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“吃屎”回春?粪便移植逆转小鼠老化症状|老龄鼠系列

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发表时间:2022-03-26 15:00作者:郑芒
歌神张学友近几年很少出新歌,受疫情影响也不怎么开演唱会了,但是他的表情包一直活跃在互联网,尤其是每当对话进行到口吐芬芳的地步,一句“吔屎啦你”让场面突然有了味道。
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读书人多数不喜欢这吐沫横飞的场面,你关掉网页,准备继续写论文。毕竟,除了写论文,你可能也找不到更好的办法论证自己还在读书的合理性了。

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不过,擅长开脑洞的你可能有很多问号:为什么学友大哥会提出让对方“吃屎”?为何便便就一定和恶心脱不了干系?这种操作会不会有什么意外的影响呢?

毕竟,在卷到飞起的生命科学领域摸爬滚打多年,你已经对各种惊世骇俗的论调云淡风轻。从饱受争议的阿尔茨海默病“神药”GV-971,到新冠肺炎治疗为中医药量身定制的新词“参与治疗率”,大家见多了不愿不能解释作用机理,笼统地将结果归因于人群特质、肠道菌群甚至不可言说的玄学的“重大发现”。于是,坊间有云:

遇事不决、量子力学

机制难寻、肠道菌群
巧的是,便便中就含有大量的肠道菌群,活着的和死去的。
生老病死的世代交替推动了文明的发展,衣食住行的潮流变幻促成了商业的繁荣,重口味的你大概要猜,吃喝拉撒的排列组合说不定也能创造某种生命的奇迹?
是的,你猜对了。有严谨的研究表明,“吃屎”能在一定程度上“返老还童”,至少在小鼠身上是这样!
2021年8月9日,《自然》杂志旗下的《Nature Aging》(自然·衰老)子刊发表了一篇关于粪菌移植逆转小鼠大脑衰老迹象的论文:

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肠道菌群调节宿主免疫功能和大脑健康的重要作用已被逐渐认识到,而衰老过程伴随着的体内微生物的巨大变化也与老年群体的虚弱体质相关。那么肠道菌群的变化与老年人的大脑健康和神经免疫究竟有多大关系?

为了测试年轻小鼠的肠道微生物能否逆转大脑的老化进程,爱尔兰科克大学的神经科学家们决定 为老鼠写诗 喂老鼠些屎!

为你我做了太多的傻事

第一件就是为你写诗

—— 吴克群《为你写诗》歌词

实验是这样设计的:收集年轻小鼠(3~4月龄)的粪便,然后把过滤得到的微生物通过灌胃针喂给老年小鼠(19~20月龄),所以更准确的说法是“粪菌移植”(fecal microbiota transplantation)。作为对照,也将一些老年小鼠(19~20月龄)的粪便喂给其他老年小鼠,或将年轻小鼠(3~4月龄)的粪便喂给其他年轻小鼠。前三天每天喂一次,此后每周两次,持续8周。期间进行行为学和生理测试(研究1),或在此后解剖分析神经免疫和神经发生(研究2)。

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实验流程时间线

研究发现,移植了年轻小鼠肠道菌群的老年小鼠体内,微生物群逐渐与年轻小鼠接近(通过16S rRNA扩增测序),无论是特定细菌种类的比例,还是某些代谢产物的浓度。比如与年轻小鼠相似,常见的肠道微生物肠球菌(Enterococcus)在移植年轻小鼠菌群后的老年小鼠Aged yFMT体内的含量也升高。

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体内菌群的变化

同时,研究人员对老年小鼠的神经免疫功能进行了测试,结果显示老龄鼠随衰老出现的一些免疫变化在移植年轻小鼠菌群后发生了逆转。这些变化包括外周血中多种免疫细胞的数量和比例改变,以及在与学习和记忆密切相关的脑区——海马体,作为免疫细胞的小胶质细胞的形态和部分基因表达水平都变得更像年轻小鼠。

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海马体的小胶质细胞随衰老变大,移植年轻小鼠菌群后转小;多个基因表达量的衰老变化也被逆转

研究者们分析海马体的代谢物后发现,移植年轻小鼠菌群的老龄鼠共有35种代谢物恢复到年轻时的水平。这些代谢物主要与氨基酸代谢有关,相当部分与肠道菌群的代谢产物一致,而且这些分子可以透过血脑屏障。这意味着,随着肠道菌群的变化,相关代谢物从肠道转移到大脑,进而影响大脑健康。

