槲皮素-胡芦巴杂化水凝胶微粒通过调节肠道菌群-脑轴改善抗生素诱导认知障碍的作用与机制

《Scientific Reports》：Quercetin hybrid-hydrogel microparticles modulate gut microbiota and improve memory in an antibiotic-induced dysbiosis rat model

　　本研究针对抗生素滥用导致的肠道菌群失调（dysbiosis）及其引发的认知功能障碍，开发了一种基于胡芦巴半乳甘露聚糖的槲皮素杂化水凝胶微粒（FQ-35）。通过构建抗生素诱导的SD大鼠菌群失调模型，研究发现FQ-35能够显著恢复肠道微生物多样性，富集乳酸杆菌（Lactobacillus）和拟杆菌（Bacteroides）等有益菌群，上调肠道紧密连接蛋白（ZO-1、Occludin）表达，降低脑内TLR4、TNF-α、IL-1β等炎症因子水平，并改善乙酰胆碱酯酶（AchE）活性。行为学实验（NORT、Y迷宫）证实FQ-35可有效逆转空间记忆与识别记忆损伤。该研究为通过肠道菌群-脑轴（Gut-Brain Axis, GBA）干预神经退行性疾病提供了新型营养策略，发表于《Scientific Reports》。

　　

在当今抗生素广泛使用的时代，人们往往关注其杀菌效果，却容易忽视一个隐藏的健康危机：抗生素在消灭致病菌的同时，也会无差别地攻击肠道内的“有益居民”——肠道微生物。这片数量高达百万亿的微生物群落，被称为人体的“第二大脑”，它们通过复杂的肠道-脑轴（Gut-Brain Axis, GBA）与中枢神经系统进行双向通信，调控着我们的情绪、记忆甚至认知能力。当抗生素打破肠道菌群的平衡，导致菌群失调（dysbiosis），不仅会引发肠道问题，还可能通过神经免疫、内分泌和代谢途径，波及大脑功能，增加认知障碍和神经退行性疾病的风险。因此，如何安全有效地重建肠道微生态平衡，修复受损的肠道-脑轴通信，成为了当前生命科学与医学领域的前沿挑战。

在此背景下，一类来源于日常饮食的天然活性物质——植物化学物（phytochemicals），因其潜在的益生元（prebiotic）特性而备受关注。槲皮素（Quercetin）是膳食中最丰富的类黄酮（flavonoid）之一，研究表明其具有抗炎、抗氧化、调节肠道菌群等多种生物活性。然而，天然槲皮素存在水溶性差、生物利用度低等问题，限制了其应用效果。为了解决这一难题，研究人员将目光投向了新型递送系统。胡芦巴（fenugreek）种子中提取的半乳甘露聚糖（galactomannan）是一种天然可溶性膳食纤维，能在水中形成稳定的水凝胶（hydrogel），具有良好的生物相容性和 mucoadhesive（黏膜黏附）特性。能否利用胡芦巴水凝胶作为“特洛伊木马”，包裹并护送槲皮素直达肠道，精准调控菌群，进而改善大脑功能？一项发表于《Scientific Reports》的最新研究给出了肯定的答案。

该研究由科钦科技大学（Cochin University of Science and Technology）和Akay Natural Ingredients Pvt. Ltd的研究团队合作完成。他们成功制备了一种槲皮素-胡芦巴杂化水凝胶微粒制剂（FQ-35），并系统评价了其在抗生素诱导的肠道菌群失调大鼠模型中，对肠道微生态、肠道屏障完整性、神经炎症及认知功能的修复作用。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，通过高剪切均质技术将槲皮素-卵磷脂胶束均匀浸渍到胡芦巴水凝胶基质中，制备FQ-35。其次，使用Sprague-Dawley（SD）大鼠，通过口服氨苄青霉素、新霉素和万古霉素的抗生素混合物诱导肠道菌群失调模型。随后，对模型大鼠进行为期14天的FQ-35（100 mg/kg体重）干预。研究过程中，综合运用了行为学测试（新物体识别实验NORT和Y迷宫实验）评估认知功能；收集粪便样本进行16S rRNA基因测序（V3-V4区）分析肠道微生物组成和多样性；通过组织病理学（H&E染色）观察肠道形态；采用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）技术检测肠道紧密连接蛋白（ZO-1, Occludin, Zonulin）和脑组织炎症因子（TLR4, TNF-α, IL-1β）的基因表达水平；并利用Ellman法检测肠道和脑组织中的乙酰胆碱酯酶（AchE）活性。

