼠的焦虑行为和自主活动能力。

图1. 间歇性禁食缓解胰岛素抵抗和DB / DB小鼠中的认知损伤

2. IF改善突触超微结构和胰岛素信号传导

处死小鼠后，观察了参与认知和记忆的脑区海马突触的超微结构。突触后密度（PSD）分析显示，与db/db组相比，db/db-IF组小鼠PSD的长度和宽度均升高。

在海马区对胰岛素信号进行评估，结果显示IF增加了IRS1-Tyr896/IRS1和Akt的磷酸化，表明它激活了海马胰岛素信号通路。另外还观察到，与db/db小鼠相比，IF治疗增强了BDNF（一种参与维持神经元存活和突触功能的神经营养因子）的表达，并增强ERK/CREB的磷酸化（BDNF合成的上游信号）。同样地，在IF处理的小鼠的海马区中，兴奋性突触后密集区中的一种支架蛋白PSD-95的表达也增加了，这与PSD超微结构的改变一致。

还值得注意的是，介导炎症的主要转录因子NFκB在糖尿病小鼠的海马中被激活，而IF处理抑制了NFκB的活化，并下调了JNK/p38的磷酸化和Iba-1的蛋白表达。

图2. 间歇性禁食改善db/db小鼠脑内突触超微结构，改变IRS/Akt和CREB/ERK信号

3. IF促进海马的线粒体生物发生

为了确定海马区中IF调控的关键生物学过程和途径，对小鼠海马区进行了RNA测序，与db/db和db/m小鼠相比，发现db/db-IF小鼠中有1181个基因高表达，其中大多数富含线粒体相关的GO条目。对db/db小鼠中低表达基因的GO条目分析表明，db/db小鼠的呼吸链和线粒体分裂/翻译生物学过程是失调的，提示糖尿病小鼠海马线粒体代谢异常。然而与线粒体相关基因表达有关的调控通过IF疗法得到了纠正。

此外，经IF处理后，db/db小鼠海马区中483个基因的表达与db/m小鼠中的水平相当，甚至其中31.3％的基因比db/m小鼠中的表达量更高（60个基因）或更低（91个基因）。IF还通过上调线粒体基因表达来提高与KEGG氧化磷酸化（OXPHOS）途径相关的基因。对这些基因的KEGG分析还表明，IF处理改善了在db/db小鼠中下调的OXPHOS中能量代谢相关基因的表达。加权基因共表达网络分析（WGCNA）确定了5个包含功能和生物连锁基因的模块。

qPCR分析证实，在db/db小鼠中，IF上调了线粒体和代谢基因的表达。作为线粒体生物发生指标，db/db小鼠海马中的mtDNA/nDNA比值被IF升高，表明线粒体基因上调可能是线粒体质量增加的结果。

进一步通过检测PGC1α和AMPK/mTOR蛋白的表达，以揭示db/db-IF组中线粒体生物发生上调的潜在机制。IF导致线粒体生物发生的主要调节子PGC1α蛋白表达的显著增加；这与线粒体相关基因的上调建立了强烈的相关性。

与先前的研究一致，IF增加了AMPK的活性，该激酶对禁食状态下细胞能量代谢敏感，并抑制了mTOR的磷酸化，mTOR是一种真核细胞营养传感器，在调节线粒体质量控制和OXPHOS过程中起着至关重要的作用。

图3. 间歇性禁食改善海马中的能量代谢和线粒体生物发生

4. IF重塑了肠道菌群和菌群代谢物

肠屏障的完整性对于维持肠通透性和预防内毒素血症至关重要，并且还与糖尿病及其并发症相关。也有报道说，肠道通透性增加会增加内毒素血症，从而加剧炎症，进而触发葡萄糖耐量受损。

因此，通过评估绒毛长度、肌层厚度和杯状细胞数量来研究IF对肠屏障完整性的影响。结果显示，IF增加了糖尿病小鼠的绒毛长度和肌层厚度，但对杯状细胞的数量没有影响。结肠通透性的结果提示IF可阻止肠漏并伴随血浆LPS水平的下降。肠屏障中的紧密连接蛋白claudin-1的表达在db/db-IF结肠组织中也有所升高，这与肠道通透性的改变相一致。

在第0天（基线水平）和第28天，使用16S rRNA测序检测小鼠粪便样本中的肠道菌群组成。结果发现，虽然OTUs的总数仍然保持在最初的相同水平上，但α多样性在经过28天的IF处理后显著增加。db/db-IF小鼠在第28天的未加权Unifrac距离与其他组不同，这表明IF疗法同时改变了β多样性。

