從蜜蜂腸道菌群到“腦病腸治”之遐想

樓澤亮，胡福良

（1.浙江大學(xué)藥學(xué)院藥物制劑1801 班，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

1 引言

在人類農(nóng)業(yè)文明的發(fā)展過(guò)程中，蜜蜂起著舉足輕重的作用。作為全球范圍內(nèi)數(shù)量最大的授粉昆蟲，蜜蜂的有效授粉對(duì)植物的生長(zhǎng)繁殖有著重要作用，據(jù)調(diào)查顯示，全球接近1/3 的農(nóng)作物產(chǎn)量依賴于授粉昆蟲和動(dòng)物，且每年全球直接源于昆蟲（其中主要為蜜蜂）授粉創(chuàng)造的價(jià)值預(yù)估有1 530 億歐元[1]，占全世界總農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)收入的9.5%[1]。

但是，近些年來(lái)蜜蜂的健康受到了極大的威脅，最引人注目的是2006年在美國(guó)開始發(fā)生的蜂群崩潰綜合征（簡(jiǎn)稱CCD），上萬(wàn)群蜂出現(xiàn)空巢的現(xiàn)象，工蜂損失率高達(dá)1/3[2]。導(dǎo)致CCD 發(fā)生的具體原因到目前為止仍無(wú)可知曉，但蜜蜂所受到生存環(huán)境的壓力，如蜜蜂的生境破碎化以及外來(lái)物種的入侵會(huì)使CCD 情況更嚴(yán)重已經(jīng)是板上釘釘?，F(xiàn)如今，保護(hù)蜜蜂是迫在眉睫之事。

如何保護(hù)蜜蜂，如何防治蜜蜂疾病，一直以來(lái)是養(yǎng)蜂人最關(guān)注的話題。蜜蜂作為一種營(yíng)社會(huì)性群體生活的昆蟲，相比于獨(dú)居性昆蟲，其腸道微生物具有一定的獨(dú)特性。近些年來(lái)，隨著蜜蜂腸道微生物研究的逐步深入，越來(lái)越多的人將目光聚焦到探索腸道微生物與蜜蜂宿主的健康和疾病發(fā)生機(jī)制上[4]，期待從腸道微生物的角度解決蜜蜂疾病。而與蜜蜂相同的是，人類作為營(yíng)社會(huì)性群體生活的生物，人類腸道中所共生的菌群也對(duì)人體的健康狀態(tài)有著一定程度的影響，這很好地提示了“腦病腸治”可能會(huì)是治療中樞系統(tǒng)退行性疾病的突破口。

2 蜜蜂腸道

2.1 腸道結(jié)構(gòu)

顧名思義，生長(zhǎng)、繁殖、衰老等一系列生命活動(dòng)都發(fā)生在腸道中的菌群稱之為腸道菌群。蜜蜂腸道的結(jié)構(gòu)直接影響著腸道菌群的組成以及分布，同時(shí)腸道菌群的組成與分布也體現(xiàn)著蜜蜂腸道各個(gè)部分的功能。根據(jù)蜜蜂腸道不同部分的胚胎起源以及執(zhí)行的功能，可以將腸道分為前腸、中腸以及后腸3 部分。前腸可以分為咽、食管、蜜囊和前胃，由胚胎期外胚層的前端內(nèi)陷而來(lái)，主要擔(dān)負(fù)著攝食功能[5]；中腸位于腹腔的前中部，呈現(xiàn)“S”型，由胚胎期的內(nèi)胚層演化而來(lái)，與其他昆蟲相比，蜜蜂的中腸相對(duì)比較發(fā)達(dá)，主要功能是通過(guò)腸壁細(xì)胞分泌具有活性的酶來(lái)消化和吸收攝入的食物；后腸由小腸以及直腸組成，由胚胎期外胚層的后端內(nèi)陷而來(lái)，其主要是吸收水分以及貯藏和排出機(jī)體代謝產(chǎn)物。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂的腸道菌群主要集中在后腸[5]。

