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编译：微科盟coco，编辑：微科盟Tracy、江舜尧。
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肠道微生物组参与营养代谢并产生代谢物，这些代谢物通过肠-脑轴向大脑发出信号并影响认知。迄今为止，人类研究在识别与认知老化相关的早期代谢改变方面取得的成功有限，这可能是由于代谢物覆盖范围或后续行动的限制。本研究中，我们纳入了来自三座城市人口队列、在采血时未被诊断患有痴呆症的老年人，并收集了随后 12 年的重复认知测量。通过靶向代谢组学平台，我们在认知衰退的病例对照研究中鉴定了 72 种循环肠道衍生代谢物，这些代谢物嵌套在队列中（发现组n= 418；验证组n=
420）。我们发现较高血清水平的丙酸（一种短链脂肪酸）与认知能力下降的几率增加相关（1 SD的OR = 1.40 (95% CI
1.11, 1.75) 用于发现，1.26 (1.02, 1.55) 用于验证）。其他分析建议通过高胆固醇血症和糖尿病进行介导。丙酸与血糖 (r = 0.79) 以及肉类和奶酪的摄入量 (r > 0.15) 密切相关，但与纤维无关 (r = 0.04)，这表明益生元食品本身的作用很小，但可能与加工食品有关（在其中丙酸是一种常见的防腐剂）。丙酸对代谢和认知的不利影响值得进一步研究。
原名：Exploration of the
Gut–Brain Axis through Metabolomics Identifies Serum Propionic Acid Associated
with Higher Cognitive Decline in Older Persons译名：通过代谢组学探索肠脑轴确定血清丙酸与老年人认知能力下降相关
来自发现样本和验证样本的病例和对照平均年龄约为 76 岁，两组样本中分别有 66% 和 63% 的女性参与者，71% 的人受教育程度高于中学（表 1）。两组样本的基线特征通常是类似的，但高血压除外，它在验证样本 (Dijon) 中更为普遍。在两组样本中，病例组的糖尿病显着高于对照组（13% 对 6%，p=0.01），而其他特征在病例-对照状态下没有显着差异（p>0.05）。表1 发现和验证样本中超过12年的认知衰退病例组和匹配对照组的基线特征
除非另有说明，否则数值代表样本大小（百分比）。* 基于定量变量的配对 t 检验和定性变量的匹配数据的McNemar检验，病例和对照之间的统计学显着差异 (p< 0.05)。在发现阶段，我们选择了七种与认知能力下降几率相关的食物和肠道微生物群衍生代谢物（表 2），包括三种氨基酸衍生物（苯乙酰谷氨酰胺、吲哚乳酸和犬尿酸）；TMAO 底物（甜菜碱）、维生素 B（泛酸）、SCFA（丙酸）和多酚衍生物（3',4'-DHPV-S）。其中，只有丙酸在验证阶段被重复（参见补充图 S1 中的分布）。血清中丙酸浓度每增加1个标准差 (SD)，认知能力下降的几率在发现样本中增加40%（OR = 1.40，95% CI 1.11–1.75，FDR校正 p= 0.07），在验证样本增加26%（OR = 1.26，95% CI 1.02–1.55，p= 0.03）（表 2）。对于多变量调整分析，我们将生活方式因素（吸烟和饮酒）和心脏代谢危险因素（BMI、高血压、高胆固醇血症和糖尿病）视为关注的协变量。首先，我们测试了丙酸与这些影响认知能力下降的因素中每一个的相互作用，发现所有因素都没有统计学意义 (p > 0.15)。其次，由于文献中有证据表明心脏代谢健康可以调节丙酸与认知能力下降的关系，我们建立了一个有向无环图（DAG），其中饮酒和吸烟作为潜在的混杂因素，BMI、高血压、高胆固醇血症和糖尿病作为潜在的调节因素（补充图 S2）。调整潜在混杂因素后（图 1，模型 1），我们发现丙酸仍然与认知能力下降显着相关（合并样本中的 OR = 1.38，95% CI 1.15–1.64）；随后调整潜在介质时（图 1，模型 2），我们发现关联减弱并且在合并样本中未达到显着性（OR = 1.23，95%CI 0.99–1.52）；而调整经常服用的药物数量并没有改变结果。表2 血清中食物和肠道微生物群衍生代谢物的标准化浓度与随后12年发现和验证阶段认知能力下降的几率之间的关联