考虑到时间作为一个影响背景，不同的饮食和鼠的基因型是肠道微生物组塑形的主要因素，分别解释了总变异的5.9％和7.7％。IF处理并不能完全抵消糖尿病的影响，Allobaculum和Bifidobacterium的相对丰度在db/db小鼠中均减少。然而，IF处理改善了Lactobacillus和丙酸盐产生菌Odoribacter的丰度，同时Enterococcus、Streptococcus和 unknown Enterococcaceae是减少的。与db/db组相比，在db/m和db/db-IF组中，来自Candidatus Arthromitus、Rummeliibacillus、unknown Enterococcaceae和Leuconostocaceae的细菌均较低。

此外，已鉴定的IF相关属与肥胖、认知相关的血糖和体重有关。具体而言，Candidatus Arthromitus和unknown Leucostocaceae与血糖呈正相关（Pearson相关系数分别为0.52和0.72，p<0.05）。unknown Enterococcaceae与体重呈正相关（Pearson相关系数=0.59，p<0.05）。

考虑到小鼠基因类型的影响，在第28天评估了db/db组和db/db-IF组小鼠的肠道菌群组成。发现总共有17个受IF影响的zOTUs，其中5个属于Lactobacillus。同时，PICRUSt分析揭示了11种不同丰富的KEGG基因通路。其中，在db/db-IF组中初级和次级胆汁酸的生物合成丰富。

为了研究IF治疗对肠道菌群和宿主代谢的影响，研究人员利用非靶向代谢物组学进行检测分析，发现IF处理28天后，db/db小鼠血浆中许多代谢物发生了明显变化。特别强调了预先确定的、其水平主要由肠道菌群的丰富度来调节的23种微生物代谢产物的子集，以证明IF处理、肠道菌群和代谢组之间的直接联系。

在这些代谢产物中，与AL组的的db/db小鼠相比，IF组血浆中5-HT、色氨酸、对羟基苯乙酸、N-乙酰基色氨酸、肉桂酰甘氨酸、IPA和胆汁酸（如胆酸（CA）、脱氧胆酸（DCA）、鼠李酸（MCA）和TUDCA）的水平升高。相反，db/db-IF组的酪氨酸、苯基乙酰基甘氨酸、苯基丙酰甘氨酸、磷酸甲酚和对甲酚硫酸盐以及12-羟基二十碳五烯酸（12-HEPE）的水平低于db/db组。

短链脂肪酸（SCFA）被证明具有保护肠屏障功能和调节胰岛素敏感性的功能，因此，研究人员还分析了粪便样品中SCFA的浓度。经过28天的处理，IF改善了db/db小鼠的乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐水平。而血浆中的SCFA浓度很低，因此在本研究中使用非靶向的代谢组学无法准确检测到。

图4. 间歇性禁食db/db小鼠肠道菌群和血浆代谢组学分析

5. IF疗法的综合多组学分析

在确定了IF在糖尿病小鼠中上调或下调的不同组学特征后，下一步是评估海马区基因表达、肠道菌群组成和微生物代谢产物之间的相互作用，与IF处理对小鼠认知缺陷观察到的影响相联系。利用DIABLO法对多组学数据进行分析，该方法是一种多元降维判别分析的方法，旨在从各种组学技术中识别出生物学相关和高度相关的特征。

在进行多组学整合之前，首先评估了IF上调的枢纽（hub）基因（n=36）、IF改变的OTUs（n=17），预先确定的血浆微生物代谢产物（n=23）和三个粪便SCFAs，即乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐，是否能够以多变量方式预测小鼠的IF状态。

使用部分最小二乘鉴别分析进行预测建模，并将其纳入重复双交叉验证框架（rdCV-PLSDA），从而有效地降低了统计的拟合风险。在db/db和db/db IF小鼠之间实现了显著分离，hub基因、OTUs和代谢物的预测准确度分别为100%、90%和95%。对于每个组学数据集，潜在成分的最佳选择数为1。所构建模型的预测能力优于1000个置换模型，证明了预测模型在区分db/db和db/db-IF时的稳健性和有效性，该模型使用了组学特征的简约集，具有很强的通用性。

