文献精读-长期服用磷虾油可缓解APP/PS1小鼠的 早期轻度认知功能障碍

一、文献内容总结

本研究由青岛科技大学海洋科学与生物工程学院研究人员于2024年2月发表于《Molecular Nutrition & Food Research》，探究长期服用南极磷虾油（Krill Oil, KO）对APP/PS1转基因小鼠早期轻度认知障碍的改善作用及其潜在机制。APP/PS1转基因小鼠表达突变融合的人预淀粉蛋白（PS1DE9）与人淀粉样前体蛋白（APPswe），能够模拟阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）从早期到晚期的病理过程。通过给APP/PS1转基因小鼠进行为期2个月的磷虾油灌胃实验，观察其对小鼠行为表现、脑内炎症、神经元数量、肠道屏障完整性、肠道菌群及短链脂肪酸（SCFAs）水平的影响，并分析其潜在机制。研究结果表明长期服用磷虾油能够显著改善APP/PS1小鼠的早期轻度认知障碍，具体表现为缩短逃避潜伏期、降低脑内Aβ浓度、减轻炎症反应、改善肠道屏障完整性、重塑肠道菌群结构并提升SCFAs水平。此外，相关性分析显示，特定肠道菌群、SCFAs与认知功能之间存在正相关关系。

二、文献主要内容

（1）背景

阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）作为一种年龄相关的神经退行性疾病，其发病机制复杂，早期表现为Aβ生成与清除失衡及长期慢性炎症。迄今为止，还没有发现任何药物可以完全阻断或治愈注意力缺失症。改善认知功能的非药物疗法已引起广泛关注。膳食营养干预是预防或延缓认知功能损害的理想策略。越来越多的人认为，饮食营养干预必须在早期阶段就开始。通过强有力的流行病学和临床前证据，研究人员得出结论认为，二十二碳六烯酸（DHA）/二十碳五烯酸（EPA）的分子形式对认知障碍有不同的影响。在调节AD模型认知缺陷方面，富含DHA/EPA的磷脂优于富含DHA/EPA的甘油三酯或乙酯。与磷脂结合的脂肪酸具有更好的生物利用度和吸收特性，因此磷虾油被认为是一种天然的Omega-3脂肪酸输送系统。然而，关于磷虾油对轻度认知障碍的具体作用机制尚缺乏深入研究。因此，本研究旨在探究长期服用磷虾油对APP/PS1转基因小鼠早期轻度认知障碍的改善作用及其潜在机制。

（2）研究方法

实验动物：19只雄性APP/PS1小鼠和7只5个月大的野生型（WT）同窝对照小鼠，所有小鼠都被关在动物屋里，可以自由获取食物和水。

实验分组：适应1周后，将APP/PS1小鼠随机分为模型组（n = 7）、低剂量组（n = 6，50毫克/公斤，L-KO）和高剂量组（n = 6，100毫克/公斤，H-KO）。所有小鼠均接受灌胃给药2个月。

检测指标：行为表现（Morris水迷宫测试）、脑内炎症（Western blotting分析）、神经元数量、肠道屏障完整性（Occludin和ZO-1表达）、肠道菌群（16S rRNA测序）及SCFAs水平（GC-MS检测）。

（3）研究结果

1. KO改善行为表现：

进行MWM（Morris水迷宫）测试，其中小鼠连续训练5天。结果显示，补充KO后，潜伏期呈缩短趋势，表明它们的学习能力逐渐增强，能够更快地找到隐藏平台。L-KO和H-KO发挥了相似的作用（图1D、E）。OFT（开场测试）实验中，KO模型小鼠的总行走距离明显低于对照小鼠。H-KO治疗明显减少了总距离。而L-KO组与APP/PS1组小鼠之间的总距离无明显差异（图1F、G）。在中心花费的时间中观察到类似的趋势（图1H）。这表明高剂量H-KO的改善效果更为显著，而低剂量L-KO在改善学习能力方面表现出一定效果，但在改善活动能力方面则不够明显。

