菌-腸-腦軸與血腦屏障通透性的相關(guān)性研究進展

華嶸暄, 高 晗, 王博雅, 郭玥昕, 梁 宸, 高 磊, 尚宏偉, 徐敬東

華嶸暄, 首都醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)“5+3”長學(xué)制 北京市 100069

高晗, 首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)與病理生理學(xué)系北京市100069

王博雅, 北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部臨床醫(yī)學(xué)八年制 北京市 100083

郭玥昕, 首都醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)“5+3”長學(xué)制 北京市 100069

梁宸, 首都醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè) 北京市 100069

高磊, 首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)系 北京市 100069

尚宏偉, 首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院形態(tài)學(xué)實驗中心 北京市 100069

徐敬東, 首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)與病理生理學(xué)系 北京市 100069

華嶸暄, 首都醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)“5+3一體化”專業(yè)學(xué)生, 研究方向為消化生理學(xué)與臨床醫(yī)學(xué).

Rong-Xuan Hua, Clinical Medicine “5+3” Program, Capital Medical University, Beijing 100069, China

Han Gao, Jing-Dong Xu, Department of Physiology and Pathophysiology, School of Basic Medical Sciences, Capital Medical University, Beijing 100069, China

Bo-Ya Wang, Clinical Medicine Program, Peking University Health Science Center, Beijing 100081, China

Yue-Xin Guo, Oral Medicine “5+3” Program, Capital Medical University, Beijing 100069, China

Chen Liang, Clinical Medicine, Capital Medical University, Beijing 100069, China

Lei Gao, Department of Biomedical Informatics, School of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, China

Hong-Wei Shang, Morphological Experiment Center, School of Basic Medical Sciences, Capital Medical University, Beijing 100069, China

0 引言

隨著研究技術(shù)的不斷完善, 大腦不再被認為是一個獨立存在的器官而單獨履行其功能. 越來越多的研究表明, 中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)有許多的外周調(diào)節(jié)途徑, 其中腸道是日益關(guān)注的焦點, 腸道菌群對宿主的生理和心理健康特別是對大腦發(fā)育過程的影響引起了人們廣泛興趣. 腸道菌群影響中樞和外周神經(jīng)膠質(zhì)細胞的發(fā)育, 調(diào)節(jié)其在整個生命過程中的穩(wěn)態(tài). 腸道微生物對腸神經(jīng)膠質(zhì)細胞的發(fā)育、遷移和分化至關(guān)重要, 并參與粘膜免疫反應(yīng), 并維持腸道上皮屏障功能. 而病理狀態(tài)下腸道菌群多樣性降低, 有益菌群減少, 致病菌增加, 可導(dǎo)致腸上皮細胞間緊密連接(tight junction, TJ)減弱, 屏障作用降低, 腸道微生物發(fā)生移位, 引起組織的慢性炎性病理變化. 近年來有研究結(jié)果令人倍感興奮: 在使用腸道菌群移植后阿爾茲海默(alzheimer’s disease, AD)、帕金森病(parkinson’s disease, PD)等神經(jīng)功能障礙有所緩解, 推測腸道菌群對腦功能的調(diào)節(jié)作用可能與血腦屏障(blood-brain barrier, BBB)相聯(lián)系, 而神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生也與之相關(guān). 本文由腸道菌群出發(fā), 闡述菌-腸-腦軸與BBB完整性相關(guān)性的最新進展, 以期從腸道出發(fā), 為預(yù)防和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供新的方向.

1 腸道菌群

腸道菌群與宿主長期互惠共生, 其數(shù)量級與人類全身細胞總數(shù)相當, 超過10個, 其中絕大部分位于回腸末端與結(jié)腸. 腸道內(nèi)微生物數(shù)量如此之龐大, 其代謝等功能對宿主的影響不容小覷, 目前已經(jīng)證實, 乳酸菌和雙歧桿菌有利于腸道屏障功能的維持, 而梭狀芽孢桿菌過度增殖可能打破免疫穩(wěn)態(tài)致使通透性增加, 造成炎性腸病等異常.