Effect on Memory

通过新物体识别实验（NORT）和Y迷宫实验评估FQ-35对认知功能的影响。结果显示，抗生素处理（Abx组）显著降低了大鼠对新物体的偏好指数和Y迷宫中的自发交替率，表明其识别记忆和空间工作记忆受损。而FQ-35补充剂（FQ-35组）则能显著逆转这种认知缺陷，其行为学表现恢复到与正常对照组（Control组）相当的水平。这表明FQ-35能有效改善抗生素引起的记忆功能障碍。

Effect of antibiotics and FQ-35 on the gut microbiome profile:

肠道微生物组分析揭示了FQ-35干预对菌群结构的调节作用。抗生素处理导致肠道微生物的Shannon多样性指数降低，菌群结构发生显著改变（PCoA分析）。FQ-35干预后，微生物多样性得到恢复，且菌群组成向对照组靠拢。在菌群组成上，FQ-35显著富集了有益菌群，如拟杆菌门（Bacteroidota）、乳酸杆菌属（Lactobacillus）、梭菌纲（Clostridia）和拟杆菌纲（Bacteroidia）。核心微生物组分析和差异丰度分析（DESeq2）进一步表明，FQ-35能促进特定有益类群（如Gastranaerophilales、Prevotellaceae_UCG-001、Muribaculaceae、Methanobrevibacter和Clostridia_UCG-014）的增殖。这些变化提示FQ-35能有效重塑抗生素破坏后的肠道微生态，促进有益菌群的恢复。

Evaluation of the effect of antibiotics and FQ-35 on gut and brain

组织病理学分析显示，抗生素处理导致肠道组织出现明显的多灶性上皮变性、绒毛和隐窝丢失以及炎症细胞浸润。FQ-35治疗则显著改善了这些病理变化，肠道黏膜形态得到较好恢复。在分子水平上，抗生素处理降低了肠道紧密连接蛋白ZO-1和Occludin的基因表达趋势，而FQ-35干预显示出恢复这些蛋白表达的趋势。同时，抗生素处理引起脑组织中TLR4、TNF-α和IL-1β等促炎细胞因子基因表达上调，表明存在神经炎症。FQ-35补充则能显著下调这些炎症因子的表达，特别是IL-1β的水平恢复到正常范围。此外，抗生素处理导致肠道和脑组织中乙酰胆碱酯酶（AchE）活性升高，意味着乙酰胆碱（Ach）水平下降。FQ-35干预能显著逆转AchE活性的异常升高，尤其是在肠道组织中，提示其有助于恢复胆碱能系统平衡。

研究表明，FQ-35作为一种新型的天然功能因子递送系统，能够通过“肠道菌群-肠-脑轴”多靶点协同作用，改善抗生素引起的肠道生态失调和认知功能障碍。其作用机制可能包括：FQ-35中的胡芦巴半乳甘露聚糖作为益生元，与槲皮素协同作用，促进有益肠道微生物（如乳酸杆菌、梭菌、拟杆菌等）的增殖和恢复，提高微生物多样性；这些有益菌产生的代谢物（如短链脂肪酸SCFAs）可能有助于增强肠道屏障功能（通过上调ZO-1、Occludin等紧密连接蛋白），减少内毒素泄漏；同时，菌群代谢物的变化和槲皮素的直接抗炎作用共同抑制了全身性和脑内的炎症反应（下调TLR4/NF-κB通路、TNF-α、IL-1β）；此外，FQ-35还能调节胆碱能系统，通过降低乙酰胆碱酯酶（AchE）活性来提高乙酰胆碱（Ach）水平，从而有利于神经传递和认知功能。这些综合效应最终传导至大脑，改善海马体功能，表现为行为学上记忆功能的提升。

该研究不仅证实了靶向肠道菌群改善脑功能的可行性，也为开发基于天然产物的营养干预策略提供了重要的临床前证据。随着对微生物组-肠-脑轴认识的不断深入，未来或可基于个体肠道菌群特征，个性化应用此类制剂，为预防或辅助治疗与菌群失调相关的神经精神疾病（如认知老化、阿尔茨海默病、自闭症谱系障碍等）开辟新的途径。