证据表明，肠道微生物组、代谢异常和大脑之间的复杂相互作用在抑郁症（MDD）的病因和治疗中具有重要意义。然而，微生物组-肠-脑轴相互作用对抑郁症认知障碍的影响尚未得到充分阐明。作者在104名抑郁症患者和77名健康对照者（HCs）中进行了血清代谢组学分析，并在其中一部分人群（包括79名抑郁症患者和60名健康对照者）中进行了粪便宏基因组测序。此外，作者还在一个独立的队列中，通过血清靶向代谢组学验证了这些发现，该队列包括40名抑郁症患者和40名健康对照者。研究发现抑郁症患者存在胆汁酸代谢异常，这与认知功能障碍相关。相应的肠道菌群与胆汁酸代谢的变化以及胆汁酸代谢途径中涉及的酶活性相关，包括毛螺菌科（Blautia massiliensis、Anaerostipes hadrus、Dorea formicigenerans 和 Fusicatenibacter saccharivorans）、瘤胃球菌科（Ruminococcus bromii、Flavonifractor plautii 和 Ruthenibacterium lactatiformans）以及大肠杆菌（Escherichia coli）。此外，作者还发现了一种能够稳健区分抑郁症患者和健康对照者的组合标志物分类器。总之，本研究为理解抑郁症认知表型中的肠-脑相互作用提供了见解，并表明通过靶向肠道菌群和胆汁酸代谢可能成为治疗抑郁症相关认知障碍的潜在策略。
1、 研究设计
共招募了261名年龄在18至50岁之间的受试者，分别来自两个队列。队列1包括181名受试者（104名抑郁症患者和77名健康对照者），他们均提供了血清样本用于非靶向代谢组学分析。其中，139名受试者（79名抑郁症患者和60名健康对照者）还提供了粪便样本用于宏基因组测序。队列2包括80名受试者（40名抑郁症患者和40名健康对照者），他们均提供了血清样本用于靶向代谢组学验证。
图1：研究流程图
2、 抑郁症患者肠道菌群的组成和功能异常
采用宏基因组鸟枪法测序对139份粪便样本中的肠道菌群进行分析。对α多样性指数的分析显示抑郁症（MDD）组与健康对照（HC）组之间没有显著差异（图2A）。主坐标分析（PCoA）显示两组之间存在显著差异（图2B）。共检测到123种差异物种，其中67种在抑郁症（MDD）患者中富集，56种在抑郁症患者中减少。采用线性判别分析（LDA）来评估物种丰度对这些差异的影响。LDA > 2.5且P值 < 0.05的物种相对丰度的差异如图2C所示。微生物组的功能分析显示，抑郁症患者中变化的代谢途径主要涉及初级胆汁酸生物合成、次级胆汁酸生物合成、氨基酸代谢（例如色氨酸代谢、赖氨酸降解和组氨酸代谢）、谷胱甘肽代谢、花生四烯酸代谢以及脂肪酸代谢（图2D）。
图2：粪便宏基因组学分析揭示了抑郁症患者肠道微生物的组成和功能异常
3、 抑郁症患者异常的血清代谢特征
作者在181个样本中鉴定出4147种代谢特征。其中，抑郁症（MDD）患者中有1236种特征发生改变（310种上调，926种下调；图3B）。为了阐明代谢物的潜在作用，作者使用KEGG数据库对其代谢途径进行了注释。研究发现，抑郁症（MDD）患者表现出147条代谢途径的改变，包括初级胆汁酸生物合成、胆固醇代谢、类固醇激素生物合成、泛酸和辅酶A生物合成、色氨酸代谢、花生四烯酸代谢、辅因子生物合成以及其他氨基酸代谢途径（图3C、E）。与类固醇激素生物合成、色氨酸代谢、苯丙氨酸和酪氨酸生物合成、辅因子生物合成以及泛酸和辅酶A生物合成相关的代谢物主要呈现下降趋势。相反，与花生四烯酸代谢、谷胱甘肽代谢以及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢相关的代谢物主要呈现上升趋势。