然后对多组学特征进行综合建模，并从每个组学数据集中确定了一个潜在成分，包括10个关键预测因子，在db/db和db/db-IF之间形成了很大的分离。最佳选择的关键预测因子包括几种肠道菌群，即Lactobacillus、Bacteroides和 Facklamia, 微生物共代谢物，如胆汁酸、IPA、5-HT、色氨酸、羟基色酚和硫酸吲哚酚，以及富含线粒体、核糖体或代谢相关GO术语的基因。关键预测因子也是高度相关的。

图5. 与IF治疗相关的多组学综合建模策略和模型性能

6. IF的有益作用需要肠道菌群

为了证明肠道菌群在介导固有糖尿病认知缺陷中的关键作用，研究人员尝试研究去除db/db小鼠肠道菌群后，IF所观察到的有益作用是否会受到影响。

应用抗生素鸡尾酒疗法来确定微生物群在IF提供的神经保护中的作用。在4周IF处理开始前14天以及整个实验过程中，给小鼠饮用水中添加抗生素，28天后评估其行为学变化。抗生素治疗削弱了IF治疗的减肥效果。抗生素治疗对eWAT的重量没有影响，但会增加肝脏和盲肠的重量。IF和抗生素处理均能减少db/db小鼠的食物和摄水量。然而，抗生素的使用并没有影响IF对胰岛素抵抗的有益作用。

值得注意的是，使用Morris水迷宫测试评估的认知改善与IF相关，部分被抗生素治疗所消除。此外，在db/db-IF小鼠中抗生素处理废除了线粒体生物发生的上调。对PSD的分析显示，通过抗生素处理，db/db-IF小鼠的PSD宽度减小了。这些结果共同表明，肠道菌群的移除部分地消除了IF对认知功能的保护作用。

另外，与db/db-IF组相比，通过抗生素处理移除肠道菌群，可显著降低db/db小鼠血浆中IPA的水平和粪便中SCFAs水平。

图6. 抗生素及微生物代谢物对IF治疗db/db小鼠认知功能的影响

7. 肠道菌群代谢物改善认知功能

另外进行的一项动物实验，以研究IF在调节肠道菌群代谢产物，特别是在抗生素治疗组中降低的IPA和SCFAs在改善认知缺陷中的作用。除此之外，还研究了外周5-HT和TUDCA对认知功能的影响，因为在这项研究中显示IF组中这些代谢产物是升高的。先前的研究也报道了其神经保护作用的潜力。

在db/db小鼠中，所有这些代谢物分别地口服均可改善认知功能和胰岛素敏感性。与IF处理的有益效果相一致，这些代谢物的口服还增强了线粒体的生物发生并保护了突触的超微结构。此外，TUDCA的处理可抑制db/db小鼠的体重增加，而其他测试的代谢物则不能。此外，所有代谢物处理对db/db小鼠的摄食量和摄水量都没有影响。虽然这些代谢物的处理剂量高于IF疗法组小鼠，但这些结果部分地评估了这些代谢物在IF疗法中的因果关系和作用。

总结：

大量研究表明，IF通过重塑肠道菌群对糖尿病及其并发症发挥有益作用。但是，IF是否可以缓解糖尿病相关的认知缺陷以及在肠道菌群中所起的作用仍不清楚，这就迫切需要对IF是如何改善认知功能的潜在机制作研究。

本研究通过对糖尿病小鼠行为/突触结构、线粒体/能量代谢相关信号的全面研究，以及对多组学的整合分析，首次证明了28天的IF处理可通过微生物-代谢物-脑轴减轻糖尿病诱发的认知障碍。

总体而言，当前的研究表明，在IF治疗后的糖尿病小鼠中，肠道菌群可通过肠道菌群代谢产物与认知功能之间建立新颖而令人信服的联系。IF治疗可重塑肠道菌群并改变肠道菌群代谢产物，上调海马区线粒体的生物发生和能量代谢，保护突触超微结构，并减轻认知和空间记忆障碍。IF对菌群/代谢物/基因变化的影响应该在临床试验中进一步评估。一旦通过验证，IF便可作为用于控制代谢性和神经退行性疾病的新型生态方法。

参考信息：

【杂志名】：Nature Communications

【影响因子】：IF=12.121

【治疗方式】：间歇性禁食（IF）

【疾病】：2型糖尿病引起的认知损伤

【样本类型】：小鼠动物模型

【技术方法】：16S +非靶向代谢组学+转录组

【是否菌群验证】：是

【关键菌群】：Lactobacillus，Odoribacter

主办 | 艾菱菲市场营销部

监制 | 太阳风、时时

总编 | 柠檬