Nutrients |香菇来源外泌体可改善老年小鼠的认知功能并重塑肠道菌群

    近期发表在《Nutrients》期刊上的题为“Shiitake Mushroom-Derived Vesicle-like Nanoparticles Improve Cognitive Function and Reshape Gut Microbiota and Fecal Metabolome in Aged Mice”的文章，本文研究结果表明， 长期口服 S-VLNs 显著改善了老年小鼠的认知功能。口服的 S-VLNs 并未进入大脑，而是影响了肠道微生物群的组成并重塑了粪便代谢组。对肠道微生物群和粪便代谢组的功能预测表明，S-VLNs 调节了色氨酸代谢。具体而言，S-VLNs 显著降低了色氨酸相关代谢物犬尿喹啉酸。组学数据的整合分析确定了 18 个肠道细菌属与 66 个粪便代谢物之间存在强相关性。发现 KYNA 与 5 个菌属呈正相关，与 12 个菌属呈负相关。 口服 S-VLNs 代表了一种新颖且优越的饮食方法，具有调节肠道微生物群和粪便代谢组以及改善衰老过程中认知功能的能力。

一、研究价值

    人口老龄化及其相关的慢性疾病已成为至全世界前所未有的挑战。许多老年人会经历某种形式的认知能力下降，这增加了他们发展为称为轻度认知障碍的痴呆前状态甚至痴呆的风险。目前尚无有效的药物治疗方法来治疗与正常衰老相关的认知能力下降或轻度认知障碍。我们之前的研究已显示，香菇衍生的囊泡状纳米颗粒在体外和急性炎症性疾病模型中具有强大的抗炎作用。在本研究中，我们旨在探讨口服S-VLNs 对老年小鼠的潜在益处。

 

二、主要思路

1、S-VLNs的表征

    使用超速离心法从新鲜香菇中提取S-VLNs。对纳米颗粒进行超微结构 TEM 分析，显示 S-VLNs 具有膜包被的囊泡或外泌体样结构（图 1A）。NanoFCM NanoAnalyzer 显示 S-VLNs 的峰值尺寸约为 60 nm 直径（图 1B）。S-VLNs 的 Zeta 电位约为 −20mV（图 1C）。生物分子分析显示，S-VLNs 含有小尺寸 RNA 以及多种蛋白质和脂质（图 1D），这与我们之前的发现一致。

图1. S-VLNs的表征

 

2、口服S-VLNs在小鼠体内的分布及对认知功能的效果

    将13个月大的雄性C57BL / 6J小鼠随机分为两组：对照组接受PBS，治疗组每周通过口服灌胃接受PBS中的S-VLNs，持续9个月（图2A）。在整个实验过程中，监测了对照组和治疗组小鼠的体重，发现，S-VLN治疗6个月后，对照组和S-VLN治疗组小鼠两组之间的大腿骨密度，食物和饮水量、耗氧量、CO₂产生量、RER、产热量和运动没有显著差异，表明长期口服S-VLNs是安全的，对小鼠的整体健康没有不良影响。当小鼠达到 22 个月龄时，对它们实施安乐死。为了评估 S-VLNs 是否对动物有任何毒性作用，收集主要代谢组织，包括肝脏、心脏、肾脏和腓肠肌，进行显微镜检查。肝脏、心脏、肾脏和腓肠肌的组织结构和细胞形态在对照组和 S-VLN 处理组之间相当（图 S1）。这些组织学结果证实，长期（9 个月）口服 S-VLNs 耐受性良好，并且未在主要代谢组织中引起形态学变化或病理损伤。

    对小鼠进行了耐力运行测试，两组之间的平均跑步距离相似。两周后，使用巴恩斯迷宫测试对小鼠进行评估。经过一周的训练，两组小鼠在迷宫桌的特定孔下方找到逃生隧道需要相似的时间（图2A）。值得注意的是，经过一周的休息后，S-VLN治疗组的小鼠寻找逃生隧道所花费的时间显著减少（图2B），表明口服S-VLNs改善了这些老年小鼠的记忆保留。同时作者还评估了 S-VLNs 的生物分布，以了解 S-VLNs 如何发挥其记忆保护功能。将荧光标记的S-VLN口服给C57BL / 6J小鼠。6小时后，对小鼠实施安乐死，以收集其肠道，大脑，心脏，肾脏，肺，脾脏和肝脏，S-VLNs的荧光信号在胃肠道、肾脏、肺和肝脏都可以检测到，但在大脑、心脏和脾脏中未发现（图2C）。总之，数据表明S-VLNs不会直接进入大脑以发挥其功能，S-VLNs的记忆保护特性可能是通过间接调制来实现的。

图2. S-VLNs 改善了老年小鼠的认知功能但未进入大脑

 

3、S-VLN摄入显著重塑了肠道微生物群

    由于 S-VLNs 在肠道中积累并且没有进入大脑，假设 S-VLNs 可能通过微生物群-肠道-脑轴发挥其功能。为了检验这个假设，对对照和S-VLN处理的老年小鼠的粪便样本进行了16S rRNA分析和非靶向代谢组学分析，然后进行了全面的生物信息学分析。

    16S rRNA 分析在对照组和 S-VLN处理组中分别识别出 1433 和 1721 个扩增子序列变体。其中，527 个 ASVs 为两组共有；对照组和 S-VLN 处理组分别存在 906 和 1194 个独特的 ASVs（图 3A）。使用 Chao1 和 Shannon 指标评估 Alpha 多样性，表明 S-VLN 处理显著增加了微生物种群的丰富度和均匀度（图 3B,C）。使用基于 Bray–Curtis 或加权 UniFrac 的 NMDS 分析评估 Beta 多样性。这两项分析均显示，同一组的小鼠聚集在一起，并且处理组与对照组分离（图 3D,E），表明两组之间的微生物组成存在差异。