腸道菌群及其代謝物的作用不止于此, 動物實驗證實腸道菌群與腦之間存在一定功能上的聯(lián)系, 給無菌小鼠移植微生物后BBB通透性降低, 與之相反腸道微生物的缺失會導(dǎo)致BBB通透性增加, 出現(xiàn)TJ蛋白occludin, claudin-5明顯減少. 特別是長期服用抗生素的小鼠腸道微生物數(shù)量和多樣性降低, 動物可出現(xiàn)認知功能障礙、海馬神經(jīng)損傷以及記憶力下降; 而服用益生菌的作用則與之相反. 這些結(jié)果提示腸道菌群的穩(wěn)態(tài)與腦功能聯(lián)系密切. 隨著腦-腸之間相關(guān)性研究的深入, 著眼腸道菌群以解決中樞神經(jīng)系統(tǒng)問題已成為當今研究熱點.

2 BBB通透性改變

20世紀初, 研究人員發(fā)現(xiàn)動物接受靜脈注射苯丙胺后, 其余器官均有苯丙胺分布, 唯獨腦組織例外-這不由讓人想到有某種屏障的存在影響這種物質(zhì)的擴散. 隨后研究證實在腦部毛細血管和神經(jīng)膠質(zhì)細胞間存在BBB. 眾所周知, BBB是循環(huán)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間重要的“活躍接口”, 對營養(yǎng)物質(zhì)的運輸和代謝物的清除具有調(diào)控作用, 同時兼?zhèn)鋵撛谟卸?、有害物質(zhì)的濾過作用, 以維持CNS的穩(wěn)態(tài). 因此, BBB的通透性增加被視為神經(jīng)元損傷、腦內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)失衡、神經(jīng)退行性疾病發(fā)生的重要原因.

BBB的構(gòu)成并不簡單(如圖1), 包括腦微血管內(nèi)皮細胞(brain microvascular endothelial cells, BMECs)、周細胞、星形膠質(zhì)細胞終足、小膠質(zhì)細胞和細胞外基質(zhì)等. BMECs間TJ由三類蛋白(由claudins、occludins和連接黏附分子組成的跨膜蛋白; 胞質(zhì)附著蛋白zonulae occludens 1-3; 以及細胞骨架蛋白)有序排列組成, 限制一些大分子物質(zhì)及細菌透過, 以保持腦內(nèi)部的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài). 周細胞環(huán)繞在BMECs外, 能夠起到控制毛細血管管徑, 調(diào)節(jié)胞吞、免疫細胞運輸?shù)淖饔? 小膠質(zhì)細胞作為BBB建立過程中的重要細胞, 是CNS的“第一道防線”, 分泌血管生長素, 促進腦血管生成, 同時又能通過CX3CR1、CD11b/c和CD45的抗原標記判定腦實質(zhì)中血源性物質(zhì)和潛在炎癥刺激. 有研究表明, 當胚胎期血管發(fā)生完成后, 去除小膠質(zhì)細胞不會導(dǎo)致BBB功能的改變, 提示小膠質(zhì)細胞對BBB的維持并非必要. 如圖1A所示, 星形膠質(zhì)細胞的終足包繞在周細胞與內(nèi)皮細胞外, 作為“第二道物理屏障”選擇性地阻擋微生物、大分子化合物等物質(zhì)的通過. 神經(jīng)元借助星形膠質(zhì)細胞與BMECs形成內(nèi)皮-神經(jīng)元的聯(lián)系, 能夠傳導(dǎo)神經(jīng)信號, 調(diào)節(jié)局部血流量, 對于維持大腦內(nèi)血流的穩(wěn)定發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用. 為了完成通過血漿進入CNS的物質(zhì)的濾過, 機體可謂“煞費苦心”.