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年龄及菌群移植物对海马体代谢组的影响

更有意思的是,研究人员发现移植年轻小鼠肠道菌群让老年小鼠在原本衰退的认知行为能力上也表现得更加优秀。在一系列测试学习能力和长期记忆的行为实验中,它们的成绩要优于同龄小鼠,更接近年轻小鼠。

当然,和各位读者朋友的项目初期进展一样,研究者们前期也做了一些约等于没做的实验,实验组和对照组小鼠没发现什么明显的差异。

Y形迷宫 (Y-maze)

小鼠在Y形迷宫中的自发选择行为 (spontaneous alternation behavior) 可以用来评估短时工作记忆、海马依赖的空间记忆和探索能力。

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实验表明小鼠年龄或菌群移植对该项测试影响不大。阴性结果+1。

新环境导致的食欲不振 (Novelty-Induced Hypophagia behavioral test, NIH)

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研究人员认为年龄或菌群移植对小鼠的食欲没有显著影响。阴性结果+2。

旷场活动 (Open field)
旷场活动实验就是让小鼠在开阔平整的场地上自由活动,被广泛用于评测动物的接触或逃避行为、运动能力和对新环境的反应。例如动物对新开阔环境的恐惧使其主要在周边或角落区域活动,在中央区域活动相对较少,由此评估动物的焦虑程度。同时,动物本能的探究特性又让其有前往中央区域的动机,可观察动物直立次数来分析动物的好奇心强弱。

自发活动 (locomotion)

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在10分钟测试期,各组小鼠的运动距离相当,没有存在明显运动缺陷。阴性结果+3。

类焦虑行为 (anxiety-like behavior)

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各组小鼠在虚拟的中央区域(正中心的33%面积)经过的次数和时间都没有明显差异,小鼠没有出现明显的焦虑症状。阴性结果+4!


盼望着盼望着,后来,研究者们终于看到了一些统计上有明显差异(虽然未必知道怎么解释)、让他们重新燃起希望的结果!

新物体识别 (Novel object recognition, NOR)

该实验通过分析小鼠靠近熟悉物体或新物体的次数和时长评价动物的短期识别记忆能力和探索欲望。

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实验表明各组小鼠对新物体的记忆能力影响不大,但老龄鼠对新物体感兴趣的累计时间缩短,而移植年轻菌群能重新唤起好奇心,将此延长至年轻小鼠水平。

高架十字迷宫(Elevated plus maze, EPM)

这是一种衡量小动物焦虑类似行为的方法,通常认为在开放臂(周边没有围栏的区域)上停留时间越长,动物更加轻松自如,也就是焦虑程度越低。
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年龄差别并未导致移植老年菌群的老年小鼠(Aged oFMT)移植年轻菌群的年轻鼠(Young yFMT)开放臂的停留时间有显著差异,然而移植年轻小鼠肠道菌群的老年小鼠(Aged yFMT)在开放臂的停留时间出奇的高,研究者说预示着年轻菌群在老年宿主体内潜在的减轻焦虑的功效,但未给出进一步阐述。
三箱社交行为 (3-Chamber social interaction test)

此测试通过记录小鼠更多选择与同类动物(“社牛”)还是物品接触(“社恐”),以及是否更愿意与新进动物接触(“喜新厌旧”),来分析动物的社交能力和社交好奇心。

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实验表明老年小鼠在有另一只小鼠的区域待的时间略短,也就是有轻微的社交恐惧倾向,而移植年轻菌群能扭转这种选择。不同小鼠的基本社交能力和喜新厌旧程度没有明显区别。

Morris水迷宫 (Morris water maze, MWM)

Morris水迷宫是一种强迫实验动物(通常为大鼠或小鼠)游泳,借助泳池周围的图形标志学习寻找隐藏在浑浊水面之下支撑平台的实验方法,主要用于测试动物的空间(位置和方向)学习和长期记忆能力,被广泛应用于学习记忆、智力发育和老年痴呆等研究领域
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移植年轻小鼠肠道菌群的老年小鼠(Aged yFMT)在各项参数上均与移植年轻菌群的年轻鼠(Young yFMT)无显著差异,而在训练第1天平均游动距离(average path length)和平均速度(average velocity)明显高于移植老年菌群的老年小鼠(Aged oFMT),在训练第4、5天与水中平台的平均距离后者要小。

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若分析与训练第1天数据比较变化幅度,Aged yFMT训练效果更显著,说明学习能力较好。

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首次进入目标象限的用时 (latency to target quadrant)方面,移植年轻菌群的老龄鼠(Aged yFMT)与年轻小鼠接近,比移植老年菌群老龄鼠(Aged oFMT)要短,说明前者的长时记忆能力略强。三者在目标象限所待的时间 (time in target quadrant)相当。
体征观察 (Observation battery)
研究人员在移植菌群之前和实验后期对小鼠的健康状态进行了全面观测,包括基本外观、生理特征和感知运动反射等。

