《Frontiers in Immunology》：Deoxycholic acid promotes anxiety- and depression-like behaviors in mice via modulation of the gut microbial metabolite indole-3-propionic acid
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摘要
背景：高脂饮食（HFD）相关的焦虑样与抑郁样行为与肠道-脑轴紊乱密切相关；然而，其中涉及的外周信号机制及关键代谢物仍有待阐明。脱氧胆酸（DCA）是一种在高脂饮食条件下升高的胆汁酸，已有研究报道其与小鼠异常认知行为相关。本研究旨在探讨HFD诱导的焦虑样
摘要
背景：高脂饮食（HFD）相关的焦虑样与抑郁样行为与肠道-脑轴紊乱密切相关；然而，其中涉及的外周信号机制及关键代谢物仍有待阐明。脱氧胆酸（DCA）是一种在高脂饮食条件下升高的胆汁酸，已有研究报道其与小鼠异常认知行为相关。本研究旨在探讨HFD诱导的焦虑样与抑郁样行为是否受肠道DCA调控，并解析其潜在机制。
方法：研究人员建立了4种接受不同干预的小鼠模型：低脂饮食（LFD）组、HFD组、LFD+DCA组以及HFD+胆汁酸结合剂考来烯胺（cholestyramine）组。研究开展了行为学表型分析、脑组织转录组测序、粪便16S rRNA基因测序、粪便与血清代谢组学分析以及肠道屏障功能评估，以阐明相关表型及其潜在机制。进一步采用体外细胞实验、回肠类器官实验以及体内粪菌移植（FMT）进行验证。
结果：DCA干预可在小鼠中诱导与HFD相似的焦虑样和抑郁样行为，同时伴随关键肠道细菌Clostridium_sensu_stricto_1及其代谢物吲哚-3-丙酸（IPA）在肠道和血清中的水平下降。补充IPA可恢复循环中IPA水平，上调脑内孕烷X受体（PXR）信号通路关键基因Cyp3a11和Abcb1a的表达，改善DCA诱导的情绪与行为异常，并逆转相关肠道-脑轴损伤，包括脑屏障相关蛋白下调、小胶质细胞活化相关形态学改变、肠道屏障损伤（杯状细胞减少、Claudin-1/Occludin下调）、肠上皮氧化应激与损伤，以及回肠类器官出芽受损。FMT可在受体小鼠中诱导与DCA模型小鼠相似的行为表型、屏障损伤、血清IPA降低及脑部病理改变。
结论：上述结果支持存在一条潜在的肠道-脑通路，将HFD相关的肠腔DCA升高与小鼠焦虑样和抑郁样行为联系起来。由DCA触发的肠道菌群重塑所导致的IPA水平下降，可能是其中的关键介导因素。靶向异常胆汁酸代谢或恢复IPA功能，可能成为干预HFD相关情绪与行为异常的有前景策略。
该论文发表于《Frontiers in Immunology》，围绕高脂饮食（HFD）相关情绪障碍的外周驱动因素展开，重点解析了胆汁酸代谢异常、肠道菌群失衡与肠道-脑轴（gut-brain axis）紊乱之间的因果联系。现有研究已表明，HFD不仅诱导肥胖和代谢紊乱，还与焦虑、抑郁等情绪障碍密切相关；但在“饮食暴露—肠道改变—中枢行为异常”这一连续病理链条中，究竟是哪些肠源性代谢信号充当上游触发因素，长期以来并不清楚。尤其是，尽管肠道菌群失衡、肠屏障破坏、神经炎症等现象已被广泛观察到，但能够同时连接HFD、菌群代谢改变、屏障损伤和情绪行为异常的关键分子仍缺乏明确证据。基于既往研究发现HFD可显著升高粪便脱氧胆酸（DCA）水平，而DCA又具有较强的肠道生物学活性，研究人员据此提出：DCA可能并非单纯的代谢伴随现象，而是驱动HFD相关焦虑样和抑郁样行为的重要外周信号。
