当前，人口老龄化已成为一个世界性的社会问题。衰老是一个不可逆的过程，其中各种器官的生理活动和行为能力逐渐减弱，这导致癌症、心血管疾病、神经退行性疾病和其他疾病。衰老的原因涉及氧化应激、神经炎症和细胞凋亡，最终导致认知功能障碍。目前，认知功能障碍被认为是衰老的主要特征，并随着年龄的增长而逐渐增加，主要表现为学习和记忆能力的下降。海马体对学习记忆能力具有调节作用，抑制海马体的病理变化和氧化应激损伤可以减轻衰老引起的认知功能障碍，从而延缓衰老。
肠道微生物群不仅在胃肠道的稳态中起着重要作用，而且还影响许多器官，包括大脑。肠道微生物群通过复杂的双向通信系统影响脑组织，它们之间的双向通信被称为“微生物群-肠道-脑”轴。研究表明，肠道微生物群生态失调不仅通过“微生物群-肠道-脑”轴影响大脑认知和精神症状，还影响大脑免疫稳态并引发一系列与衰老相关的神经退行性疾病，包括帕金森病（PD）、阿尔茨海默病（AD）和多发性硬化症（MS）。此外，肠道微生物可以通过调节氧化应激、神经炎症、淀粉样蛋白-β和其他导致神经元死亡的因素来促进AD进展。最新研究表明，肠道微生物群可以通过氧化应激延缓衰老，减少认知障碍。但是肠道微生物群通过“微生物群-肠道-脑”轴抑制衰老的机制并不清楚。
黄精是一种食药同源的中药材，黄精多糖（Polygonatum sibiricum polysaccharide，PSP）是其主要成分之一，由果糖、鼠李糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖、木糖和半乳糖醛酸组成，具有抗肿瘤、抗氧化、抗衰老、抗炎、抗免疫调节等多种生理活性。前期研究表明PSP可以改善衰老大鼠的学习记忆能力，然而PSP治疗增龄性认知功能障碍的具体机制尚不清楚。
近年来，越来越多的学者关注衰老问题。近日，湖南中医药大学的秦裕辉教授团队从“微生物-肠道-大脑”轴的角度探讨PSP的抗衰老机制，并在Journal of Functional Foods（分区Q1,IF: 5.60）期刊上发表了题为“Polygonatum sibiricum polysaccharides improve cognitive function in D-galactose-induced aging mice by regulating the microbiota-gut-brain axis”的研究论文。
图2 PSP对空间学习和记忆能力的影响。(A-F) 分别为NC、D-gal、PSP150、PSP300、PSP600和Donepezil组的MWM代表性图示。(G) 目标区域内的距离（%）。(H) 第一次进入目标区域的潜伏期（秒） - 目标。(I) 目标区域内的快速时间（秒）。(J) 目标区域内的平均速度。
图 3 PSP对神经保护和抗氧化的影响。各组中海马CA1（A）和CA3（B）区的H&E染色的代表图像（400×）。各组中海马CA1（C）和CA3（D）区的Nissl染色的代表图像（400×）。大脑中的MDA含量（E）、SOD活性（F）和GSH-Px活性（G）的代表图像。血清中的MDA含量（H）、SOD活性（I）和GSH-Px活性（J）的代表图像。
图 4 PSP对D-半乳糖诱导的衰老小鼠肠道微生物组的影响。(A) Ace指数。(B) Chao指数。(C) Shannon指数。(D) Simpson指数。(E) PCoA分析。(F) 肠道微生物组在门水平的相对丰度。(G) 肠道微生物组在属水平的相对丰度。
图 5 PSP对衰老小鼠粪便、血清和皮层代谢谱的影响。(A) 粪便中的OPLS-DA。(B) 血清中的OPLS-DA。(C) 皮层中的OPLS-DA。(D) NC组和D-gal组的粪便、血清和皮层中所有代谢物的途径分析。(E) D-gal组和PSP组的粪便、血清和皮层中所有关键代谢物的途径分析。
本实验基于水提醇沉方法提取黄精多糖，按照固液比1：10加入纯水和黄精粉末，90 ℃回流1小时，而后过滤的残余物在80 ℃下连续萃取2小时。将两种提取物混合后，加入四倍体积的无水乙醇（95%）以沉淀多糖。通过氯仿-正丁醇（V：V = 5：1）除去大分子物质，如蛋白质，以纯化多糖，最后醇沉得到粗多糖，冻干备用。