图1 KO补充剂可以提高学习和记忆能力

2. KO对血清和脑组织中脂质过氧化氢氧化物超氧化物歧化酶的影响：

APP/PS1小鼠血清和脑中的线粒体超氧化物酶（一种重要的抗氧化酶，通常用于评估氧化应激水平）活性均无明显变化（图2）。KO干预2个月后，APP/PS1小鼠血清和脑组织中的脂质过氧化物和超氧化物歧化酶活性无变化。需要注意的是，氧化应激是一个复杂的生理过程，涉及多种抗氧化酶和氧化产物的相互作用。因此，尽管本研究中未观察到KO对特定酶活性的显著影响，但KO仍可能通过其他机制影响氧化应激过程，如调节其他抗氧化酶的表达或活性，或影响氧化产物的生成和清除。未来的研究可以进一步探讨这些潜在的机制，以更全面地了解KO对APP/PS1小鼠氧化应激水平的影响。

图2 KO处理对氧化应激的影响

3. KO抑制了淀粉样蛋白发生途径

APP/PS1小鼠脑内Aβ 40和Aβ 42浓度显著高于对照组（图3A），表明存在淀粉样蛋白沉积。然而，南极磷虾油（KO）干预以剂量依赖性方式降低了Aβ水平。同时，蛋白质印迹（图3B）结果显示，模型组APP和PS1蛋白表达明显升高，而低剂量KO（L-KO）降低了APP表达，但高剂量KO（H-KO）则显著降低了APP表达（图3C）。此外，KO补充剂还以剂量依赖性方式降低了PS1表达，并在降低β位点APP切割酶1（BACE 1）表达方面表现出显著效果，尽管对照组与APP/PS1组之间BACE 1表达无显著差异。这些发现表明，KO可能通过抑制淀粉样蛋白发生途径来改善APP/PS1小鼠的认知障碍。

图3. KO治疗对淀粉样蛋白生成途径的影响

4. KO对大脑TLR 4-NLRP 3炎症的影响

在AD小鼠模型中，观察到神经胶质细胞激活增加，表现为神经胶质酸性蛋白（GFAP）和离子化钙结合接头分子1（Iba 1）阳性细胞增多，而KO补充剂能够逆转这一趋势（图4A）。进一步分析显示，AD模型小鼠中Toll样受体4（TLR 4）蛋白表达升高，而β样受体核苷结合结构域富含白素重复序列的蛋白3（NLRP 3）表达降低，尽管对照组与模型组在p-P65表达上无显著差异。值得注意的是，KO以剂量依赖性方式降低了TLR 4和NLRP 3的表达（图4C、E），并在降低p-P65表达方面发挥类似作用，但对含有CARD（ASC）表达的细胞分裂相关斑点样蛋白无显著影响。此外，KO还明显抑制了大脑IL-1β水平的增加，表明其可能通过调节TLR 4-NLRP 3炎症通路来减轻AD小鼠的脑内炎症。

图4 KO补充剂通过TLR 4-NLRP 3信号途径减弱了神经胶质细胞的激活

5. KO补充剂改善神经元细胞和突触相关蛋白质

APP/PS1小鼠相较于对照小鼠，其神经元阳性细胞数量减少，尼氏体水平下降（图5），表明神经元细胞和突触结构受损。然而，KO补充剂能够逆转这一趋势，尤其是高剂量KO（H-KO）在改善新生阳性细胞数量方面表现出更优效果（图5A）。此外，KO处理还能显著增加突触后密度蛋白95（PSD 95）的表达（图5B），提示KO可能通过促进神经元细胞和突触结构的健康来改善APP/PS1小鼠的认知功能。

图5 KO对神经元细胞和突触相关蛋白质的影响

6. KO降低肠屏障渗透性

在AD小鼠模型中，肠屏障渗透性相关蛋白Occludin的表达明显降低，而KO补充剂，无论是低剂量（L-KO）还是高剂量（H-KO），均能显著增强Occludin的表达（图6A）。同时，虽然对照组与AD模型组在ZR-1表达上无显著差异，但KO治疗能够统计上显著增强ZR-1的表达，特别是L-KO组（图6B）。此外，AD模型小鼠血清中内毒素（脂胞毒素）含量明显升高，而L-KO和H-KO在降低脂胞毒素水平方面均表现出显著效果。这些发现表明，KO可能通过改善肠屏障功能来降低AD小鼠的肠屏障渗透性，从而可能对认知功能产生积极影响。

