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目的:我国高原地区约占国土总面积的26%,是重要战略要地,其低压低氧的环境因素会对机体的认知功能和肠道菌群产生显著影响。肠道菌群是指生存在肠道中的正常微生物群体,与宿主长期共存、相互影响、协同进化,与人体的健康息息相关。机体肠道菌群失调,可导致多种疾病发生。随着生物信息学以及基因工程技术的发展,人们逐渐发现肠道菌群与认知功能有密切的联系,益生菌作为一种可以在肠道中定植的活体微生物,适量补充对健康有益。研究发现益生菌干预可以通过调节肠道菌群,来改善某些神经系统疾病中的认知功能下降。低氧暴露造成认知功能的损伤与肠道菌群变化有什么关系?益生菌能否作为一种新的干预手段对低氧诱导认知损伤起到保护作用?具体机制是什么?上述问题的解决,将为深刻认识膳食营养调控高原特殊环境诱导认知损伤的菌群-肠-脑轴新机制提供有力支撑;也将为研发增强高原作业人群认知功能营养制剂与功能食品提供科学依据。因此,本研究首先探讨了低氧状态下青年军人认知损伤与肠道菌群改变的关系,然后观察了乳杆菌LP45与两歧双歧杆菌TMC3115干预对低压低氧致小鼠认知能力降低是否具有保护作用,并对可能的机制进行了探索。方法:1.高原与平原人群现场调研:北京地区和西藏自治区三个不同海拔地区的官兵为研究对象,应用基本认知能力测验(BCAT)软件对他们知觉速度、心算效率、空间表象效率、工作记忆和记忆再认五个方面的认知域进行测试;采集各组军人代表性粪样并利用16Sr RNA基因测序技术分析平原及高原不同海拔驻守官兵肠道菌群的结构特征。2.模拟高原低氧暴露小鼠干预实验:60只6周龄C57/6雄性小鼠随机分为对照组(Control)、低氧模型组(Hypoxia)、低氧乳杆菌干预组(HL)、低氧双歧杆菌干预组(HT)和低氧联合干预组(HLT)五组,每组12只动物,分别灌胃生理盐水、生理盐水、植物乳杆菌LP45、两歧双歧杆菌TMC3115以及两种菌混合液,后四组小鼠每天置于低压氧舱中模拟海拔6000米低压低氧暴露。持续30天后,各组小鼠进行行为学测验,依次为旷场实验、新物体识别实验、跳台实验;尔后处死小鼠。ELISA检测血清中γ氨基丁酸(GABA)、5-羟色胺(5-HT)、色氨酸(Trp)和内毒素(ET)含量,Luminex检测血清中白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-10(IL-10)、肿瘤坏死因子(TNF-α)等细胞因子含量,采用16Sr RNA基因测序技术分析肠道菌群结构,蛋白免疫印迹法检测海马、皮质和肠组织脑源性神经营养因子(BDNF)、紧密连接蛋白ZO-1、Occludin和低氧诱导因子-1α(HIF-1α)表达水平。3.粪菌移植实验:将36只6周龄C57/6雄性小鼠随机分为对照移植组(CFMT)、低氧移植组(HFMT)和益生菌移植组(PFMT),每组12只小鼠。先用混合抗生素联合灌胃处理3周后各组分别移植Control组、Hypoxia组和HLT组粪便,进行4周粪菌移植,结束后立即对每组动物进行旷场实验、跳台实验、新物体识别实验,行为学实验完成后,采集血清、海马、前额皮质、肠组织等。蛋白免疫印迹法检测BDNF、ZO-1、Occludin、CLDN1等基因表达水平。结果:1.高原与平原人群现场试验:BCAT测验中平原和高原不同海拔军人的知觉速度、工作记忆、记忆再认三项得分和BCAT测验总分随着海拔升高而降低,且各组之间存在显著差异(p<0.05);16Sr RNA基因测序结果显示,随着海拔上升,各组军人肠道菌群α多样性无显著差异(p>0.05),厚壁菌门相对丰度显著下降(p<0.05),拟杆菌门成为优势菌群,肠道有益菌乳杆菌属、双歧杆菌属等比例下降(p<0.05)。2.模拟高原低氧暴露小鼠干预实验:(1)与对照组比较,低氧暴露小鼠在旷场实验显示自发活力降低(p<0.05),跳台实验显示存在学习记忆损伤(p<0.05),新物体识别实验显示新物体探索能力降低(p<0.05);海马与肠组织结构损伤;肠道菌群多样性降低(p<0.05),结构发生显著改变;血清IL-1β、IL-6和ET含量升高,而IL-10、GABA、5-HT和Trp含量降低;海马、皮质和肠组织BDNF、ZO-1、Occludin的蛋白表达下调,HIF-1α蛋白表达上调。(2)三组益生菌干预小鼠相较于Hypoxia组小鼠,认知能力提高;组织结构损伤有一定缓解;肠道菌群Parabacteroides相对丰度降低,乳杆菌属与双歧杆菌属升高;血清IL-10和5-HT含量升高,IL-1β和ET含量降低;皮质中ZO-1、Occludin的蛋白表达上调,海马中BDNF、ZO-1、HIF-1α蛋白表达上调,肠道中BDNF、ZO-1蛋白表达上调。3.粪菌移植实验:(1)与移植了正常菌群的小鼠比较,移植低氧组菌群小鼠旷场实验中移动距离与穿越格数下降(p<0.05),跳台实验中潜伏期延长(p<0.05),错误次数增多(p<0.05),新物体实验中新物体的接触次数减少(p<0.05);海马、皮质中BDNF、ZO-1、Occludin、CLDN1蛋白表达均下调,肠组织中ZO-1、Occludin、CLDN1蛋白表达均下调。(2)与移植低氧组菌群的小鼠比较,移植复合益生菌干预组菌群小鼠旷场实验中移动距离增多,跳台潜伏期缩短,错误次数减少,新物体接触次数增加;海马、皮质中BDNF、ZO-1、Occludin蛋白表达上调,肠组织中ZO-1、Occludin蛋白表达上调。结论:1.高原低氧环境导致军人的注意力、记忆力等认知能力下降;同时显著影响人肠道菌群结构,改变菌群多样性与丰富度,使有害菌种比例增加,有益菌减少,且随着海拔高度的上升这种影响的程度越明显。2.低压低氧暴露可导致小鼠海马与肠组织的结构发生变化,肠道菌群多样性减少、平衡构成破坏,进而导致小鼠出现自发活力、新物体探索能力与学习记忆能力等认知功能损伤现象;使用乳杆菌与双歧杆菌单独或联合干预均可逆转低氧所致小鼠菌群的变化,并改善低氧诱导的认知损害;乳杆菌与双歧杆菌干预可能通过菌群-肠-脑轴途径、减缓低氧暴露小鼠的认知损伤。具体机制涉及改善肠道菌群紊乱,降低血清促炎因子分泌,升高某些神经递质水平以及增强脑部与认知相关神经化学物质表达等。