将（6周龄）雄性小鼠36只，随机等量分为六组，分别为正常对照（NC）组（小鼠皮下注射生理盐水并灌胃蒸馏水）、D-半乳糖衰老模型（D-gal）组、黄精多糖低、中、高剂量组（其中小鼠皮下注射150 mg·kg-1·d-1的D-半乳糖，并以150、300、和600 mg·kg-1·d-1的PSP）和多奈哌齐组（多奈哌齐是一种用于治疗阿尔茨海默病的药物）。投喂药物混合饲料，实验结束前 7 天进行 Morris 水迷宫实验（检验大鼠空间记忆能力的实验），结果显示，PSP300和PSP600组的路径比D-gal组更紧凑，穿越隐藏平台的次数增加，给予黄精多糖干预后，空间学习记忆能力得到改善。
采用经染液多次处理的切片，通过透射电子显微镜，观察皮层组织神经元和突触超微结构变化。电镜结果显示，D-gal组海马CA1、CA3区神经元稀疏、排列不规则，数量减少，神经元固缩、暗染、轴突空泡变性；黄精多糖干预后，神经元排列密集，数量众多，形态完整，核圆大，无坏死。
通过16 S rDNA测序技术分析粪便样本，从行为学数据和氧化应激指标来看，PSP 600的效果优于PSP 150和PSP 300。采用ace、Chao 1、Shannon和Simpson指数分析肠道菌群的a多样性，与正常对照组相比，衰老小鼠肠道菌群多样性降低，而PSP治疗后肠道菌群多样性增加。基于Bray-Curtis不相似性的主坐标分析（PCoA）显示NC组和D-gal组之间的微生物组成和结构存在显著差异。PSP组具有与NC组相似的趋势，且大部分集中在拟杆菌门中、厚壁菌门和放线菌群，表明PSP对衰老小鼠的肠道微生物群具有显著的调节作用。
通过UPLC色谱法分析粪便、血清和脑中的代谢产物，确定了12个关键的差异代谢物作为潜在的PSP代谢标志物。经过代谢组数据分析，发现差异显著的代谢物与肠脑轴上的每一种差异代谢物都沿着相互作用，表明肠道菌群或其代谢物在肠脑相互作用过程中发挥着不同的作用。检测衰老相关代谢物和与PSP治疗衰老疾病相关的代谢物再进行偏最小二乘判别分析（OPLS-DA），分析发现在PSP组中，粪便中有35个关键代谢物，其中10个上调，25个下调；血清中有9个关键代谢物，其中8个上调，1个下调；皮层中发现了58个关键代谢物，其中33个上调，25个下调。涉及所有关键代谢物的前三种代谢途径是嘌呤代谢、核黄素代谢以及D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢，提示PSP延缓衰老的代谢效应可能具有组织特异性。与D-gal处理的衰老小鼠的代谢谱相比，PSP处理的小鼠的代谢谱部分逆转，具有恢复到正常小鼠的趋势。
使用KEGG数据库进行差异代谢物的途径分析，发现腺嘌呤、鸟嘌呤、腺苷、鸟苷3′，5 ′-环一磷酸、次黄嘌呤和GMP参与嘌呤代谢，核黄素参与核黄素代谢。拟杆菌门（OTU 460）与粪便、血清和皮质的代谢物密切相关，拟杆菌门（OTU 392、OTU 464）仅与皮质的代谢物相关，厚壁菌门（OTU 244）仅与粪便的代谢物相关。这些结果表明，代谢产物，特别是在皮层，是密切相关的肠道细菌。PSP调节的微生物物种和氧化应激之间的相互作用。
综上，从“微生物群-肠-脑”轴的角度研究了PSP对D-半乳糖诱导的衰老小鼠的抗衰老作用。证明了PSP可以减少氧化应激对大脑的损伤，并有效改善D-半乳糖诱导的学习记忆。发现了主要是厚壁菌门，拟杆菌门和放线菌门干扰D-半乳糖诱导的衰老小鼠的肠道微环境。PSP处理的小鼠中丰富的肠道微生物与衰老密切相关，同时发现，厚壁菌门与拟杆菌门的比率随着老化而增加，表明PSP可以通过改变D-半乳糖诱导衰老小鼠的肠道微生物群组成来影响氧化应激，改善学习记忆能力。这一结果表明，衰老小鼠的脑组织与肠道细菌关系最为密切。
这项研究结果证实了黄精多糖通过“微生物群-肠-脑”轴减轻D-半乳糖诱导的衰老小鼠的氧化应激和病理变化，改善认知功能的能力。此外，研究还揭示类杆菌门和厚壁菌门的变化以及嘌呤代谢显著富集的差异代谢产物可能与氧化应激和认知功能有关，但是需要进一步研究。
湖南中医药大学赵柳为论文的第一作者，秦裕辉肖德华为论文的通讯作者。
https://doi.org/10.1016/j.jff.2023.105476
