肠道菌群依赖性苯乙酸升高促进衰老过程中内皮细胞衰老

2025-06-28 Sat
肠道微生物及其代谢产物介导衰老过程中血管内皮细胞衰老的分子机制研究 ——《nature aging》最新成果解读一、研究背景及意义在人类社会深度老龄化的现实语境下，心血管疾病（cardiovascular disease, CVD）已成为全球老年人群健康的最大威胁之一。现有流行病学证据显示，衰老是心血管疾病最重要的风险因素之一。然而，导致心血管系统功能衰退的重要细胞基础——血管内皮细胞（endothelial cell, EC）功能障碍，尤其是内皮细胞衰老（senescence），其体内发生的分子诱因和调控机制尚未完全阐明。
近年来，肠道微生物（gut microbiota）作为“继基因组之后的人体第二基因组”，逐渐被医学与生命科学界认识到其与机体代谢、免疫、炎症等多系统、多疾病状态之间的密切关联。大量证据表明，肠道微生物通过分解膳食成分，产生多样的代谢物——其中既有有益的短链脂肪酸（short-chain fatty acid, SCFA），也有潜在有害的芳香族氨基酸衍生物（如苯乙酸，phenylacetic acid, PAA），而这些成分能经由肠—血管轴影响心血管健康、炎症反应乃至机体衰老。
值得注意的是，临床前和临床研究提示，特定肠道微生物分解膳食苯丙氨酸（phenylalanine），产出苯乙酸（PAA）和其下游产物——苯乙酰谷氨酰胺（phenylacetylglutamine, PAGln），这种代谢产物的升高与贫血、慢性肾病患者的心血管不良事件、全因死亡风险相关。但PAA如何作用于血管内皮细胞并促进其衰老、诱发血管功能障碍以及背后的分子网络，尚缺乏深入机制研究。
本研究正是在上述临床需求与科学盲区的背景下开展，力图揭示“肠道微生物—苯乙酸—血管内皮衰老”这一全新肠—血管交互轴，并进一步探索SCFA（尤其是乙酸 acetate）在对抗血管内皮衰老、维持血管健康中的潜在干预价值，为衰老相关心血管疾病的防治提供全新思路和靶点。
二、论文来源与作者信息本研究论文题目为《gut microbiota-dependent increase in phenylacetic acid induces endothelial cell senescence during aging》，发表在2025年6月的《nature aging》杂志（Nature Aging, Volume 5, June 2025, Pages 1025–1045），DOI: https://doi.org/10.1038/s43587-025-00864-8。
该研究由Seyed Soheil Saeedi Saravi（通讯作者）、Benoit Pugin、Florentin Constancias、Khatereh Shabanian 等多位学者合作完成，作者团队分别来自苏黎世大学、洛桑联邦理工学院、圣加仑医院、意大利贝尔加莫大学、帝国理工学院、瑞士苏黎世大学医院等世界顶尖科研机构。此项工作凝聚了多学科、国际化的研究力量，具备高度的创新性和权威性。
三、研究方案与实验流程1. 整体研究框架本研究围绕“肠道微生物代谢产物PAA如何促进血管内皮细胞衰老，并探究乙酸（acetate）对此过程的干预潜能”展开。从临床大队列到动物模型，再到细胞与分子机制，构建了完整的研究链条。研究流程主要包括：
大样本队列的人群临床数据分析（TwinsUK cohort，n=7303）
动物模型（小鼠）与类人衰老研究
肠道微生物组学与代谢组学整合分析
特定菌属（Clostridium sp. asf356）功能验证
原位、体外内皮细胞表型与机制实验
创新性干预实验（乙酸补充、Senolytic药物联合应用）
2. 具体实验步骤与方法2.1 临床队列及动物模型PAA与PAGln水平动态分析TwinsUK人群队列：采用非靶向代谢组学，检测7303位18-95岁健康个体血浆中PAA和PAGln水平。并应用线性回归、相关性分析明确其与年龄的关系。
小鼠动物模型：选择3月龄（青年）与24月龄以上（老年）C57BL/6J小鼠，靶向代谢组学采集血浆PAA与PAGln水平。设定样本量n=6，所有小鼠匹配性别、体重、肾功能排除肾功能异常影响。