圖1 血腦屏障構(gòu)成方式改變模式圖. A: BBB的神經(jīng)血管內(nèi)皮單元由BMEC、周細胞、星形膠質(zhì)細胞以及小膠質(zhì)細胞等構(gòu)成; B: 當創(chuàng)傷和感染時, BMEC間緊密連接的破壞引起B(yǎng)BB通透性增加, 免疫細胞以及小膠質(zhì)細胞釋放TNFα, IL-6, BBB滲透性增加, 導(dǎo)致細胞外基質(zhì)缺失以及神經(jīng)元死亡. Surveying microglia: 未激活的小膠質(zhì)細胞; Brain microvascular endothelial cell, BMEC: 腦微血管內(nèi)皮細胞; Astrocyte end-foot: 星形膠質(zhì)細胞末梢足突; Pericyte: 周細胞; Neuron: 神經(jīng)元; Microvascular lumen: 微血管腔隙; Activated microgila: 激活的小膠質(zhì)細胞; Pericyte disfunction: 周細胞功能喪失; Infiltration of lymphocytes: 淋巴細胞的浸潤; Neuron death: 神經(jīng)元死亡; Microbes and metabolites: 微生物及其代謝產(chǎn)物; Loss of tight junction: 緊密連接的喪失; Secretion of pro-inflammatory mediators: 促炎因子的釋放; BBB: 血腦屏障; IL-6: 白細胞介素-6.

誠然BBB的生理結(jié)構(gòu)也是“雙刃劍”, 精細的生理結(jié)構(gòu)也讓BBB的病理改變難以修復(fù). 如圖1B所示, 創(chuàng)傷及感染導(dǎo)致小膠質(zhì)細胞由靜息時的高度分支狀變?yōu)槟I形或桿狀的活化形式并釋放促炎因子. 這使BBB通透性增加, 引起血源性免疫細胞、細胞因子、菌群代謝物的滲透, 這又會引起慢性顱內(nèi)炎癥, 其與BBB的受損通常相伴發(fā)生, 很難分清因果關(guān)系. 緊密連接的減少、BMECs的破壞、星形膠質(zhì)細胞與小膠質(zhì)細胞的活化、外周免疫細胞滲透皆可使BBB完整性降低.

3 神經(jīng)退行性疾病源起B(yǎng)BB通透性改變

腸道生態(tài)系統(tǒng)由龐大的細菌數(shù)量形成穩(wěn)定的生態(tài)圈, 其代謝產(chǎn)物將信號可傳遞遠端器官, 因此腸道菌群與免疫系統(tǒng)、激素、大腦、宿主代謝等功能都有相關(guān)性. 最新的研究表明, 腸道菌群與肥胖、炎癥性疾病、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙等疾病相關(guān). 目前, 腸道菌群紊亂與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生、發(fā)展相關(guān)性研究已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注.

神經(jīng)退行性疾病是造成老年人殘疾, 生活障礙與運動障礙的主要因素之一, 給社會和家庭帶來巨大的壓力. 如AD、PD、血管性癡呆、路易體癡呆、額顳葉癡呆等. 生理狀態(tài)下BBB具有選擇性屏障的作用, 外周T細胞不能進入腦實質(zhì); 但在AD患者腦實質(zhì)中出現(xiàn)中性粒細胞以及CD4T細胞亞群中的Th1和Th17細胞的浸潤. Th17細胞分泌促炎因子白細胞介素(interleukin, IL)-17、IL-21和IL-22與神經(jīng)元上受體結(jié)合, 誘導(dǎo)其凋亡, 這是CNS疾病的特點之一. 可見, 相伴而生的BBB功能的下降與顱內(nèi)炎癥直接對神經(jīng)退行性疾病具有一定的相關(guān)性. 因此, 保護并重建BBB完整性, 避免淋巴細胞的浸潤、血管內(nèi)皮炎癥的出現(xiàn)勢必在預(yù)防與治療AD及其他神經(jīng)退行性疾病中尤為關(guān)鍵.