作者发现，初级胆汁酸中的甘胆去氧胆酸（GCDCA）和牛胆去氧胆酸（TCDCA）上调，而牛胆酸（TCA）下调，次级胆汁酸普遍下调，但甘胆石胆酸（GLCA）除外，这与部分肠道微生物功能改变的结果一致（图2D和图3E）。为了进一步确认上述代谢途径的变化，作者在另一个队列中对血清氨基酸和胆汁酸谱进行了靶向验证。验证结果进一步证实了抑郁症患者中胆汁酸生物合成、色氨酸代谢和胆固醇代谢的异常（图3D）。总之，这些结果表明抑郁症患者整体血清代谢特征存在异常。研究结果显示，甘胆去氧胆酸（GCDCA）、牛胆去氧胆酸（TCDCA）和甘胆石胆酸（GLCA）在抑郁症（MDD）患者中上调，而牛胆酸（TCA）、石胆酸（LCA）、牛石胆酸（TLCA）、甘胆熊去氧胆酸（GUDCA）和牛胆熊去氧胆酸（TUDCA）则下调（图3F）。基于扩大样本量的研究，作者进一步确认了抑郁症患者中胆汁酸代谢的异常。
图3 抑郁症患者与健康对照组相比血清中变化的代谢物
4、 抑郁症患者异常的血清代谢组与肠道菌群变化相关
基于上述发现，作者对多组学数据集进行了典型相关分析（Canonical Correlation Analysis, CIA），以评估肠道微生物组与血清代谢组之间的相互作用。分析结果显示肠道微生物与血清代谢物之间存在显著的相关性（图4A）。这些代谢物与物种的丰度相关，结果表明甘胆石胆酸（GLCA）和甘胆熊去氧胆酸（GUDCA）与肠道微生物广泛相关，其随机森林模型分别解释了11.21%和10.93%的变异（图4B）。基于肠道来源的胆汁酸（BAs）、类神经递质代谢物以及上述讨论的物种，作者利用随机森林模型构建了一个疾病分类器，以区分抑郁症（MDD）患者和健康对照者（HCs）。在包含胆汁酸的模型中，仅使用胆汁酸时，曲线下面积（AUC）为0.88；在结合微生物组后，AUC增加到0.99。甘胆石胆酸（GLCA）、牛石胆酸（TLCA）、甘胆熊去氧胆酸（GUDCA）和牛胆熊去氧胆酸（TUDCA）是主要的贡献因素（图4D）。在包含肠道来源的类神经递质代谢物的模型中，AUC为0.93；加入微生物后，AUC增加到0.99。作者的研究结果表明，微生物和肠道来源的胆汁酸可能是抑郁症的潜在诊断生物标志物，并且其诊断效率与广为人知的神经递质相当。
图4：抑郁症患者的肠道菌群失调导致血清代谢物的异常。
5、 肠道微生物介导抑郁症中异常的胆汁酸代谢途径
鉴于上述异常的胆汁酸谱，作者使用HUMAnN比较宏基因组数据，以识别和分析参与胆汁酸代谢的酶。胆汁酸代谢的过程以及这些途径中涉及的关键酶总结在图5A中，包括胆汁盐水解酶（Bile Salt Hydrolase, BSH）（EC3.5.1.24）、7-α-羟基类固醇脱氢酶（EC1.1.1.159）和7-β-羟基类固醇脱氢酶（NADP(+)）（EC1.1.1.201）（图5A）。作者发现，在抑郁症（MDD）患者中，EC3.5.1.24的基因丰度降低，而EC1.1.1.159的基因丰度升高（图5B）。
在抑郁症（MDD）患者中，普通拟杆菌（Bacteroides uniformis）、Blautia obeum、Blautia wexlerae和Anaerostipes hadrus是编码EC3.5.1.24的四个主要贡献物种（图5C）。Anaerostipes hadrus、Blautia obeum、Blautia wexlerae、Ruminococcus torques和Dorea longicatena编码EC3.5.1.24的基因丰度在抑郁症患者中较低（图5D），这与这些物种在抑郁症患者中相对丰度的降低相一致，它们均属于毛螺菌科（Lachnospiraceae）（图2C）。此外，作者观察到编码EC1.1.1.159的主要物种（包括大肠杆菌（Escherichia coli）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和产气克雷伯菌（Klebsiella oxytoca））的基因相对丰度在抑郁症患者中升高（图5E、F）。总之，这些结果表明，肠道微生物通过调节酶活性，部分介导抑郁症患者中异常的胆汁酸代谢。
