学术研究报告：Itaconate通过肠脑轴激活Nrf2依赖的抗神经炎症及神经发生通路改善麻醉/手术诱导的认知功能障碍

第一作者及机构
本研究由Xiangyi Kong（共同第一作者）、Wenyuan Lyu（共同第一作者）等团队完成，通讯作者为Penghui Wei和Jianjun Li，所属机构为山东大学齐鲁医院（青岛）麻醉科及脑功能实验室。研究成果发表于*Journal of Neuroinflammation*（2024年，卷21，第104期）。

学术背景
术后认知功能障碍（Postoperative Cognitive Dysfunction, POCD）是老年患者麻醉和手术后常见的神经系统并发症，发病率高达25.8%（术后1周）和9.9%（术后3个月）。其机制涉及神经炎症、血脑屏障损伤、神经元凋亡等，但目前缺乏安全有效的治疗手段。Itaconate是一种源自三羧酸循环的免疫调节代谢物，通过激活核因子E2相关因子2（Nuclear Factor Erythroid 2-Related Factor 2, Nrf2）通路发挥抗炎作用。本研究旨在探讨其衍生物4-辛基衣康酸酯（4-Octyl Itaconate, OI）对老年小鼠POCD的改善作用及机制，重点关注肠脑轴与Nrf2信号通路的关联。

研究流程与方法
1. 动物模型构建与处理
- 对象：18月龄雄性C57BL/6小鼠（共162只），随机分为假手术组、POCD模型组（无菌剖腹术+异氟烷麻醉）、POCD+OI治疗组（术后腹腔注射50 mg/kg OI）及POCD+OI+Nrf2拮抗剂ML385组。
- 手术与麻醉：小鼠在1.5%异氟烷麻醉下接受剖腹术，持续1.5小时，术后1小时注射OI或ML385。
- 行为学测试：术后第5-6天进行旷场实验（Open-Field Test, OFT）和新物体识别实验（Novel Object Recognition, NOR），评估焦虑、运动能力及认知功能。

1. 细胞实验

   • 原代细胞分离：从小鼠海马区分离原代小胶质细胞和神经元，分别用脂多糖（LPS）和异氟烷诱导炎症模型，并给予OI或ML385处理。
     
   • 炎症因子检测：通过ELISA测定细胞上清液及海马组织中IL-1β和IL-6水平。
     

2. 微生物组与代谢组分析

   • 16S rRNA测序：术后24小时采集肠道内容物，分析菌群组成（如乳杆菌科、Muribaculaceae等）及α/β多样性。
     
   • 超高效液相色谱-质谱（UHPLC-MS/MS）：检测肠道代谢物变化，筛选与神经发生相关的差异代谢物（如细胞生长与再生相关通路）。
     

3. 分子机制验证

   • 免疫荧光染色：标记海马区双皮质素（Doublecortin, DCX）和5-乙炔基-2’-脱氧尿苷（EdU）以评估神经发生，TUNEL染色检测神经元凋亡。
     
   • 信号通路分析：通过Nrf2和磷酸化ERK（p-ERK）共定位，验证Nrf2/ERK通路在OI介导的神经保护中的作用。
     

主要结果
1. OI改善认知功能
- NOR测试显示，POCD组小鼠对新物体的识别指数显著降低（0.31 vs 假手术组0.66），而OI治疗组恢复至0.43（p<0.05）。OFT证实OI不影响运动能力或焦虑水平。

1. 抑制神经炎症

   • OI显著降低海马区IL-1β（22.83 pg/mg vs POCD组35.37 pg/mg）和IL-6（25.75 pg/mg vs 49.50 pg/mg）水平，并减少小胶质细胞（Iba1+）和星形胶质细胞（GFAP+）活化。
     

2. 调节肠道菌群与代谢

   • OI逆转POCD导致的菌群紊乱，增加乳杆菌科（Lactobacillaceae）和Erysipelotrichaceae丰度，降低拟杆菌门（Bacteroidota）比例。代谢组学显示，OI调控氨基酸代谢和维生素合成通路。
     

3. 促进神经发生与抑制凋亡

   • OI增加海马齿状回（DG区）新生神经元数量（DCX+EdU+细胞从5.52/mm²升至9.15/mm²），并减少TUNEL阳性细胞（凋亡率从146.8%降至103.9%）。
     

4. Nrf2/ERK通路的核心作用

   • OI上调神经元中Nrf2表达（免疫荧光强度从0.57升至0.86），并激活ERK磷酸化。Nrf2拮抗剂ML385可完全阻断OI的神经保护效应，证实该通路的必要性。
     

结论与意义
本研究首次揭示OI通过以下机制改善POCD：
1. 肠脑轴调控：稳定肠道菌群，产生促神经发生代谢物；
2. Nrf2/ERK通路激活：抑制神经炎症并促进海马神经发生；
3. 临床转化潜力：为开发基于itaconate衍生物的POCD治疗策略提供实验依据。

研究亮点
- 创新性方法：结合微生物组、代谢组与神经行为学多维度分析，阐明肠脑轴在POCD中的作用。
- 机制深度：明确Nrf2/ERK通路是OI发挥效应的关键靶点，并通过拮抗实验验证其必要性。
- 转化价值：OI作为血脑屏障穿透性衍生物，具有临床应用的潜在优势。

其他价值
研究数据已公开于NCBI BioProject（PRJNA1078590）和Metabolights（MTBLS9593），为后续研究提供资源。此外，团队提出通过增强内源性itaconate或补充外源性衍生物的治疗新思路，为老年手术患者的神经保护策略开辟了新方向。