除BBB完整性對神經(jīng)退行性疾病有相關(guān)影響外, 近年來對α突觸核蛋白(α synuclein, α-Syn)的研究也成為熱點. α-Syn由140個氨基酸組成小分子蛋白質(zhì), 由于PD患者的α-Syn的突變可破壞α-Syn螺旋結(jié)構(gòu), 使之形成β-折疊進而聚集并產(chǎn)生具有神經(jīng)毒性作用的纖維絲樣蛋白聚集體, 最終導(dǎo)致PD的發(fā)生. 有研究證實α-Syn參與突觸小泡運輸調(diào)節(jié)與控制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài). 值得注意的是單體或聚集的α-Syn能在細胞之間遷移或通過BBB, 加速神經(jīng)病理狀態(tài)的發(fā)展. 盡管目前對其確切功能尚不清楚, 但有證據(jù)表明α-Syn是多巴胺釋放和突觸小泡循環(huán)所必需的. 在人回盲部也發(fā)現(xiàn)病理相關(guān)的α-Syn, 此處有大量菌群聚集, 推斷可能是病理α-Syn產(chǎn)生的源頭. 在小鼠模型中發(fā)現(xiàn)了PD方面與胃腸中致病性α-Syn產(chǎn)生并積累的相關(guān)性. α-Syn以跨突觸傳遞方式, 從腸道神經(jīng)元傳遞到迷走神經(jīng), 通過軸腔逆向運輸?shù)姆绞窖孛宰呱窠?jīng)上行至延髓及腦橋被蓋, 此處正是PD發(fā)病第一、二階段的病理區(qū)域. 然而研究提示, 迷走神經(jīng)并不是PD發(fā)生發(fā)展的必要條件, 嚙齒類動物實驗中切斷迷走神經(jīng), 雖能延緩但不能阻斷PD發(fā)病. 在脊髓損傷或缺血后α-syn水平增加, 并導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病發(fā)展, 小膠質(zhì)細胞的遷移與活化在其中有重要作用, 但α-syn是否調(diào)節(jié)以及如何調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細胞還未知曉. 基于此, 研究腸道微生物-腸內(nèi)分泌細胞-腸神經(jīng)元-腸道免疫系統(tǒng)之間的相互作用, 對于探索腸道與CNS的相互作用具有重要的意義.

4 菌-腸-腦軸影響B(tài)BB通透性

從原來的無人問津到如今如火如荼, 腸-腦軸已經(jīng)成為目前神經(jīng)科學(xué)不可回避的熱門話題. 在過去的十年里, 大量的研究發(fā)現(xiàn), 腸道中數(shù)以萬億計的細菌可能會對大腦產(chǎn)生深遠的影響, 并可能與一系列疾病有關(guān). 菌-腸-腦軸(intestine flora-gut-brain axis)是連接腸道微生物群與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的雙向信號通路.

4.1 腸粘液屏障作為菌-腸-腦軸起點 腸道通過機械屏障和免疫屏障抑制微生物及代謝物與腸上皮的直接接觸. 腸腔內(nèi)有粘液分泌, 并伴隨免疫球蛋白及抗菌肽的釋放, 共同構(gòu)成屏障被形象地稱為粘膜“防火墻”, 保護機體以避免致病菌的攻擊.

腸上皮覆蓋之粘液主要由高度糖基化的蛋白質(zhì)組成, 主要是杯狀細胞分泌的粘蛋白2(mucin2, MUC2), 糖基化的MUC2能夠保護蛋白質(zhì)免受微生物蛋白酶的降解. 小腸的粘液層相對結(jié)腸較弱, 但其豐富的潘氏細胞中含有大量抗菌分子. 當受到腸道菌群刺激后, 潘氏細胞分泌α-defense限制其繁殖; 而ILC3淋巴細胞通過釋放IL-22促進抗菌肽(antimicrobial peptide, AMP)的合成, AMP跨細胞進入腸道, 防止產(chǎn)堿菌的生成; 誘導(dǎo)巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶的合成, 使得上皮聚糖的巖藻糖基化, 從而抑制腸道菌群. 此外, 腸道粘膜下的漿細胞分泌免疫球蛋白A(immunoglobulin A, IgA), 參與腸道生物屏障的構(gòu)成, IgA進入腸腔后與細菌或其表面抗原結(jié)合, 抑制微生物靠近腸上皮細胞. 共生細菌也能誘導(dǎo)同源性免疫球蛋白G(immunoglobulin G, IgG)反應(yīng). IgG抗體可通過識別高度保守的蛋白質(zhì)以識別并結(jié)合多個菌群以限制病原微生物的增長.

腸道粘膜“防火墻”完整性的破壞意味炎癥和疾病的發(fā)生, 上述的多種防御機制互相維持平衡, 每個環(huán)節(jié)完整性對腸道菌群微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)起著重要作用.