1使用条件逻辑回归分析（使用匹配变量，即年龄、性别和教育水平）。2当连续使用（标准化）时，代谢物浓度增加 1 SD。请注意，在代谢物与认知能力下降几率之间存在非对数线性关系的情况下，我们使用转换为分数多项式来满足模型假设，然后使用模型参数的组合估计代谢物与认知能力下降几率的关联。由于不能根据单个分数多项式参数解释结果，而是根据整体多项式函数解释结果，为简单起见，未提供这些参数（或表中缺失）。我们给出了与多项式函数所有参数的对数似然比检验相关联的 p 值（即，测试代谢物对认知衰退几率的整体影响）。 3Benjamini–Hochberg 错误发现率校正后的 p 值。我们选择在发现阶段用星号突出显示的 p 值≤0.15 的代谢物用于验证阶段。缩写：2,6-DHBA：2,6-二羟基苯甲酸；2-HBA：2-羟基苯甲酸；2-HPAA：2-羟基苯乙酸；3,4-DHBA：3,4-二羟基苯甲酸；3,4-DHPAA-S：3,4-二羟基苯乙酸硫酸盐；3,5-DHPPA-S:3-(3,5-二羟基苯基)丙酸硫酸盐；3',4'-DHPV-S：3',4'-二羟基苯基-γ-戊内酯硫酸盐；3-HBA-S：3-羟基苯甲酸硫酸盐；3-HHA：3-羟基马尿酸；3-HPAA-S：3-羟基苯乙酸硫酸盐； 3-HPPHPA：3-(3-羟基苯基)-3-羟基丙酸； 3-HPPA：3-(3-羟基苯基)丙酸；4-HBA-S：4-羟基苯甲酸硫酸盐；4-HHA：4-羟基马尿酸；4-HPAA-G：4-羟基苯乙酸葡糖苷酸；4-MeCAT-S：4-甲基儿茶酚硫酸盐；5-HIAA：5-羟基吲哚-3-乙酸；CAT-S：儿茶酚硫酸盐；CI：置信区间；DHCA-3S：二氢咖啡酸3-硫酸盐； DHFA：二氢阿魏酸；DHFA-S：二氢阿魏酸4-硫酸盐；DHiFA-S：二氢异阿魏酸3-硫酸盐；DHRSV-S：硫酸二氢白藜芦醇；EL：肠内酯；EL-S：硫酸肠内酯； FA-4S：阿魏酸4-硫酸盐；GDCA：甘脱氧胆酸；HA：马尿酸；HPPA-S：羟苯基丙酸硫酸盐；IAA：吲哚-3-乙酸； IPA：吲哚-3-丙酸；iVA：异香草酸； MePYR-S：甲基邻苯三酚硫酸盐；MHPV-S：4'-羟基-3'-甲氧基苯基-γ-戊内酯硫酸盐； OR：优势比； p-cresol-G：对甲酚葡糖苷酸； p-cresol-S:硫酸对甲酚； p-HPLA：对羟基苯基乳酸； PYR-S：硫酸邻苯三酚； TMAO：三甲胺N-氧化物； UroA-G：尿石素A葡糖苷酸； UroA-S：尿石素A硫酸盐； UroB-G：尿石素B葡糖苷酸；UroB-S：硫酸尿石素 B；VAN：香兰素。当我们通过中介分析（补充图 S3）进一步解构丙酸对认知能力下降的影响时，我们发现丙酸（编码为 >75% 与 <25% 百分位数）对认知能力下降几率的直接影响 (NDE) 为 1.75(95% CI 1.01, 3.09)。通过高胆固醇血症起效的间接影响 (NIE) 在统计学上显着 (1.33 95% CI (1.05, 1.94))，而通过糖尿病起效的间接影响不显着 (1.17 (0.99, 1.52))。高胆固醇血症的中介百分比（NIE/总效应）为 34%，糖尿病为21%。BMI（定义为≥与 <30kg/m2）和高血压的中介作用无统计学意义（通过 BMI NIE的OR = 1.06（0.87，1.36，通过高血压NIE的 OR = 1.69（0.92，3.47））。