图6 KO治疗对肠屏障渗透性的影响

7. KO补充剂对肠道微生物结构的影响

在探究KO补充剂对肠道微生物结构的影响时，发现KO能够显著改变肠道微生物的组成。在门水平上，KO增加了疣微生物群和蓝细菌的丰度，同时减少了弯曲杆菌的丰度（图7A）。在家族和属水平上，KO也表现出对特定微生物群落的显著影响，如增加丹毒菌科、阿克曼菌科和双杆菌科的比例，减少乳杆菌科、毛螺旋菌科和螺旋杆菌科的比例，以及明显增加杜博西菌属和阿克曼西亚的比例（图7 B-D）。此外，KO还呈现出增加肠道微生物多样性的趋势，如ACE和Chao 1指数的上升，尽管Shannon和Simpson指数在组间无显著差异（图7 E-J）。维恩图显示KO补充能够统计上增加OTU（操作分类单元）的数量，而LDA效应大小（LEfSe）分析进一步揭示了KO干预后组间具有显著差异的物种（图7 K）。热图则基于细菌属水平的物种比例表，展示了组间存在统计学差异的物种分布。这些发现表明，KO可能通过调节肠道微生物结构来改善肠道健康，进而可能对认知功能产生积极影响。

图7 KO给药对AD小鼠肠道微生物群结构的影响

8. KO补充剂对SCFA含量的影响及微生物群、SCFA与认知功能的相关性分析

在探究KO补充剂对短链脂肪酸（SCFA）含量的影响及其与肠道微生物群和认知功能的相关性时，发现APP/PS1小鼠与对照组相比，仅异戊酸含量显著下降，而KO处理则显著提高了醋酸、丙酮和异戊酸的水平（图8A）。斯皮尔曼相关指数分析显示，特定肠道微生物群（如阿克曼氏菌、杜博斯氏菌和双杆菌）与认知功能改善呈正相关，与APP表达呈负相关；同时，这些微生物群与醋酸也存在负相关关系（图8B）。另一方面，毛螺旋体科、乳杆菌科与认知功能下降呈负相关，与APP表达呈正相关。此外，异丁酸水平与目标相的时间呈负相关，提示SCFA水平也可能影响认知功能。这些发现进一步支持了KO可能通过调节肠道微生物群和SCFA含量来改善认知功能的假设。

图8 微生物群、SCFA和行为数据的相关性分析

（4）讨论分析

本研究发现，长期服用磷虾油能够显著改善APP/PS1小鼠的早期轻度认知障碍。这一改善作用可能与其调节肠道菌群-SCFAs-大脑轴有关。磷虾油通过重塑肠道菌群结构，增加有益菌丰度，减少有害菌丰度，进而提升SCFAs水平。SCFAs作为肠道菌群的代谢产物，能够穿过血脑屏障进入大脑，参与调节认知功能。此外，磷虾油还可能通过减轻脑内炎症、改善肠道屏障完整性等机制发挥保护作用。然而，本研究未发现氧化应激失衡在APP/PS1小鼠早期认知障碍中的显著作用，这可能与实验阶段或模型特性有关。

（5）结论

本研究表明，长期服用磷虾油能够显著改善APP/PS1转基因小鼠的早期轻度认知障碍。这一改善作用可能与其调节肠道菌群-SCFAs-大脑轴及减轻脑内炎症、改善肠道屏障完整性等机制有关。因此，磷虾油可能作为预防或延缓早期认知障碍的潜在营养干预策略。未来研究将进一步探讨磷虾油的具体作用机制及其在人类中的应用潜力。

三、文献资源

Du Y, Song L, Dong X, Li H, Xie W, Wang Y, Che H. Long-Term Krill Oil Administration Alleviated Early Mild Cognitive Impairment in APP/PS1 Mice. Mol Nutr Food Res. 2024 Feb;68(4):e2200652. doi: 10.1002/mnfr.202200652. Epub 2023 Nov 8.