4.2 菌-腸-腦軸影響B(tài)BB的三種路徑 菌-腸-腦軸可通過三種特別重要的方式作用于BBB, 如圖2所示. 首先可以直接通過神經(jīng)元將信號傳遞給大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò). 腸道上皮的腸內(nèi)分泌細胞表面會表達短鏈脂肪酸(short chain fatty acid, SCFA)的G蛋白偶聯(lián)受體, SCFA通過后者刺激腸內(nèi)分泌細胞釋放神經(jīng)肽, 將信號通過支配腸道的腸神經(jīng)元及迷走神經(jīng)傳導(dǎo)至腦干. 隨著年齡增長, 腸道處的巨噬細胞(Mφ)因子增加導(dǎo)致腸神經(jīng)元對炎癥信號的反應(yīng)變化, 腸道神經(jīng)元的凋亡增加. 這會造成腸-腦溝通能力受損, 影響腸道功能. 菌群代謝物可調(diào)節(jié)免疫細胞因子的釋放, 充當神經(jīng)遞質(zhì).

圖2 菌-腸-腦軸交互調(diào)節(jié)模式圖. 腸道微生物代謝產(chǎn)物通過借助循環(huán)系統(tǒng)將細菌代謝物運輸?shù)紹BB傳遞信息, 或誘導(dǎo)神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生或直接以代謝物作為神經(jīng)遞質(zhì)影響中樞神經(jīng)系統(tǒng); 通過腸內(nèi)在神經(jīng)系統(tǒng)和外來神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行雙向信號傳導(dǎo); 多種途徑共同作用, 以復(fù)雜關(guān)系、跨系統(tǒng)的方式構(gòu)建菌-腸-腦軸雙向通路. Neurotransmitters and hormones: 神經(jīng)遞質(zhì)與激素; Cytokines: 細胞因子; Dendritic cell: 樹突狀細胞; Paneth cell and MUC2: 杯狀細胞細胞和MUC2; Paneth cell and α-defense: 潘氏細胞和α-防御素; Entero endocrine cell: 腸內(nèi)分泌細胞; vagus nerve: 迷走神經(jīng); BBB: 血腦屏障; IgA: 免疫球蛋白A; IgG: 免疫球蛋白G.

其次, 通過血液循環(huán)將分泌出的細胞因子與免疫信號分子運輸?shù)竭_BBB. 腸內(nèi)分泌細胞檢測到菌群代謝物后, 釋放激素并伴隨飲食代謝物與神經(jīng)遞質(zhì)通過血液運輸至BBB. BBB上的特定受體能夠允許營養(yǎng)物和一些調(diào)節(jié)性因子通過BBB直接進入到腦組織中. 衰老、損傷、感染等引發(fā)的上皮屏障被破壞可以導(dǎo)致細菌及其代謝物的滲透, 觸發(fā)炎癥免疫反應(yīng), 且有可能引起腸神經(jīng)元死亡. 如果腸道炎癥持續(xù)存在, 會致使血清中TNF、IL-6、IL-1β等因子升高, 引發(fā)全身性的炎癥反應(yīng), 破壞BBB. 腦部炎癥會促進免疫細胞外滲, 激活小膠質(zhì)細胞, 促進炎癥信號的傳遞, 形成惡性循環(huán). 因此, 在神經(jīng)退行性疾病發(fā)病早期, 體內(nèi)可能存在微生物與免疫細胞相互影響, 腸上皮屏障受損與細菌感染, 并通過影響腸腦細胞因子和免疫細胞運輸而促進疾病發(fā)展.

第三, 代謝物激活的免疫細胞可通過血流在BBB處釋放可溶性因子, 從而影響其完整性并改變腦細胞的炎癥狀態(tài). TNFα可上調(diào)BBB處與腦中的黏附因子等, 促進Mφ和白細胞向腦外部滲透, 下調(diào)緊密連接破壞BBB完整性.

此外, 近期研究還發(fā)現(xiàn)腸上皮細胞和神經(jīng)元之間存在一種直接聯(lián)系“neuropod”, 這是一類特化的腸內(nèi)分泌細胞, 與腸道周圍神經(jīng)元形成突觸釋放谷氨酸作為神經(jīng)遞質(zhì)從而快速傳遞腸道與微生物的化學(xué)信號. 這種途徑能更直接更有效地響應(yīng)腸道菌群代謝物的產(chǎn)生. 深入研究發(fā)現(xiàn), 腸內(nèi)分泌細胞并不只分泌一種信號分子, 而是利用不同的分泌小泡來儲存豐富的信號分子. 這些分子在不同的排列組合下傳遞不同信息, 如營養(yǎng)價值、機械膨脹、滲透性、pH或溫度等. 因此通過“neuropod”腸上皮細胞能輕松與迷走神經(jīng)進行信息傳遞, 進而構(gòu)成腸-腦通路. 如, 在小鼠模型中葡萄糖刺激cck腸內(nèi)分泌細胞可通過谷氨酸神經(jīng)傳遞激活迷走神經(jīng)結(jié)節(jié)神經(jīng)元, 這些研究中的信號通路對菌-腸-腦信息交流的積極作用令人欣喜.

