牙周炎如何一步步“侵蚀”大脑？牙龈细菌是老年痴呆“催化剂”？成都中医药大学借机器学习之力，解密黄连解毒汤“脑口同治”的科学内涵！

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阿尔茨海默病是老年人群中最常见的神经退行性疾病，目前仍缺乏能够逆转病程的有效干预手段。在临床实践中，不少阿尔茨海默病患者并不携带典型的高危基因，却仍然出现明显的认知衰退。与此同时，这些患者群体中慢性牙周炎的患病率显著偏高。牙龈卟啉单胞菌作为牙周炎的核心致病菌，其DNA和毒力因子已被证实可在阿尔茨海默病患者脑组织中检出，这提示口腔外周炎症可能与中枢神经退行性病变存在直接的病理联系。

近期发表于《npj Digital Medicine》的一项研究，通过整合单细胞测序、转录组分析和多种机器学习策略，系统揭示了慢性牙周炎诱导阿尔茨海默病样病理的关键炎症枢纽——cGAS-STING通路，并验证了传统方剂黄连解毒汤对该通路的抑制作用。这一发现为中医药在神经退行性疾病领域的精准应用提供了新的理论基础。

图1 论文首图

小胶质细胞中cGAS-STING通路的异常激活

研究者首先利用公共单细胞RNA测序数据库，对阿尔茨海默病患者与正常对照的脑组织样本进行分析。经过严格的质量控制和批次效应校正，成功区分出神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞等多种细胞类群。差异基因表达分析显示，阿尔茨海默病样本中炎症相关基因的上调主要集中在小胶质细胞群体中，而非其他神经细胞类型（图2C-E）。

图2

基因集富集分析进一步表明，cGAS-STING信号通路在阿尔茨海默病小胶质细胞中显著富集（图3B）。具体而言，cGAS、TMEM173（STING）、TBK1和IRF3这些核心通路成分在阿尔茨海默病小胶质细胞中的表达水平均明显高于正常对照（图3C-D）。小胶质细胞作为中枢神经系统的常驻免疫细胞，在阿尔茨海默病的病理环境中其cGAS-STING警报系统被持续激活，不断释放炎症因子，进而损伤周围神经元并加速病理进程。

图3

牙周炎与阿尔茨海默病共享cGAS-STING炎症通路

为了明确牙周炎与阿尔茨海默病之间是否存在共同的分子机制，研究者利用公共牙周炎转录组数据库进行了共病分析。差异表达基因分析显示，牙周炎组织同样存在大量炎症相关基因的显著改变。与正常对照相比，牙周炎样本中cGAS、STING、IRF3和TBK1的表达均具有良好的疾病区分能力，其受试者工作特征曲线下面积分别为0.873、0.736、0.700和0.729（图4E）。上述结果表明，cGAS-STING通路可能在牙周组织和中枢神经系统中发挥着类似的炎症调控作用。牙周炎可能通过激活这一通路，向中枢神经系统传递炎症信号，从而为阿尔茨海默病的发生发展提供了有利的免疫微环境。

图4

黄连解毒汤缓解大鼠慢性牙周炎并改善认知功能

研究者采用牙周结扎联合牙龈卟啉单胞菌局部涂抹的方法，建立了大鼠慢性牙周炎模型，并给予不同剂量的黄连解毒汤灌胃干预。显微CT重建结果显示，模型组大鼠牙槽骨明显吸收、根分叉区域暴露，而中、高剂量黄连解毒汤均能显著减少牙槽骨破坏（图5B-C）。组织学染色进一步证实，黄连解毒汤减轻了牙周组织的炎性细胞浸润和上皮向根方增生（图5D）。这一结果表明黄连解毒汤在缓解牙周局部炎症方面效果确切。

图5

在认知功能层面，水迷宫实验显示黄连解毒汤治疗组大鼠的逃避潜伏期显著缩短，空间探索能力明显改善（图6A-B）。海马CA1区的神经元损伤得到缓解，尼氏小体数量增加（图6C-D）。蛋白印迹和ELISA结果进一步证实，黄连解毒汤能剂量依赖性地降低脑脊液和脑组织中的β淀粉样蛋白水平，并下调p-tau/tau比值（图6E-H）。血清和脑脊液中的炎症因子TNF-α、IL-1β、IL-6等也同步下降（图6I-M）。此外，黄连解毒汤还显著降低了海马和脑脊液中牙龈卟啉单胞菌DNA拷贝数及毒力基因Kgp、RgpA、RgpB的表达（图6N-R），提示其对口腔致病菌具有直接抑制作用。

图6

机器学习辅助转录组建模识别关键调控通路

为了系统评估黄连解毒汤对海马组织转录组的影响，研究者对模型组、治疗组和对照组进行了RNA测序。主成分分析显示，黄连解毒汤治疗组的转录组谱明显向正常对照组方向回移，而模型组则显著偏离（图7B）。差异基因热图也证实，模型组中上调的炎症相关基因在治疗后出现了明显下调（图7C-D）。