2.2 腸道菌群

蜜蜂腸道菌群組成并不復(fù)雜，僅由少數(shù)的核心菌種組成。早期研究發(fā)現(xiàn)，工蜂的腸道中主要分布著9 種細(xì)菌，占蜜蜂個(gè)體腸道總菌量的95%～99%。其中有5 種菌出現(xiàn)在幾乎所有的蜜蜂個(gè)體中，稱之為蜜蜂腸道的核心菌群，包括2 種革蘭氏陰性菌：Snodgrassella alvi和Gilliamella apicola，以及3 種革蘭氏陽(yáng)性菌：LactobacillusFirm-4、Firm-5 和Bifidobacterium。除核心菌群外，另外4 種菌在蜜蜂腸道內(nèi)的數(shù)量不多并且分布不均，包括Frischella perrara、Bartonella apis、Parasaccharibacter apium和葡糖桿菌屬（Gluconobacter）中特定的一個(gè)種類群“Alpha 2.1”[2]。

5 種核心菌群以及4 種相對(duì)較少的菌群在蜜蜂腸道的不同部位分布是不均勻的，各個(gè)部位都有自己的優(yōu)勢(shì)菌種。腸道菌群在前腸與中腸分布相對(duì)較少，在后腸分布相對(duì)較多，占成年工蜂總菌量的99%[2]。前腸與中腸細(xì)菌量較少也存在其合理之處：前腸的蜜囊部分是蜜蜂貯藏和運(yùn)輸喂養(yǎng)幼蟲花蜜以及產(chǎn)生蜂蜜的部位，中腸主要是用來(lái)進(jìn)行食物的消化以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。

同時(shí)，蜜蜂腸道菌群的組成以及各菌種的豐度也因蜜蜂個(gè)體的社會(huì)性差異而有所區(qū)別，例如，F(xiàn)irm-5 的豐度具有明顯的級(jí)型特異性和分工特異性，其在雄蜂最高，其次是工蜂，最低的是蜂王[3]。

3 腸道菌群功能

蜜蜂腸道菌群功能的正常發(fā)揮維系著蜜蜂個(gè)體、群體的健康，其功能主要分為3 方面：促進(jìn)新陳代謝、激活先天性免疫應(yīng)答以及體現(xiàn)社會(huì)性分工。

3.1 促進(jìn)新陳代謝

新陳代謝包含有2 方面的內(nèi)容：同化作用以及異化作用，2 種作用在個(gè)體生長(zhǎng)過(guò)程中時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生。蜜蜂的腸道菌群與蜜蜂間存在著較為明顯的生理界限，但研究證明腸道菌群通過(guò)自身的生命活動(dòng)影響著宿主，即影響著蜜蜂機(jī)體的同化作用以及異化作用。

在最近的1 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究者以無(wú)菌狀態(tài)下的蜂蛹為實(shí)驗(yàn)材料，在實(shí)驗(yàn)室的無(wú)菌條件下進(jìn)行羽化，一組幼蟲喂食蔗糖溶液以及滅菌蜂花粉得到腸道不具有核心菌群的蜜蜂，另一組飼喂正常蜜蜂的腸道液得到具有正常核心菌群的蜜蜂。在2 組幼蟲羽化為成蟲后，追蹤成蟲的體重生長(zhǎng)曲線以及生長(zhǎng)速率，最終發(fā)現(xiàn)具有核心菌群的蜜蜂有更高的體重（15%～20%），并且生長(zhǎng)速率也明顯快于無(wú)菌蜜蜂。其原因之一是蜜蜂的腸道菌群能幫助蜜蜂消化難降解的成分[2]。蜜蜂的中腸是消化吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要場(chǎng)所，而食物中部分成分難在中腸被消化，比如多種花粉成分?；ǚ奂?xì)胞壁中含有大量難降解的多糖，而后腸中的腸道菌群能夠大量編碼水解多糖的酶類，從而幫助蜜蜂更好地利用花粉和花蜜中的營(yíng)養(yǎng)成分[3]。腸道菌群將外界大分子成分降解為小分子成分，利于蜜蜂機(jī)體更好地吸收。