2.2 肠道微生物组学与PAA合成相关通路识别小鼠粪便宏基因组测序：收集不同龄期小鼠新鲜粪便，进行shotgun-metagenomics测序。
KEGG数据库通路比对分析：重点筛查与PAA合成相关的两条氧化脱羧化路线：phenylpyruvate:ferredoxin oxidoreductase（PPFOR）和α-ketoisovalerate:ferredoxin oxidoreductase（VOR），分析其在不同年龄组的基因丰度变化。
ANCOM算法与CLR变换：鉴定丰度显著差异的菌群结构，尤其是PPFOR/VOR阳性功能菌的变化。
2.3 关联特异菌属功能学验证物种关联性分析：采用Spearman秩相关分析，筛选与血浆PAA水平正相关的优势菌属。
体外功能培养实验：将筛选到的Clostridium sp. asf356纯培养于含苯丙氨酸的溶液中，采用液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）检测其PAA和PAGln产能。
回溯人群TwinsUK微生物数据：对900例队列样本进行meta-taxonomic验证，确认PPFOR基因功能的肠杆菌属与PAA/PAGln相关性。
2.4 动物模型机体功能与内皮衰老表型验证Clostridium sp. asf356定植实验：将10-12周龄抗生素预处理小鼠通过口服方式定植该菌株，并与对照组比较血浆PAA水平、动脉弹性（力学张力法）、细胞衰老相关标志物（SA-β-Gal染色、p16^Ink4a、DNA损伤标记γ-H2A.X、炎症因子IL-1β/IL-6表达）。
Senolytic药物干预：结合达沙替尼（Dasatinib 5mg/kg）与槲皮素（Quercetin 50mg/kg）联合用药，治疗菌群定植组以清除衰老细胞，考察动脉功能、内皮新生血管能力是否复原。
2.5 PAA直接作用机制体内外验证体外人源主动脉内皮细胞（HAEC）：无血清状态下用10μM PAA刺激72小时，对比复制性衰老对照（P15-17代），评估SA-β-Gal、Ki67、抑癌基因（p16Ink4a等）、炎症因子和VCAM1等表型。
PAA体内灌注实验：腹腔注射PAA处理4周小鼠，检测体内血管剖面（弹性、胶原三型、MMP-9）、内皮衰老/DNA损伤/炎症表型、微血管新生能力。
Mito-HyPer7.2生物传感器创新方法：腺病毒转染Hyper7.2-靶向线粒体，实时检测PAA诱发的细胞线粒体H₂O₂生成。
Seahorse XF分析仪：实时监测细胞基础与极限呼吸（OCR）、糖酵解（ECAR）、ATP生成能力，评估PAA对内皮能量代谢的影响。
2.6 乙酸干预抗衰老潜能挖掘乙酸联合PAA处理体外实验：外源补充3μM醋酸钠，评估其对PAA诱发内皮细胞衰老、ROS、能量障碍、SASP、端粒维护（hTERT）、DNA损伤的拮抗作用。
分子机制探究：研究乙酸对NAD+—SIRT1—NRF2抗氧化通路、NF-κB炎症通路的调节作用，并以损失功能实验（si-SIRT1, NRF2抑制剂）验证因果关系。
四、主要实验结果精要及各阶段数据1. 人群/动物PAA与PAGln动态变化年龄增长显著伴随血浆中PAA（r=0.06,p<0.001）及PAGln（r=0.25,p<0.001）水平升高；该现象无肾功能影响。
老年小鼠同样观察到PAA及PAGln升高，佐证其与衰老进程紧密关联。
2. 微生物组功能通路变化与特定菌群富集宏基因组功能分析显示，老年小鼠粪便中PAA生物合成关键通路PPFOR/VOR基因丰度极显著升高（p<1e-4），PPFOR+与VOR+菌属在老年组比例为72%，远高于青年组（42%）。
Clostridium sp. asf356为唯一与PAA升高显著相关的PPFOR+菌属，该菌在老年小鼠微生物群中相对丰度显著提升。
TwinsUK人群亦验证到Clostridium属（含PPFOR+基因）阳性菌明显与PAA水平正相关（p=2.45e-5）。
3. Clostridium sp. asf356定植实验实施该菌定植后，血浆PAA提升约3.15倍，PAGln提升约1.7倍，动脉弹性减弱，血管外膜与内脏脂肪增多，衰老、基因损伤、炎症指标（p16Ink4a、γ-H2A.X、IL-1β/IL-6、SA-β-Gal）全面升高，动脉血管舒张功能及内皮新生血管能力显著下降。