图1 在发现 (n= 418)、验证 (n= 420) 和合并样本 (n= 838) 中，血清中丙酸的标准化浓度与随后 12 年认知能力下降的几率之间的多变量调整关联。使用条件逻辑回归评估（使用匹配变量，即年龄、性别和教育水平）。模型 1：针对潜在的混杂因素（饮酒和吸烟）进行了调整。模型 2：针对混杂因素（饮酒和吸烟）和潜在介质（体重指数、高血压、高胆固醇血症和糖尿病）进行了调整。空腹血糖水平与丙酸浓度密切相关（Pearson 相关性 = 0.79，汇总样本中 p < 0.001），在中介分析中使用血糖而不是糖尿病时（定义为≥与 < 中值（4.9 毫摩尔）/L))，血糖的调节具有统计学意义（高丙酸与低丙酸NDE的 OR = 2.26 (1.36, 4.32) 和通过血糖NIE的OR = 2.03(1.24,
3.86))。我们通过在基于人群的队列中评估大量与随后长期认知衰退相关的循环后生元，对肠-脑轴采用了一种新的流行病学方法。在使用多代谢物 UHPLC-MS/MS 分析确定的 72 种代谢物中，有 7 种与发现阶段的认知衰退几率相关，包括 3 种氨基酸衍生物（苯乙酰谷氨酰胺、吲哚乳酸和犬尿酸）；TMAO 底物（甜菜碱）、B 族维生素（泛酸）、SCFA（丙酸）和多酚衍生物（3',4'-DHPV-S）。其中，只有丙酸与验证阶段的认知能力下降显着相关。在暴露于不同环境的不同地理来源（分别为法国西南部和东北部进行发现和验证）的两组样本中，我们发现丙酸与认知能力下降之间的一致关联，抵消了一些潜在的无法测量的混杂因素，并支持我们结果的稳定性。总体而言，血清中丙酸每增加 1-SD（即约 20μg/L），验证和发现样本中认知能力下降的几率分别增加 26% 和 40%。此外，在二次探索性中介分析中，我们发现了心脏代谢状况的潜在中介作用，特别是高胆固醇血症和空腹血糖（具有临界意义的糖尿病）。丙酸是一种短链脂肪酸，由拟杆菌和厚壁菌通过膳食纤维和未消化多糖的结肠发酵产生，在益生元食物中含量很高（例如朝鲜蓟、韭菜、婆罗门参、洋葱和苹果）。据估计，在一个体重 85 公斤的人中，肠道微生物群通过结肠发酵产生大约 29.5 mg/kg/天的丙酸盐。除了肠道发酵，丙酸盐的另外两个来源是口腔微生物组和加工包装食品的摄入，例如面包和奶酪，其中丙酸盐作为防腐剂（即抗微生物剂）掺入。因此，在美国，烘焙食品、乳制品和肉制品、布丁、明胶和果酱等食品中的丙酸浓度为 0.1% 至 0.4%，这意味着大多数人都暴露于每日丙酸盐的饮食来源。在我们的研究中，血清丙酸与膳食纤维摄入量无关（波尔多样本中 r = 0.04，p = 0.41），但与肉类和奶酪摄入量显着相关（Pearson 相关性分别为 0.18 和 0.15；p = 0.001 和 0.005），这可能间接表明食品防腐剂的外源性来源可能有助于人群中的丙酸循环。无论来源如何（由微生物群合成或来自加工食品的外源性来源），大部分产生/摄入的丙酸盐都会进入血液循环，90% 由肝脏代谢，剩余部分的一部分通过 GRP41 转运体穿过血脑屏障。然而，由于这些代谢物的挥发性，关于 SCFA 生物利用度（包括丙酸）的人类数据非常有限。丙酸具有许多生理功能，包括促进肠道平滑肌收缩和免疫功能。它还在葡萄糖和能量代谢中发挥作用，是糖异生的底物（通过琥珀酸途径）。然而，人们关于丙酸对大脑健康和衰老的影响仍知之甚少。我们的结果提供了新的发现，表明丙酸在一个有争议的领域对认知老化有不利影响。一方面，我们的研究结果与发现短链脂肪酸（包括丙酸盐）通过 GRP41 受体有益于血脑屏障的完整性以及脑小胶质细胞的成熟和功能的研究相矛盾。SCFA 还具有抗炎活性，尤其是在急性神经系统疾病（例如，缺血性中风）中。它们在体外和小鼠研究中均能降低促炎细胞因子。SCFAs 在神经退行性疾病中的作用一直存在争议，例如，一些研究表明 SCFAs 可能会减少Aβ 聚集（主要的 AD 神经病理学），而其他研究表明它们可能会促进Aβ 聚集，可能是通过激活小胶质细胞活动达到的。我们的发现与两项小型研究一致，这两项小型研究表明 AD 患者唾液和脑脊液中丙酸浓度的升高。一项研究还报告说，与健康受试者相比，AD 患者微生物群中的拟杆菌（产生丙酸的细菌门）数量更多。我们的研究提出的一个新概念：丙酸与血糖引起的认知衰退的不利关联的中介作用，表明代谢紊乱是丙酸与认知老化关系中的一个中心途径。