蜜蜂作為營(yíng)群居性的社會(huì)性昆蟲，其所受到的來(lái)自傳染病的威脅是巨大的。蜜蜂群體也許可以憑借群體免疫，即蜜蜂社會(huì)中大部分個(gè)體對(duì)傳染病產(chǎn)生抵抗力而繼續(xù)繁衍生息，但更大程度上蜜蜂群體會(huì)遭遇滅頂之災(zāi)。因此，養(yǎng)蜂人必須找出有效的方法去干預(yù)傳染病對(duì)于自家蜜蜂的影響，其中，通過(guò)藥物干預(yù)去防治蜜蜂疾病會(huì)是較佳的選擇。與人體一樣，經(jīng)過(guò)腸道給藥的藥物需要通過(guò)蜜蜂的腸道吸收而進(jìn)入體內(nèi)，在經(jīng)歷一系列體內(nèi)過(guò)程后發(fā)揮藥效。而在這之中，藥物代謝影響著藥物的起效快慢、作用時(shí)間以及作用強(qiáng)度。鑒于人的腸道菌群中的部分菌種在藥物代謝的過(guò)程中發(fā)揮了一定的作用，因而聯(lián)想到蜜蜂的腸道菌群可能也會(huì)在相應(yīng)的藥物代謝過(guò)程中起到促進(jìn)或抑制的效果。雖然目前缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但這一想法的實(shí)踐有利于今后防治蜜蜂疾病的過(guò)程中精準(zhǔn)用藥以及聯(lián)合用藥。

3.2 激活先天性免疫應(yīng)答

絕大多數(shù)引起蜜蜂疾病的病原物存在于蜜蜂的腸道中，如擬幼蟲芽孢桿菌和蜂房球菌，分別誘發(fā)了歐洲幼蟲腐臭病以及美洲幼蟲腐臭病，使大量的蜜蜂幼蟲死亡[6]。面對(duì)外來(lái)病原物時(shí)，正常的腸道菌群則會(huì)激活蜜蜂的先天性免疫應(yīng)答，通過(guò)刺激蜜蜂產(chǎn)生防御素以及蜜蜂抗菌肽從而增強(qiáng)蜜蜂的免疫能力，減少被感染的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)抗生素干擾核心菌群從而降低菌種的多樣性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不具備正常腸道菌群的蜜蜂受到致病菌侵染的可能性會(huì)大大提升，致死率升高，并且腸道內(nèi)的致病菌群與正常菌群呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系[6]。與此同時(shí)，蜜蜂機(jī)體對(duì)病原體的敏感程度以及免疫能力因其腸道菌群的組成差異而有所不同。

3.3 體現(xiàn)社會(huì)性分工

蜜蜂社會(huì)由3 種類型的蜂組成，分別為蜂王、工蜂以及雄蜂。三型蜂的遺傳背景、食物結(jié)構(gòu)和社會(huì)分工的明顯差別決定了體內(nèi)腸道菌群的區(qū)系結(jié)構(gòu)的差異[3]。

蜜蜂的社會(huì)性主要體現(xiàn)在蜂王與工蜂之間的級(jí)型分化以及工蜂之間的勞動(dòng)分工[3]。根據(jù)蜂王與工蜂級(jí)型分化的定義，蜂王與工蜂的遺傳物質(zhì)并無(wú)差異，均為含有相同遺傳物質(zhì)的二倍體個(gè)體，而其分化產(chǎn)生的原因是它們幼蟲期間被喂養(yǎng)的食物種類與數(shù)量存在差異，因而可以理解為在幼蟲期間不同食物誘導(dǎo)了蜂王與工蜂的分化，并且隨之而來(lái)的是兩者形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能以及社會(huì)功能上的明顯差異[7]。由此可見，蜂王與工蜂的差異并非遺傳物質(zhì)造成的，而主要是營(yíng)養(yǎng)差異導(dǎo)致的。蜂王與工蜂在腸道菌群中不同菌種的豐度差異，可能意味著蜜蜂的腸道菌群在幼蟲時(shí)期對(duì)機(jī)體所攝入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)效應(yīng)，從而來(lái)調(diào)節(jié)蜜蜂的級(jí)型分化。最近有實(shí)驗(yàn)表明，蜜蜂腸道的Bifidobacterium asteroides能夠刺激宿主產(chǎn)生一些保幼激素的類似物，而保幼激素對(duì)蜜蜂級(jí)型分化有重要調(diào)節(jié)作用[7]。

蜜蜂結(jié)束幼蟲期羽化出房后，根據(jù)日齡以及身體調(diào)節(jié)開始從事不同的工作以及任務(wù)，比如筑巢、釀蜜、守衛(wèi)以及清理蜂巢[13]。而在實(shí)際情況中，蜜蜂體內(nèi)不同生物分子的表達(dá)的改變會(huì)影響蜜蜂的分工，包括工蜂的社會(huì)分工，例如，卵黃原蛋白能夠抑制內(nèi)勤蜂向采集蜂轉(zhuǎn)變。腸道菌群通過(guò)影響蜜蜂機(jī)體內(nèi)的軟黃原蛋白以及生物胺含量可以調(diào)控蜜蜂的勞動(dòng)分工。更有直接的實(shí)驗(yàn)顯示不同勞動(dòng)分工的工蜂腸道微生物的豐度存在差異，內(nèi)勤蜂腸道的Firm-4 和Bifidobacteriaceae的豐度高于外勤蜂，F(xiàn)irm-5 在哺育蜂腸道的豐度明顯高于采集蜂[8]。