Senolytic药物联合应用能够有效消除上述衰老表型并恢复内皮功能。
4. PAA早衰机制体内外实验PAA直接刺激人源内皮细胞，使其表型与复制性衰老细胞高度相似：细胞大而扁平、多核，Ki67减少，p16Ink4a/p19Ink4d/p21上调，SASP分泌（IL-1β/IL-6/VCAM1等）增强，DNA损伤明显。
达沙替尼与槲皮素能够选择性清除PAA诱导的衰老细胞，显著恢复新生血管能力。
5. PAA诱发ROS、能量障碍、表观遗传调控网络解析PAA诱发内皮细胞线粒体H₂O₂超量生成（Mito-Hyper7.2红氧比超2倍），NADPH氧化酶NOX4上调，抗氧化防御基因GPX1下调，导致细胞氧化应激负荷加重。
PAA处理组Seahorse分析显示，基础呼吸、极限呼吸、ATP生成均锐减（降幅可达40-50%），糖酵解能力亦显著下降，能量代谢受损。
表观遗传机制层面，PAA通过H₂O₂介导的CaMKII磷酸化，促HDAC4磷酸化及胞质转位，解除对VCAM1等关键炎症SASP基因的抑制，抑制eNOS磷酸化，损害血管舒张及新生血管能力。
6. 乙酸防护干预及信号通路机制衰老小鼠粪便乙酸水平较青年下降80%，与益生菌（Prevotella、Rikenellaceae）减少相关。
补充乙酸可明显降低PAA诱发的衰老表型（Saβ-Gal、p16Ink4a、γ-H2A.X），提升细胞hTERT表达，逆转端粒缩短与DNA损伤。
酸钠可显著改善能量代谢（OCR上升30-40%），提升NAD+水平，激活NAD+依赖的SIRT1去乙酰化酶，上调NRF2—GPX1/PRDX3等抗氧化酶，降低NF-κB介导的SASP分泌，显著恢复新生血管能力。
SiRNA实验明确乙酸抗衰老效应受SIRT1-NRF2、SIRT1-NF-κB通路调控，pharmacological inhibitor实验进一步佐证能量-抗氧化代谢双通道的调节作用。
五、研究结论、价值与亮点1. 主要结论该研究首度揭示肠道微生物来源的PAA作为衰老进程中驱动血管内皮衰老的核心分子，通过NOX4介导的线粒体H₂O₂过度生成，激活SASP表型、表观遗传调控（HDAC4/VCAM1/eNOS修饰）及能量障碍，最终导致血管功能失调、 angiogenesis减弱。首次明确Clostridium sp. asf356为推动该过程关键菌属，为临床后续精准微生物干预提供靶点依据。与此同时，首次系统验证乙酸补充可通过SIRT1/NRF2抗氧化-能量通路、SIRT1-NF-κB炎症抑制通路，显著遏制PAA诱发的内皮衰老表型，是一种高效的微生态Senomorphic干预策略。
2. 科学意义与应用价值揭示了衰老相关微生物-代谢产物-血管功能障碍的因果联系，深化了肠—血管轴衰老机制的分子图谱。
首次提出PAA及其功能菌属可作为血管衰老、动脉硬化等生物标志物（biomarker）及干预靶点，为精准干预提供基础。
阐明了乙酸作为健康肠道微生态产生的关键SCFA，在抗血管内皮衰老及功能恢复中的治疗潜力，为SCFA补充剂开发、电生理调节等新型防治策略提供了实验依据。
3. 研究亮点与创新性将多组学（宏基因组+代谢组）、大人群临床队列与分子分型实验完整贯穿，研究流程系统严谨。
创新性地挖掘并验证PAA诱发“能量+表观遗传+氧化应激+SASP”多层信号网络，提出Senomorphic干预新思路。
采用Mito-Hyper7.2红氧感应等前沿实验技术，推动细胞氧化应激事件高时空分辨率下的机制解析。
六、其他有价值内容及展望研究中对Senolytic药物（Dasatinib+Quercetin）在微生物衍生代谢物诱导衰老模型中的效果也进行了评估, 提供了药物与微生态协同干预的经验。
提示肠道微生态修复（如促菌群多样性、补充Acetate-Producing细菌等）或将日后发展成为延缓心血管衰老的核心策略，尤其是针对高龄/高危人群。
对未来基于功能菌群组学、微生物“移植+生态剂+营养干预”方向的基础与转化应用研究具有理论示范作用。
七、总结本研究统一了临床与基础研究证据，首次建立了“肠道微生物-代谢产物PAA-血管内皮衰老-功能障碍”完整机制通路，为动脉硬化及衰老相关心血管疾病的防控提供了理论基础和全新干预靶点。微生态Senomorphic（如乙酸）或将开启健康衰老新篇章，为全球老龄人口心血管健康管理提供系统性解决方案。