Nature首度揭露：「間歇性禁食」竟可促進神經再生和修復_風聞

臨牀上，周圍神經系統（PNS）損傷發生率一直居高不下，而且僅有少數PNS損傷有機會通過外科手術重建得到良好治療，其餘絕大數只能讓其“自生自滅，聽天由命”。雖説PNS具備一定的自我修復和再生潛能，但因軸突再生效率低下、速度迂緩，導致PNS再生障礙重重[1]。難以得到有效的治療最終會使患者感覺、運動和自主神經功能部分甚至完全喪失，帶來無法逆轉的沉重傷害和巨大的疾病負擔[2]。PNS若想實現“我命由我不由天”，加速軸突再生無疑就是重中之重。已有諸多研究表明間歇性禁食（IF）可以激活軸突再生的信號通路[3-4]、提高突觸可塑性[5]、促進神經生長[6]，但目前對於IF是否具備提升神經再生能力（特別是軸突再生能力）尚不明確。因此，亟需闡明IF與PNS軸突再生的相關性。近日，倫敦帝國理工學院（IC）Simone Di Giovanni教授團隊在頂級期刊Nature上發表了關於IF促進周圍神經再生機制的重磅研究結果[7]。他們探究發現：IF可增加腸道微生物的代謝物吲哚-3-丙酸（IPA），並利用免疫介導機制促進周圍神經軸突的再生和功能修復。為臨牀改善PNS損傷患者的神經功能預後開啓了一個新思路。論文首頁截圖具體而言，研究團隊分別對C57BL/6雄性小鼠（6-8周齡）進行10天的IF餵養（當天隨意進食，隔天禁食）和常規餵養（AL，不受限制自由禁食），然後進行坐骨神經擠壓損傷造模（SNC，手術切斷從脊柱延伸到腿部的最長神經元），並在造模24/72小時後分別評估軸突再生和神經元恢復情況。結果顯示：在SNC造模72小時後，與AL餵養組相比，IF餵養組的坐骨神經軸突再生速度顯著更快（P＜0.01），脊髓背根節（DRG）神經元軸突生長增加了約50%（P＜0.05）。SNC造模72小時後，IF（紅色）和AL（藍色）餵養組軸突再生情況SNC造模72小時後，IF（紅色）和AL（藍色）餵養組DRG神經元軸突生長情況而且IF並未改變軸突再生的關鍵細胞（如施萬細胞和巨噬細胞）在坐骨神經擠壓部位的聚集狀況，也沒有顯著改變DRG中的神經營養因子（BDNF、NGF、NT-3和NT4/5）濃度。由此可以推測：施萬細胞、巨噬細胞和神經營養因子並未在IF促進軸突再生的過程中發揮關鍵作用。那麼到底是何方神聖在背後推波助瀾呢？SNC造模72小時後，DRG四種神經營養因子濃度變化情況（無顯著性變化）研究團隊做了一個大膽的推測：IF餵養方式改變了小鼠的飲食與代謝狀態繼而觸發/促進軸突再生。隨後對IF和AL餵養的小鼠血清進行代謝物檢測（共檢測79種代謝物），兩組之間有多達14種代謝物（微生物衍生代謝物和宿主代謝物）存在顯著性差異。IF餵養組濃度升高最為顯著的均為微生物衍生代謝物（3-吲哚乳酸，2,3-丁二醇，吲哚-3-丙酸（IPA）和木糖），巧合的是，這4種代謝物均與宿主代謝物無關。脈絡開始逐漸清晰起來：IF餵養可能使腸道微生物及其代謝物發生變化，也許對軸突再生起到至關重要的作用。與AL餵養組相比，IF餵養組濃度升高最為顯著的4種代謝物（紅色字體）為了進一步探索IF餵養導致腸道微生物變化在促進坐骨神經再生中的確切作用，IF餵養小鼠的腸道菌羣被“移花接木”到AL餵養小鼠體內。沒想到“乾坤大挪移”這種奇事居然在AL餵養的小鼠體內毫無違和地發生了，經過菌羣移植後的AL餵養小鼠在SNC造模後神經再生的速度也明顯加快。與此同時，若使用萬古黴素顯著降低革蘭氏陽性菌（雙歧桿菌、乳桿菌和生孢梭菌等能產生吲哚代謝物）的丰度，減少小鼠腸道菌羣的多樣性，IF促進軸突再生的能力近乎被削弱殆盡。雙向結果均提示革蘭氏陽性菌可能是IF促進軸突再生的關鍵所在，排除掉非吲哚類代謝物之後，離最終的答案已經越來越近了。革蘭氏陽性菌和萬古黴素在IF促進軸突再生中的作用那麼究竟是哪一種/一些革蘭氏陽性菌代謝物對軸突再生有促進作用呢？在分析IF或AL餵養小鼠是否進行萬古黴素干預的血清代謝物變化後，發現能夠被萬古黴素顯著影響的代謝物只有IPA。IPA真的就是背後的操盤手嗎？

