该研究由西北农林科技大学食品科学与工程学院Zhigang Liu、BGI深圳应用农业研究所Xiaoshuang Dai等来自中国、丹麦、美国、瑞典多国机构的研究团队共同完成，于2020年发表在《Nature Communications》期刊（DOI: 10.1038/s41467-020-14676-4）。研究聚焦2型糖尿病（T2D）引发的认知功能障碍这一临床难题，通过肠道菌群-代谢物-脑轴（microbiota-metabolites-brain axis）的全新视角，揭示了间歇性禁食（intermittent fasting, IF）改善糖尿病相关认知损伤的分子机制。

学术背景

认知功能衰退是T2D的严重并发症之一，其发病机制涉及脑胰岛素抵抗、线粒体功能障碍及神经炎症等多因素。尽管IF已被证实能改善代谢综合征，但其对糖尿病相关认知损伤的保护机制尚未阐明。近年来，肠道菌群通过代谢产物调控宿主代谢和神经功能的机制成为研究热点，特别是短链脂肪酸（SCFAs）、吲哚丙酸（3-indolepropionic acid, IPA）、胆汁酸（bile acids, BAs）等微生物代谢物被发现具有神经保护潜力。本研究旨在阐明IF通过重塑肠道菌群及其代谢物，进而改善糖尿病模型小鼠认知功能的作用通路。

研究流程与方法

1. 动物模型与IF干预

研究选用3月龄db/db小鼠（T2D模型）及db/m对照小鼠，分为自由进食组（db/db）和间歇禁食组（db/db-IF，24小时禁食/24小时自由进食循环，持续28天）。样本量每组10-13只，监测体重、摄食量、胰岛素敏感性（胰岛素耐量试验）及行为学表现（Morris水迷宫、高架十字迷宫）。

2. 多组学数据采集

• 转录组学：取海马组织进行RNA测序，检测27,094个基因表达，通过差异表达基因（DEG）分析和加权基因共表达网络分析（WGCNA）筛选IF调控的关键通路。
  
• 微生物组学：采集粪便样本进行16S rRNA V3-V4区测序，分析菌群α/β多样性及特定菌属（如乳杆菌Lactobacillus）丰度变化，结合PICRUSt预测功能通路。
  
• 代谢组学：采用UPLC-QTOF检测血浆微生物代谢物（如IPA、5-HT、牛磺熊去氧胆酸TUDCA），GC测定粪便SCFAs浓度。
  

3. 机制验证实验

• 抗生素清除菌群：联合使用青霉素、甲硝唑等抗生素消除肠道菌群，评估IF效果依赖性。
  
• 代谢物干预：腹腔注射IPA（10 mg/kg）、5-HT（1 mg/kg）、TUDCA（250 mg/kg）或口服SCFAs混合物，观察认知行为及线粒体生物合成变化。
  

4. 组织与分子分析

• 超微结构：透射电镜观察海马突触后致密区（PSD）形态。
  
• 蛋白检测：Western blot分析胰岛素信号通路（IRS1/Akt）、线粒体生物合成标志物（PGC1α）及炎症通路（NFκB）。
  
• 线粒体DNA定量：实时PCR检测mtDNA/nDNA比值。
  

主要结果

1. IF改善代谢与认知功能

   • IF显著降低db/db小鼠空腹血糖（54.8%）和胰岛素水平（29.8%），提升胰岛素敏感性（HOMA-IR下降）。
     
   • 水迷宫实验显示，IF组逃脱潜伏期缩短，目标象限停留时间延长（p<0.05），空间记忆改善。
     

2. 肠道菌群重塑与代谢物变化

   • IF增加菌群α多样性，提升乳杆菌和产丁酸盐菌（Odoribacter）丰度，降低肠球菌（Enterococcus）等有害菌。
     
   • 血浆中IPA、TUDCA、5-HT水平显著升高（p<0.05），粪便SCFAs（乙酸、丁酸）浓度增加。
     

3. 海马线粒体与突触修复

   • RNA-seq揭示IF上调氧化磷酸化（OXPHOS）相关基因（如COX4I1、NDUFA1），WGCNA鉴定出49个线粒体功能核心基因。
     
   • 电镜显示IF组PSD长度和宽度增加（p<0.01），突触结构完整性改善。
     

4. 菌群-代谢物-脑轴验证

   • 抗生素处理部分取消IF的神经保护作用，表现为线粒体生物合成减少和认知行为退化。
     
   • 外源补充IPA、TUDCA或SCFAs可模拟IF效果，显著改善认知和线粒体功能。
     

结论与价值

本研究首次阐明IF通过调控肠道菌群及其代谢物（如IPA、TUDCA、SCFAs），激活海马线粒体生物合成和能量代谢，从而改善T2D相关认知损伤。其科学价值在于：
1. 机制创新：提出“菌群-代谢物-脑轴”作为IF干预代谢性认知障碍的核心通路。
2. 转化意义：为糖尿病神经并发症提供非药物干预策略，靶向菌群的代谢物（如TUDCA）可能成为治疗候选。

研究亮点

• 多组学整合：结合转录组、微生物组和代谢组数据，通过DIABLO算法建立多维度关联模型。
  
• 因果验证：通过抗生素清除和代谢物补充实验，明确菌群及其代谢物的必要性。
  
• 临床潜力：发现IPA、TUDCA等可跨血脑屏障的代谢物，为临床转化提供分子靶点。
  

该研究为代谢性疾病与神经退行性疾病的交叉领域提供了新的理论框架和治疗思路。