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在移植菌群之前,老龄鼠(Aged yFMTAged oFMT)的评分都比年轻小鼠要低。在实验后期,移植年轻菌群的老龄鼠(Aged yFMT)的评分上升至年轻小鼠(Young yFMT)接近,而移植老年菌群老龄鼠(Aged oFMT)没有这种变化。

行为学实验到此结束,总的来说,这些数据表明移植年轻小鼠的肠道菌群给老年小鼠可以逆转一部分由衰老导致的行为缺陷。

综合上述所有实验结果,研究者认为来自年轻、健康小鼠的微生物群让肠道菌群、外周和脑部免疫与年龄相关的部分改变重新年轻化,并且扭转了代谢产物和动物行为。他们猜测肠道菌群产生的代谢产物可能直接或间接地影响到海马体的代谢组,毕竟前者的部分产物是可以穿透血脑屏障的。

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实验总结图示
当然,研究者们提醒这篇论文全部使用雄性小鼠,后续研究需要考虑性别因素的影响。作为升华主题的研究展望,他们认为本项研究提供了基本的证据,提示肠道菌群应当被考虑作为治疗海马体与年龄有关的功能衰退中部分症状的潜在靶标。

作为一个负责任的公众号,鼠来宝生物对菌群移植的应用现状也做了一点研究。据了解,美国已于2012年创建了一家独立非营利性“粪便银行”OpenBiome(开放生物群),粪便样本主要用于治疗肠道的艰难梭菌感染,在不少案例中显示出良好的效果,但其安全性和有效性尚未通过对照试验得到充分验证。若处理不当,可能导致新的感染。此外,哈佛医学院和马赛诸塞州综合医院的将通常的插管灌肠方式改进为口服“大便药丸”治疗体验大有改善,但效果仍有待研究。目前国内也有自闭症儿童的家长带孩子进行粪菌移植治疗不过主要是针对肠道方面的并发症,对于自闭症的疗效并不明确,专家们不鼓励轻易尝试。

所以,我们认真地建议大家,在肠道菌群移植疗法被权威的监管机构(如美国FDA和中国药监局)核准使用之前,不要私自尝试此类方法,尤其是保留原始风味的重口味操作。

希望各位好好吃饭、规律锻炼。

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时间允许的话,多喝热水。

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参考资料:

Boehme, M., et al. (2021). Microbiota from young mice counteracts selective age-associated behavioral deficits. Nature Aging, 1(8), 666–676. https://doi.org/10.1038/s43587-021-00093-9

窗敲雨、Ent. “粪便银行”:翔我收好,钱你带走.果壳. 2014-10-20
昀皓.口服“大便”药丸,简单有效治疗肠道感染.果壳. 2014-10-16
石晗旭.冲上热搜的粪菌移植,是自闭症患者的福音吗?中国新闻周刊.2021-10-20


读后感:

1. 研究人员选择年轻和老年小鼠两组极有可能形成明显差异的实验对象,是一种较为稳妥的研究策略;
2. 聚焦于年轻小鼠肠道菌群是否能逆转衰老造成的神经免疫和海马体相关行为的改变这个视角,使检测项目相对全面又细致,涉及微生物组、流式细胞、转录组、代谢组和行为学分析
3. 严谨的流程设计和统计分析保证使用小鼠数量和实验周期可控、实验数据可靠;
4. 执行专业和严格的小鼠行为学实验流程,避免人为操作因素造成的误差掩盖动物本身性状的微小区别;

5. 种类丰富的行为学仪器帮研究者获得了不算惊艳却也扎实可用的比较数据,说明坚持不懈地努力尝试不同检测方法常常是有必要的。

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老龄鼠行为学仪器供应

鼠来宝生物供应大量10~18月龄的C57BL/6小鼠,小鼠来源清晰、周龄准确、饲养严格、现货直发

我们也提供论文使用的行为学实验设备,以及文章没有提到(也可能是实验没有显著差异所以作者懒得写)种类丰富的动物行为学和生理检测仪器及分析软件,欢迎感兴趣的老师和同学垂询。

联系电话:027-87707448,18627018373(动物),15107162311(仪器)
仪器介绍:www.shulb.com/instruments.html

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撰文:郑芒


鼠来宝(武汉)生物科技有限公司成立于2017年,提供实验动物行业全方位的产品和服务,包括常规实验动物、基因编辑动物、动物仪器、净化扩繁、动物运输和实验外包服务等。

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