在萬古黴素干預後IPA的血清濃度變化

科學容不得半點馬虎，為了驗證上述發現，對小鼠進行萬古黴素干預之後，分別移植fldC突變生孢梭菌（這樣的孢梭菌並不能產生IPA）以及野生型生孢梭菌（能夠正常產生IPA），在SNC造模72小時後監測神經再生情況。不出所料，移植fldC突變生孢梭菌的小鼠軸突再生能力顯著劣於移植野生型生孢梭菌的小鼠（P＜0.05）。左圖為移植fldc突變（紅色）和野生型（綠色）孢梭菌後IPA血清濃度右圖為移植fldc突變（紅色）和野生型（綠色）孢梭菌後軸突再生情況不過在補償餵食IPA之後，軸突再生的能力又重新恢復了。與對照組相比，補償餵食IPA能夠加快小鼠熱傷害性感覺的恢復，同時也不會造成神經損傷後的機械性痛覺異常（因表皮神經再支配導致的不良後果），兩至三週內即可觀察到神經元軸突再生和恢復增加。在小鼠中補償餵食IPA即可發揮軸突促進作用，的確可以跳脱出複雜的腸道菌羣環境，給臨牀口服應用IPA提供了直接啓示。劃重點！提示口服IPA也有效！看到這些美麗的綠色熒光，那都是欣欣向榮的新生軸突啊，IPA組（右圖）顯著優於對照組（左圖）既然已經挖掘到IPA，那麼溯本求源，釐清IPA促進軸突再生的潛在機制就如同箭在弦上不得不發了。通過對小鼠DRG神經元進行RNA測序得到初步答案：IPA高度選擇性上調Cd177（中性粒細胞配體）和Cxcl1（內皮中性粒細胞趨化因子配體1）的基因表達，提示IPA可能通過CXCR2介導機制來激活中性粒細胞趨化通路和參與免疫調節。而且DRG組織內中性粒細胞數會在餵食IPA後增加，再次證明了以上結果。SNC造模72小時後，IPA所參與信號通路基因表達情況無獨有偶的是人類腸道中也廣泛存在能產生 IPA 的生孢梭菌，並且在人類血液中也同樣含有IPA。這項研究很有可能對人類也同樣適用，畢竟小鼠試驗的一小步，有可能成為人類醫學發展的一大步。而且研究團隊將繼續優化IPA使用方案，以期達到最佳功效，為最終系統研究細菌代謝物治療奠定基礎。總的來説，研究首次揭示了IF促進神經再生的潛在機制：IF可增加腸道革蘭氏陽性梭菌產生的代謝物IPA，並在脊髓背根節中增加中性粒細胞的趨化，從而促進軸突再生。回顧以上研究思路，好比偵探破案一般，研究團隊不斷抽絲剝繭，在乍隱乍現中一步步揭露了腸道菌羣如何幹預軸突再生的機制。研究團隊逐個擊破，破解潛在機制這項重磅研究同時也開闢了一個全新研究領域：是否還有其他代謝產物發揮類似作用？人類進行IF後 IPA 是否也會同樣增加？IPA在人體中能否也能促進神經修復和軸突再生？反覆多次口服 IPA能否最優化發揮治療效果？……這些未知問題都值得去解答，一旦在人體中得到證實，將會使PNS損傷治療之路步入新徵程，踏上新台階，就能及早造福患者。

參考資料：

1.Scheib J, Höke A. Advances in peripheral nerve regeneration. Nat Rev Neurol. 2013;9(12):668-676. doi:10.1038/nrneurol.2013.227.

2.Li R, Liu Z, Pan Y, Chen L, Zhang Z, Lu L. Peripheral nerve injuries treatment: a systematic review. Cell Biochem Biophys. 2014;68(3):449-454. doi:10.1007/s12013-013-9742-1.

3.Mattson MP, Moehl K, Ghena N, Schmaedick M, Cheng A. Intermittent metabolic switching, neuroplasticity and brain health [published correction appears in Nat Rev Neurosci. 2020 Aug;21(8):445]. Nat Rev Neurosci. 2018;19(2):63-80. doi:10.1038/nrn.2017.156.

4.Longo VD, Mattson MP. Fasting: molecular mechanisms and clinical applications. Cell Metab. 2014;19(2):181-192. doi:10.1016/j.cmet.2013.12.008.

5.Dasgupta A, Kim J, Manakkadan A, Arumugam TV, Sajikumar S. Intermittent fasting promotes prolonged associative interactions during synaptic tagging/capture by altering the metaplastic properties of the CA1 hippocampal neurons. Neurobiol Learn Mem. 2018;154:70-77. doi:10.1016/j.nlm.2017.12.004.

6.Lee J, Seroogy KB, Mattson MP. Dietary restriction enhances neurotrophin expression and neurogenesis in the hippocampus of adult mice. J Neurochem. 2002;80(3):539-547. doi:10.1046/j.0022-3042.2001.00747.x.

7.Serger E, Luengo-Gutierrez L, Chadwick JS, et al. The gut metabolite indole-3 propionate promotes nerve regeneration and repair [published online ahead of print, 2022 Jun 22]. Nature. 2022;10.1038/s41586-022-04884-x. doi:10.1038/s41586-022-04884-x.來源於公眾號：梅斯醫學