4 “腦病腸治”之遐想

人也擁有自己的腸道菌群，只不過(guò)相比于蜜蜂，人的腸道菌群組成以及區(qū)系架構(gòu)更為復(fù)雜。近些年來(lái)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究腸道菌群的穩(wěn)態(tài)與人體健康之間的關(guān)系是興起的話題，科學(xué)家與醫(yī)生們旨在通過(guò)腸道菌群來(lái)預(yù)防、診斷以及治療人類疾病。

腦是我們認(rèn)識(shí)與發(fā)展世界最重要的工具，但由于我們對(duì)腦部的研究并沒有那么全面以及深入，腦部疾病依舊是醫(yī)學(xué)上的難題，比如阿爾茨海默病。而近期有研究發(fā)現(xiàn)，人的腸道菌群不僅能調(diào)控腸道活動(dòng)，還影響著宿主的腦功能以及行為[9]，也就是“腦病”可能通過(guò)“腸治”。

雖然人體與蜜蜂之間存在著很大的差異，但這并不意味著這2 個(gè)物種間毫無(wú)聯(lián)系。人類與蜜蜂存在的最大的共同點(diǎn)莫過(guò)于兩者都擁有自己的社會(huì)環(huán)境，其中的每個(gè)個(gè)體都具有一定的社會(huì)性，而腸道菌群的產(chǎn)生與社會(huì)性有著密不可分的關(guān)系，因而我們可以嘗試通過(guò)比較簡(jiǎn)單的蜜蜂腸道菌群與較為復(fù)雜的人類腸道菌群，從中找出相同與不同之處，給予腸道菌群與人體疾病之間的聯(lián)系新的想法與思考。例如，蜜蜂的腸道菌群微環(huán)境的紊亂或者缺失會(huì)導(dǎo)致蜜蜂個(gè)體免疫能力以及新陳代謝水平下降，從而我們可以在無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持下聯(lián)想到人類的腸道菌群可能也會(huì)影響機(jī)體的免疫以及代謝功能的正常發(fā)揮。順著傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的思路，我們可能很難找到解決人類的腦部疾病的方法，但如果我們發(fā)散思維，將目光聚焦于腦與其他身體器官間的聯(lián)系，比如腸道，運(yùn)用系統(tǒng)性的方法去診斷以及治療或許會(huì)開辟醫(yī)學(xué)上新的大陸，比如“腦病腸治”。

阿爾茨海默病（AD）作為神經(jīng)退行性疾病，雖然有很多假說(shuō)去解釋AD 的發(fā)病機(jī)制，但都沒能得到比較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)以及臨床結(jié)果，比如較為流行的β-淀粉樣蛋白級(jí)聯(lián)假說(shuō)[10]。最近有學(xué)者指出，腸道菌群微環(huán)境的紊亂驅(qū)動(dòng)形成的炎癥反應(yīng)可能是導(dǎo)致AD 發(fā)生的源頭[10]。腸道菌群主要是通過(guò)人體的腸-腦軸對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)或者大腦行為產(chǎn)生影響，其中的一種表現(xiàn)形式是腸道菌群的代謝產(chǎn)物產(chǎn)生一系列神經(jīng)活性分子，如乙酰膽堿、兒茶酚胺以及γ-氨基丁酸等，而這些分子會(huì)降低腸道屏障的密度，同時(shí)促進(jìn)神經(jīng)性炎癥的發(fā)生與血腦屏障的損傷，直接影響到宿主大腦的正常行為功能[10]。

雖然，現(xiàn)在越來(lái)越多的證據(jù)證明腸道菌群與人體的健康，特別是神經(jīng)性疾病有著密切的關(guān)系，但目前科學(xué)仍停留在通過(guò)腸道菌群去輔助剖析“腦病”，通過(guò)腸道菌群去治療“腦病”，由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及臨床試驗(yàn)的證據(jù)并不充分，因而“腦病腸治”依舊是一個(gè)任重道遠(yuǎn)的過(guò)程。