为验证这一假说，研究人员在低脂饮食背景下给予外源性DCA干预，并设置HFD模型及胆汁酸结合剂考来烯胺（CHO）干预组进行对照；随后结合行为学评估、脑组织转录组学、粪便16S rRNA测序、靶向/非靶向代谢组学、肠屏障分析、细胞与类器官实验以及粪菌移植（FMT）等多层次证据，系统追踪从肠道菌群和代谢物变化到脑部病理改变及行为异常的全过程。研究最终得出核心结论：DCA足以在小鼠中诱导与HFD相似的焦虑样和抑郁样行为，其关键机制在于DCA重塑肠道菌群组成，降低Clostridium_sensu_stricto_1丰度并减少其相关代谢物吲哚-3-丙酸（IPA）生成；IPA下降进一步造成肠屏障与脑屏障损伤、小胶质细胞活化及脑内保护性孕烷X受体（PXR）通路受抑，从而推动情绪行为异常的发生。这一发现的重要意义在于，论文将胆汁酸代谢、菌群来源色氨酸代谢物和情绪障碍连接为一条可干预的机制链，为HFD相关精神行为异常的防治提供了新的靶点。
在技术方法上，研究主要采用了4类关键策略。第一，建立多组小鼠模型，包括LFD、HFD、LFD+DCA、HFD+CHO、DCA+IPA补充及抗生素预处理后的FMT受体模型；样本均来源于8周龄雄性C57BL/6J小鼠。第二，通过开放场实验（OFT）、高架十字迷宫实验（EPMT）、悬尾实验（TST）、强迫游泳实验（FST）和蔗糖偏好实验（SPT）评估情绪行为表型。第三，结合粪便16S rRNA测序、粪便靶向色氨酸代谢组学、血清非靶向代谢组学和ELISA检测IPA，解析菌群-代谢物改变。第四，采用脑和肠组织蛋白检测、免疫荧光、PAS染色、HT-29细胞模型、回肠类器官培养、RNA-seq与qPCR，验证屏障损伤、氧化应激及PXR相关机制。
在结果部分，论文依次给出了多个层次的证据链。
“3.1 DCA induces anxiety- and depression-like behaviors in mice similar to those triggered by HFD”
研究人员首先通过8周饮食干预证实，DCA在LFD背景下即可诱导与HFD高度相似的异常情绪行为。OFT和EPMT显示，DCA组与HFD组小鼠均表现为中心区探索减少、开放臂进入次数和停留时间下降，提示焦虑样行为增强；TST、FST和SPT结果则显示，DCA组不动时间延长且蔗糖偏好下降，呈现抑郁样行为。相反，CHO可逆转HFD诱导的多数异常行为表型。该部分通过行为学实验得出结论：DCA升高足以驱动HFD相关情绪行为异常。
“3.2 DCA induces alterations in the gut microbiota and metabolites (IPA) of mice similar to those caused by HFD”
为明确DCA是否伴随肠道生态与代谢改变，研究人员进行了粪便16S rRNA测序和代谢组学分析。结果显示，DCA显著降低肠道菌群α多样性，并重塑β多样性结构；在属水平上，Clostridium_sensu_stricto_1、Bifidobacterium等菌群在HFD和DCA组均下降，而CHO可逆转HFD所致改变。进一步检测发现，DCA组粪便IPA显著下降，且Clostridium_sensu_stricto_1丰度与粪便IPA浓度呈显著正相关；血清非靶向代谢组也显示IPA是HFD和DCA共同下降的关键吲哚类代谢物。该部分表明：DCA可诱导类似HFD的菌群重塑，并伴随IPA在肠道和循环中的同步下降。
“3.3 DCA induces anxiety- and depression-like behaviors in mice via downregulating IPA levels”
在确定IPA下降后，研究人员进一步检验其是否具有功能中介作用。通过在DCA建模后期进行IPA灌胃补充，研究发现血清IPA水平显著恢复，同时焦虑样和抑郁样行为明显改善：OFT和EPMT中探索行为增加，TST和FST中不动时间缩短，SPT中蔗糖偏好恢复。该部分通过“补充-逆转”实验支持：DCA诱导的行为异常与IPA下调存在功能性因果关联。
“3.4 IPA administration restores DCA-induced cerebral pathological changes through PXR pathways”