图3. S-VLN处理增加了肠道微生物群的复杂性和多样性

 

    接下来，分析了肠道微生物群的分类组成。在门水平上，S-VLN处理显著改变了9个主要门中的6个，其中拟杆菌门和疣微菌门下降，而厚壁菌门、放线菌门、Patescibacteria和蓝藻门上升（图S2A,B）。在前 9 个最丰富的属中，S-VLNs 显著降低了Akkermansia 和一个来自 Muribaculaceae 科的未确定名称的属的水平，但增加了 Dubosiella 和 Turicibacter 的丰度（图 4A,B）。共有33个属发生显著变化，其中28个属（如Faecalibaculum、Roseburia等）丰度上升，5个属（如Harryflintia、Odoribacter等）下降（表S1）。

图4. S-VLN处理显著改变了肠道微生物群的组成和潜在功能

 

4、S-VLN摄入对粪便代谢组有显著影响

    对粪便样本的非靶向代谢组学分析发现，使用化合物发现注释了来自 ESI⁺ 模式的 665 种（9090 种代谢物）和 ESI^- 模式的 897 种（11538 种代谢物中）（表 S2）。阳性或阴性模式的粪便代谢物的OPLS-DA评分图显示，对照组和S-VLN处理组之间存在明显的分离（图5A，B）。火山图显示，许多代谢物被S-VLN处理上调或下调（图5C，D）。

图5. S-VLN处理重塑了粪便代谢物的格局

    将 VIP 值 > 1.5、倍数变化 > 2 且 p 值 < 0.05 的注释代谢物视为显著变化的代谢物。对这些代谢物的层次聚类分析显示，来自 ESI⁺ 模式的 12 个代谢物和来自 ESI⁻ 模式的 22 个代谢物的水平被 S-VLNs 显著增加，而来自正离子模式的 13 个代谢物和来自负离子模式的 22 个代谢物的丰度被 S-VLNs 显著抑制（图 6A,B）。在 MetaboAnalyst 中的通路富集分析显示，18 条代谢通路被 S-VLNs 显著调节（图6C）。其中，前五条代谢通路是色氨酸代谢、酪氨酸代谢、初级胆汁酸生物合成、苯丙氨酸代谢和类固醇激素生物合成。对粪便代谢物的仔细检查（图6A，B）发现，S-VLNs显著降低了两种与犬尿氨酸途径相关的代谢物，即4-（2-氨基苯基）-2,4-二氧丁酸和犬尿酸（KYNA）。90%的循环色氨酸通过犬尿氨酸途径代谢。KYNA是犬尿氨酸途径的终产物之一，而4-（2-氨基苯基）-2,4-二氧丁酸是该途径的中间代谢物。

图6. S-VLNs 显著改变了粪便代谢物及其相关通路

 

5、肠道微生物群和粪便代谢组的综合分析

    通过综合分析，评价肠道菌群与粪便代谢组的关系，发现共有 66 种粪便代谢物与 18 个细菌属高度相关（表 S3）。使用热图对其进行聚类和可视化（图7A），发现 KYNA 与 5 个属高度正相关，12 个属负相关（图 7A）。斯皮尔曼相关弦图进一步显示了细菌属和粪便代谢物之间连接的强度和方向（正向或负向）（图7B）。选择Spearman秩相关系数最高、p<0.05的前10个代谢物和前10个微生物属进行RDA。RDA图可视化了属和代谢物相关性的强度和方向（图S3）。KYNA 是排名前 10 的代谢物之一，与 Odoribucter 和 Akkermansis 呈正相关，但与 Dubosiella、Enterorhabdus 和Parvibacter 等多个属呈负相关。

图7. 肠道微生物群和粪便代谢组的相关性分析

 

三、主要结论：

    本研究结果表明，长期口服 S-VLNs 改善了老年小鼠的认知功能。口服的 S-VLNs 并未进入大脑，而是重塑了肠道微生物群和粪便代谢组。具体而言，S-VLNs 显著降低了色氨酸代谢物 KYNA 的水平。整合分析揭示了肠道微生物群和粪便代谢组之间的强相关性。S-VLNs 可能通过调节微生物群-肠-脑轴来改善认知功能。考虑到临床环境中缺乏有效对抗认知能力下降的策略，该发现具有重要意义。口服 S-VLNs 代表了一种潜在的成本效益高且对用户友好的保护认知功能的方法。

 

四、局限性：

    在该研究中，微生物变化与认知改善之间或微生物属与代谢物水平变化之间的因果关系仍未确定。需要更多的研究来通过实验评估 S-VLNs 如何调节特定属的生长、功能和代谢物的产生，这些变化如何影响认知功能，以及特定属如何调节某些代谢物的水平。

 

五、未来研究方向：

    S-VLN 对老年人认知功能和肠道微生物群的影响值得进一步研究以确定其转化潜力，评估 S-VLN 对 MCI、AD 或其他神经退行性疾病的影响。

 

文献来源：Li X, Liu B, Sekar D, Sur M, Reddy J, Natarajan SK, Lund PJ, Yu J. Shiitake Mushroom-Derived Vesicle-like Nanoparticles Improve Cognitive Function and Reshape Gut Microbiota and Fecal Metabolome in Aged Mice. Nutrients. 2025 Sep 8;17(17)