图7

面对高维转录组数据，研究者采用偏最小二乘判别分析进行降维处理。得分图显示模型组、治疗组和对照组呈现清晰的分离趋势（图8E），表明黄连解毒汤在转录组层面诱导了系统性的调控效应。基因本体论和京都基因与基因组百科全书富集分析提示，这些被调控的基因主要集中于免疫炎症相关通路，其中cGAS-STING通路在多个富集分析结果中均位居前列（图8J-K）。

图8

多机器学习方法交叉验证cGAS-STING通路的枢纽地位

为避免单一算法带来的偏差，研究者采用了三种独立的机器学习方法对关键特征进行筛选。随机森林结合Boruta算法首先对基因按分类贡献度进行排序，并排除了随机因素的干扰（图9A-D）。随后支持向量机结合递归特征消除进一步精炼特征集，确定了分类性能最优的最小基因组合（图9E-F）。三种方法筛选出的基因之间存在显著交集（图10A-B），这大大增强了结果的可靠性——不同算法从不同角度分析同一组数据，却不约而同地指向了cGAS-STING通路的多个核心组分。

图9

采用SHAP方法对随机森林模型进行可解释性分析，结果显示CGAS、STING、TBK1和IRF3对疾病分类的贡献度和方向性均居于前列（图10C），进一步确认了这些基因在慢性牙周炎诱导阿尔茨海默病病理中的核心地位。

图10

网络建模揭示cGAS-STING通路的调控中枢性

特征排序仅能反映基因与疾病的统计关联，无法阐明基因间的调控关系。为此研究者进一步采用人工神经网络和贝叶斯网络进行建模。人工神经网络分析揭示了cGAS、STING、TBK1和IRF3之间的相互作用模式（图11A）。贝叶斯网络则推断了cGAS、STING、SARM1和NFKB1之间的概率关系，并将这些基因直接与认知功能、炎症水平和神经损伤等表型指标相连接（图11B-C）。贝叶斯网络的推断结果支持cGAS-STING通路并非被动伴随疾病进展，而是处于调控网络核心位置、主动驱动神经炎症的关键节点。

图11

黄连解毒汤在体内外抑制cGAS-STING通路激活

研究者首先采用超高效液相色谱-高分辨质谱对黄连解毒汤进行了全成分表征，共鉴定出34种主要生物活性成分（图12A）。京都基因与基因组百科全书通路富集分析显示这些成分富集于先天免疫和神经炎症相关通路，涵盖cGAS-STING上游的胞质DNA感应通路和下游的NF-κB信号通路（图12B）。

在动物脑组织中，免疫荧光染色显示慢性牙周炎模型组海马小胶质细胞中STING蛋白表达显著升高，中、高剂量黄连解毒汤能明显抑制该变化（图12C-E）。蛋白印迹结果进一步证实黄连解毒汤可下调cGAS、STING蛋白水平以及IRF3和TBK1的磷酸化程度（图12F-I）。

图12

在细胞层面，研究者用牙龈素刺激BV2小胶质细胞模拟牙龈卟啉单胞菌对中枢免疫细胞的攻击。黄连解毒汤剂量依赖性地抑制了牙龈素诱导的cGAS、STING、IRF3和TBK1磷酸化，效果与STING特异性抑制剂H-151相当（图13D-H）。通路特异性实验显示，STING抑制剂H-151可增强黄连解毒汤的抑制效果，而STING激动剂DMXAA则部分逆转了该效应（图13O-W）。这表明黄连解毒汤对cGAS-STING通路的抑制具有明确的靶向性。

图13

小结

该研究从临床问题出发，通过单细胞测序锁定小胶质细胞和cGAS-STING通路，借助转录组共病分析建立牙周炎与阿尔茨海默病的分子关联，再运用多种机器学习方法从高维数据中无偏筛选核心调控轴，最终通过体内外实验对计算发现进行了系统验证。这一数据驱动与实验验证相结合的研究范式，为中医药作用机制的阐释提供了新的思路。对于临床医生而言，这项研究提示口腔慢性炎症可能通过先天免疫通路对中枢神经系统产生实质性影响，评估老年认知障碍患者时应重视其口腔健康状况。黄连解毒汤在实验中展现出的多靶点调控特性，从抑制牙周病原菌到阻断中枢cGAS-STING信号激活，符合中医整体观的诊疗思路，但其临床转化仍需进一步的人体研究数据支持。

参考文献：Li J, Chen M, Ren P, Sun G, Zhong F, Zhu Y, Li G, Fan Y, Chen J, Xu M, Qiao M, Zhao G, Xu Y, Wu W. Machine learning-guided Huanglian Jiedu decoction targets STING in periodontitis-induced Alzheimer's Disease. NPJ Digit Med. 2026 Feb 27;9(1):293. doi: 10.1038/s41746-026-02468-x. PMID: 41760895; PMCID: PMC13066025.