为了探索抑郁症患者外周炎症中异常胆汁酸的作用，作者比较了外周白细胞比例，发现单核细胞（MONO%）和淋巴细胞（LYMPH%）比例升高，而中性粒细胞（NEUT%）比例降低（图5G）。作者进一步检测了队列1中47名抑郁症患者的血清细胞因子，并与胆汁酸进行相关性分析。结果表明，甘胆熊去氧胆酸（GUDCA）与白细胞介素-6（IL-6）呈负相关，而甘胆石胆酸（GLCA）与白细胞介素-17（IL-17）呈正相关（图5H）。这一发现表明，抑郁症患者中异常的胆汁酸代谢可能与炎症因子水平的变化相关。
图5：肠道微生物介导抑郁症中异常的胆汁酸代谢途径以及胆汁酸与炎症因子之间的关联。
6、 肠道微生物影响胆汁酸代谢，从而促进抑郁症中的认知障碍
作者进一步探讨了抑郁症（MDD）中认知障碍的潜在机制，研究了肠道微生物组和胆汁酸（BAs）的功能。作者评估了血清代谢组、肠道微生物组与认知之间的关系。典型相关分析（CIA）显示，血清代谢组与认知之间的关联（图6A）比肠道微生物组与认知之间的关联（图6B）更强，这可能表明肠道微生物通过更复杂的途径（包括免疫系统、内分泌系统和神经系统）对大脑功能产生影响。
为了进一步探索异常胆汁酸谱对抑郁症患者认知障碍的影响，作者使用LASSO回归筛选对认知功能有显著贡献的胆汁酸。在考虑年龄、性别、BMI和教育程度后，发现胆汁酸对抑郁症患者的多个认知维度有贡献。结果显示，肠道来源的次级胆汁酸（包括甘胆石胆酸[GLCA]、甘胆熊去氧胆酸[GUDCA]和牛胆熊去氧胆酸[TUDCA]）与抑郁症患者的认知障碍相关（图6C、D）。GUDCA和TUDCA对THINC-it客观认知和THINC-it综合认知有正向贡献，而GLCA则是负向因素。将每个测试分别作为因变量进行分析，结果显示GUDCA是Spotter、Codebreaker、Trials和PDQ-5-D的正向预测因子，而GLCA对Spotter和Trials有负向影响。这表明GLCA、GUDCA和TUDCA与多个认知维度相关。此外，结果还显示，结合型初级胆汁酸甘胆去氧胆酸（GCDCA）与THINC-it综合认知、Trials和PQD-5-D呈负相关（图6C）。
图6：肠道微生物影响胆汁酸代谢，从而促进抑郁症中的认知障碍。
综上所述，本研究系统阐明MDD患者肠道菌群失调（Lachnospiraceae、Ruminococcaceae减少，Escherichia_coli 增加）导致胆汁盐水解酶（BSH）活性降低，次级胆汁酸（GUDCA、TUDCA）合成减少，而初级胆汁酸（GCDCA、TCDCA）累积，通过激活IL-6、IL-17等促炎因子加剧神经炎症和突触损伤，最终驱动认知功能障碍；基于菌群和胆汁酸的诊断模型（AUC=0.99）为生物标志物开发奠定了基础。未来需进一步探索靶向调控肠-脑轴（如益生菌、胆汁酸类似物）的治疗策略，以改善MDD患者的认知预后。
参考文献
Jia M, Fan Y, Ma Q, et al. Gut microbiota dysbiosis promotes cognitive impairment via bile acid metabolism in major depressive disorder. Transl Psychiatry. 2024 Dec 24;14(1): 503. doi: 10.1038/s41398-024-03211-4.