为阐明中枢机制，研究人员对脑组织进行转录组测序和组织学分析。RNA-seq显示，DCA诱导脑内差异表达基因显著富集于行为调控、神经配体-受体相互作用、cAMP信号通路、多巴胺能突触和5-羟色胺能突触等通路，提示神经活动与情绪调控网络受到影响。qPCR进一步验证Drd2升高、Fos降低。与此同时，脑屏障相关紧密连接蛋白Claudin-1和Occludin在HFD和DCA组中均下调，而CHO可在HFD背景下恢复其表达。更重要的是，IPA补充上调了脑内PXR下游基因Cyp3a11和Abcb1a，并恢复Claudin-1、Occludin表达；免疫荧光还显示，DCA导致小胶质细胞分支减少、胞体增大，提示活化，而IPA可显著逆转该形态学异常。该部分得出结论：IPA通过与PXR相关的保护性通路，改善DCA诱导的脑屏障损伤和神经免疫异常。
“3.5 IPA administration restores DCA-induced intestinal barrier dysfunction through PXR pathways”
考虑到IPA来源于肠道菌群，研究人员进一步考察其对肠屏障的影响。结果显示，HFD和DCA均导致回肠杯状细胞减少，CHO可逆转HFD引起的下降，而IPA也能恢复DCA组杯状细胞数量。肠道紧密连接蛋白Claudin-1和Occludin在DCA组显著下调，趋势与HFD组一致。HT-29细胞转录组分析发现，DCA主要富集于细胞周期、内质网蛋白加工、细胞衰老、铁死亡等损伤应激通路，而IPA补充则与细胞周期、p53信号、结构修复等通路逆转相关。进一步实验证明，DCA诱导细胞内活性氧（ROS）升高、氧化应激相关基因GCLC异常变化、乳酸脱氢酶（LDH）释放增加，提示上皮细胞损伤；IPA均可显著改善上述异常。此外，在小鼠回肠类器官中，DCA抑制出芽效率，而IPA可恢复类器官生长与分枝。该部分说明：DCA可直接损伤肠上皮并破坏肠屏障，IPA则通过PXR相关保护效应减轻氧化应激和结构损伤。
“3.6 FMT intervention replicates the anxiety- and depression-like behaviors observed in mice caused by DCA”
为验证菌群改变是否具有致病传递性，研究人员将DCA模型鼠粪菌移植至经抗生素处理的受体小鼠。结果显示，FMT受体鼠的Clostridium cluster I相对丰度下降，血清IPA降低，并出现与DCA模型相似的焦虑样和抑郁样行为：OFT和EPMT探索减少，TST和FST不动时间增加，蔗糖偏好下降。同时，受体鼠回肠杯状细胞减少，脑内Claudin-1和Occludin下调，小胶质细胞呈活化相关形态变化。该部分通过微生物群移植实验得出：DCA所致菌群重塑本身具备传递行为异常和肠脑病理改变的能力，是关键中介环节。
在讨论部分，论文重点强调了以下几点。首先，本研究将DCA从“HFD相关代谢改变”的伴随现象推进为“足以驱动情绪障碍的上游外周信号”，并通过CHO干预证明降低肠腔胆汁酸负荷可缓解HFD相关异常行为。其次，研究从多种吲哚类代谢物中筛选出IPA这一最具一致性的核心分子，其变化与Clostridium_sensu_stricto_1丰度、行为表型及屏障损伤高度一致。再次，研究通过脑组织、肠组织、细胞和类器官等多层级证据表明，IPA下降后，PXR相关保护信号减弱，继而导致肠屏障和脑屏障稳态破坏、小胶质细胞活化和神经行为异常。最后，FMT实验强化了“DCA—菌群重塑—IPA下降—肠脑轴紊乱—情绪异常”的因果链条。作者同时指出，本研究仍存在局限，如菌群分析主要停留在16S rRNA属水平，尚需宏基因组学、单菌株补充、受体拮抗或基因敲除等方式进一步验证关键功能菌及IPA受体机制，肠屏障和脑屏障通透性也有待更直接评估。
研究结论部分可译为：本研究鉴定出一条潜在的肠道-脑通路，将HFD相关的肠腔DCA升高与小鼠焦虑样和抑郁样行为联系起来。在该模型中，由DCA诱导的肠道菌群重塑所致IPA降低，似乎是DCA调控情绪行为的核心介导因素。这些发现为未来探索通过调节胆汁酸代谢或恢复IPA信号来预防或治疗HFD相关情绪障碍提供了理论基础。