代谢健康受损（即高血糖和胰岛素抵抗）是认知衰退和痴呆的重要危险因素，在我们的人群中，血清丙酸与血糖密切相关，这与最近的临床前和临床研究一致，其中口服丙酸具有有效的升高血糖作用（即增加葡萄糖产生、胰岛素分泌和糖原分解）。例如，在一项针对 28 名健康志愿者的小型随机对照试验中，在各种代谢条件下摄入丙酸（1500 毫克丙酸钙）会导致代谢改变，这表明胰岛素逆向调节激素网络的不当激活。此外，尽管美国食品和药物管理局认为丙酸是安全的，但最近有证据表明外源性丙酸（口服时）可能是一种代谢干扰物。用作防腐剂的丙酸的饮食来源（加工肉类、乳制品和糖果）也是西方饮食的组成部分，这是痴呆和认知能力下降的危险因素。因此，我们在研究中发现的与丙酸的关联可能可以成为西方饮食对认知健康具有有害影响的替代标志。我们在研究中发现糖尿病和高胆固醇血症的中介支持这一假设，因为据报道西方饮食会诱发血脂异常和胰岛素抵抗，这反过来可能会增加发生认知能力下降的几率。还有其他潜在的代谢途径将丙酸与大脑健康联系起来，可能值得进一步探索。其中有氨和谷氨酸，这两种代谢物与大脑代谢相互关联，它们 (i) 在大脑中增加以响应更高的丙酸和 (ii) 在 AD 病理学中改变。因此，AD 患者的脑铵水平较高，而主要的兴奋性神经递质谷氨酸在 AD 中具有确定的兴奋性毒性。因此，丙酸可能具有神经毒性作用，增加与铵相关的脑能量缺陷和谷氨酸兴奋性毒性。从丙酸到认知健康的途径中另一种值得关注的代谢物是犬尿酸。它是由色氨酸内源性产生的，可抑制兴奋性毒性期间谷氨酸的过度释放；因此，犬尿酸与认知健康的保护性关联是可预见的。尽管如此，在我们的发现阶段，犬尿酸与更高的认知衰退有关，可能反映了一种针对增加的谷氨酸神经毒性的补偿机制，尽管这些发现没有得到重复。此外，在解释我们在中枢通路方面的相关发现时需要格外注意，至于其中一些代谢物，血液测量值不能很好地反映脑内浓度（例如，血谷氨酸在血液中的浓度比大脑低）。因此，使用这些血液生物标志物，我们无法准确评估这些中枢通路的介导，限制了对外周代谢潜在介导的研究。我们的研究具有重要优势，比如使用来自独立研究站点的两组基于人群的样本进行发现和验证；使用具有灵敏的尖端代谢组学技术 (UHPLC-MS/MS) 的独特多代谢物平台，对大量循环后生元进行评估；以及对十多年认知衰退的前瞻性评估，这使人们能够广泛了解肠-脑轴下的代谢途径。此外，前瞻性设计确保在采血时未表现出痴呆迹象的参与者中观察到的任何生物学变化都先于认知衰退，从而可以识别认知衰老的早期肠脑轴标志物，同时将反向因果关系的风险降至最低（这种情况在当认知变化影响行为时可能发生，例如饮食和相关生物学，包括肠道微生物群活动）。尽管有很多优点，但这项研究也有一些局限性。首先，虽然我们试图通过使用外部验证阶段将误报风险降至最低，但无法完全消除误报风险。事实上，UHPLC-MS/MS 研究的样本量相对较高，但仍不足以确保足够的统计能力来检测具有低循环基础值和高个体间和个体内变异性的代谢物水平差异。此外，我们仅在研究基线分析了血清样本；因此，我们无法检查认知能力下降过程中血清代谢组的纵向变化。最后，尽管代谢物组很大，但它并未涵盖肠-脑轴的所有代谢物（由于缺乏可用标准，或UHPLC-MS/MS 技术的检测限制）。例如，一些可能与认知相关的微生物群衍生代谢物，如γ-氨基丁酸（GABA）、铵、一些植物雌激素和低聚糖，如脂多糖（LPS），没有被量化。总之，在这项对肠-脑轴的新探索中，我们测量了一组老年人的大量后生元，发现循环丙酸水平升高与认知能力下降程度更高之间存在关联。丙酸可能来自肠道微生物群未消化的膳食纤维的发酵，以及来自饮食摄入，因为它是肉类、乳制品和糖果等加工食品中常见的食品防腐剂。此外，我们发现初步证据支持心脏代谢健康受损（糖尿病和高胆固醇血症）的潜在介导效应，这值得进一步研究。 https://pubmed.ncbi.nlm./36364950/
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