现普遍认为阿尔茨海默病（AD，又称老年痴呆）是一种神经退行性脑部疾病，目前市场上治疗AD的药物只能改善症状，还没有药物能减缓或阻止AD造成的神经损伤。本文的研究者们发现，肠道菌群可能与阿尔茨海默病有关，由此开展了关于肠道菌群在AD的进程中变化以及AD新药GV-971在小鼠模型中的作用机制。

　　2.6 比较轻度认知障碍AD患者和对应年龄段的健康人血液中苯丙氨酸、异亮氨酸和Th1免疫细胞等含量的差别

　　使用5XFAD转基因（Tg）小鼠模型评估肠道菌群改变在AD发病机理中的作用。Tg小鼠海马体中突触素的表达水平显著下降，表明突触退化（图1a），而Tg小鼠在9个月大时的行为测试显示辨别学习显著下降（图1b）。

　　16SrRNA测序比较了AD进展中不同阶段的Tg小鼠和WT小鼠的肠型。肠道类型分析显示，Tg小鼠聚集在鼠杆菌科的norank属中，WT小鼠聚集在乳酸杆菌属中（图1c）。在TG小鼠中AD进展过程中肠道微生物群的显著变化,在WT小鼠中几乎没有变化（图1d）。利用OTUs技术发现Tg小鼠在AD进程中肠道菌群发生了变化（图1e）。在AD小鼠大脑切片中对IBA1（小胶质细胞激活的标志）进行免疫染色，有明显的小胶质细胞激活阶段（图1f）。小胶质细胞激活可以分为两种类型：促炎性M1和神经保护性M2亚型。初期M1和M2小胶质细胞均增加，随后M1亚型持续增加并在7-9个月达到高峰，而M2型小胶质细胞从3个月下降至5个月并保持此后处于低水平（图1g）。分析AD进展过程中脑中浸润的外周免疫细胞，Tg小鼠的脑中CD45high细胞的频率显着高于WT小鼠，与IBA1染色的结果相似（图1f，h）。进一步分析AD进展过程中一系列时间点的CD45high细胞亚型的变化（图1i）。使用k-均值聚类，发现CD4+T细胞的改变作为CD45high细胞的主要部分，概述了M1细胞的改变（图1i，j）。浸润的Th1和Th2细胞是CD4 +细胞的两个主要亚型，表现出与M1和M2小胶质细胞相似的动力学（图1k）。随着肠道菌群模式的改变，免疫细胞群趋向于转变为Th1和M1为主的状态。

　　Tg小鼠的抗生素治疗导致肠道中微生物数量显著减少（图2a）。伴随着这种变化，脑内浸润性促炎性Th1细胞（图2b）和M1细胞（图2c）减少 。

　　WT小鼠与Tg小鼠共同饲养。对这些小鼠中肠道菌群变化的分析表明，在共同饲养的WT小鼠和Tg小鼠之间，肠道微生物群的组成非常相似，但与单独饲养的WT小鼠相比有显着差异（图2d）。此外，在共同饲养的WT和Tg小鼠浸润的Th1细胞也显着高于单独饲养的WT小鼠（图2e）。同时，在共同饲养的WT小鼠中M1细胞仅略有增加（图2f），这表明微生物群的改变主要影响浸润的免疫细胞而不是驻留的免疫细胞。与免疫细胞变化相一致，在共同饲养的WT和Tg小鼠之间，脑中的细胞因子表达显示出明显的相似性，但WT小鼠不同（图2g）。

　　为了验证肠道菌群在AD进展中的重要作用，研究者对APP / PS1小鼠进行GV-971（图3a）治疗三个月。直到13个月大时，GV-971对认知障碍表现出显着的改善作用，这表现为APP / PS1小鼠在莫里斯水迷宫（MWM）任务的训练试验（图3b）和探针试验（图3c）中空间学习能力和记忆能力增强。GV-971还可以显着改善小鼠在Y迷宫中的表现（图3d）。

　　从7个月大开始，在Tg小鼠中每月口服GV-971显着改变了肠道菌群的组成（图4a，b）。与肠道菌群改变相一致，Tg小鼠的GV-971治疗破坏了先前在脑淋巴细胞和肠道细菌变化之间的相关性（图4c），脑Th1细胞减少（ 图4d）显着降低了小胶质细胞活化（图4e），并降低了多种脑细胞因子水平（图4f）。同时，GV-971处理显着减少了Tg小鼠的Aβ斑块沉积，tau磷酸化，并减轻了歧视性学习能力的下降（图4g–i）。

　　对代谢物进行途径富集分析进一步揭示了氨基酸相关代谢途径和酶的显著变化，特别是苯丙氨酸相关途径（图5a）。使用随机森林算法对这些氨基酸进行分类，将苯丙氨酸在WT和Tg之间是最常见的，然后是异亮氨酸，5-羟色胺，组氨酸和乙酰鸟氨酸（图5b），表明随着疾病的进展它们具有强相关性。然后，在GV-971治疗或未治疗的Tg小鼠中检查了粪便和血液样本中所选氨基酸的浓度，并将其与WT小鼠进行了比较。Tg小鼠粪便中苯丙氨酸和异亮氨酸的浓度显着高于WT小鼠，GV-971处理将其浓度显着降低至与WT小鼠相当的水平（图5c）。血液中苯丙氨酸和异亮氨酸的浓度也发生了类似的变化（图5d）。暴露于苯丙氨酸或异亮氨酸的Th1细胞分化显着增强，这被GV-971处理抑制（图5e）。苯丙氨酸和异亮氨酸显着促进了Th1细胞的增殖，GV-971处理抑制了苯丙氨酸诱导的Th1细胞的增殖，但异亮氨酸的作用几乎没有改变（图5f，蓝色柱）。此外，注射苯丙氨酸和异亮氨酸对野生型小鼠进行治疗，观察到血液中Th1细胞的频率显着增加（图5g）。AD受试者在MCI血液中的苯丙氨酸和异亮氨酸浓度以及Th1细胞频率显着高于健康受试者（图5h，i）。此外，在另一个AD的MCI中也证实了血液中苯丙氨酸和异亮氨酸水平的升高（图5j），表明血液中苯丙氨酸和异亮氨酸的异常蓄积和Th1频率的升高可能是AD患者MCI和健康受试者MCI的特征。

　　除Aβ沉积和tau磷酸化外，AD进展过程中肠道菌群的改变还会引起代谢紊乱。异常的代谢产物产生会引起周围炎症，增加免疫细胞的大脑浸润，而免疫细胞与大脑中的M1小胶质细胞发生串扰，导致病理性神经炎症和认知障碍（左图）。口服GV-971可调节肠道菌群，使紊乱的代谢产物正常化，减少外周免疫细胞向大脑的浸润，解决神经炎症，并减少Aβ沉积和tau磷酸化，从而最终改善认知功能（右图）。

　　GV-971是一种抗AD药物，在第3阶段临床试验中，已证明可逆转轻中度AD患者的认知损害。在本研究中，发现GV-971有效地修复了肠道微生物群，降低了粪便和血液中苯丙氨酸和异亮氨酸的浓度，并减少了与Th1相关的脑神经炎症。值得注意的是，GV-971处理的Tg粪便本身可以很大程度上模拟GV-971治疗的疗效，而抗生素治疗则抵消了GV-971的疗效。这些发现表明GV-971的治疗作用主要是通过肠道微生物群的重建。本文研究者们认为，GV-971提供一种以微生物群为靶标的抗AD策略，值得进一步研究。