腸-腦雙向通路, 影響飽腹信號和食欲調(diào)節(jié), 以及記憶、學(xué)習(xí)、情緒等功能, 并且與CNS疾病發(fā)生密切相關(guān).

5 腸道菌群及代謝產(chǎn)物影響B(tài)BB

正如前面所說BBB與CNS之間存在功能上的聯(lián)系, 詮釋腸道菌群及其代謝產(chǎn)物通過直接或間接的方式調(diào)節(jié)BBB通透性影響CNS神經(jīng)元的功能. 使用健康小鼠的腸道菌群移植到無菌小鼠體內(nèi)會使之BBB完整性和TJ蛋白表達量上調(diào), 提示腸道菌群具有調(diào)節(jié)BBB的潛在作用. 腸道菌群的主要代謝產(chǎn)物SCFA和維生素在宿主體內(nèi)具有信號傳導(dǎo)功能, 能夠通過循環(huán)系統(tǒng)到達BBB, 對BBB完整性以及CNS功能等具有調(diào)節(jié)作用.

5.1 短鏈脂肪酸與BBB的關(guān)系 SCFA是腸道菌群重要的代謝產(chǎn)物之一, 是含1-6個碳原子的有機酸, 包含乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、異丁酸等, 90%的SCFA是由腸道菌群發(fā)酵膳食纖維的終產(chǎn)物. 有95%被結(jié)腸粘膜吸收, 僅有少部分能進入到循環(huán)系統(tǒng)中. 它們?yōu)槲⑸锾峁┠芰颗c碳元素, 也能促進腸道蠕動和水鹽吸收, 提供飽腹感. 作為信號分子在調(diào)節(jié)宿主代謝免疫系統(tǒng)和細胞增殖方面具有關(guān)鍵作用.

SCFA不僅對宿主消化系統(tǒng)有作用, 還可作用到單核巨噬細胞、淋巴細胞等免疫細胞通過影響炎癥因子的釋放, 細胞趨化反應(yīng), 抑制免疫效應(yīng)等細胞增殖等參與腸道內(nèi)的免疫調(diào)節(jié)在腸道抵御致病菌中起重要的作用. 在GPR43的小鼠表現(xiàn)為免疫屏障功能缺陷, 腸上皮受損并出現(xiàn)全身性炎癥, 無菌小鼠在口服丁酸鹽后, BBB的TJ蛋白上調(diào), 通透性降低. 給顱外傷模型小鼠丁酸梭菌灌胃后BBB的通透性降低、TJ蛋白水平上調(diào)、認知功能障礙得到改善; 體外培養(yǎng)的BMECs在表達丙酸鹽受體后, 可下調(diào)脂多糖受體CD14相關(guān)mRNA表達, 抑制低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白-1的表達. 這保護BBB免受氧化應(yīng)激, 減輕炎癥反應(yīng), 降低了BBB的滲透性, 保護了BMECs. 此外, SCFA能通過BBB激活小膠質(zhì)細胞上由外周免疫細胞表達的游離脂肪酸受體2/3(FFAR2/3), 發(fā)揮抗炎作用阻斷小膠質(zhì)細胞與促炎因子間的正反饋調(diào)節(jié)作用, 保護神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)細胞免受炎癥損害.

當然, SCFA對宿主的作用具有多樣性. 實驗研究證實自閉癥小鼠模型中較高比例的丙酸鹽可導(dǎo)致癥狀加劇, 補充丁酸鹽后癥狀緩解. 由此觀之, SCFA對神經(jīng)系統(tǒng)的影響不是靠單一因素決定的, SCFA構(gòu)成比例在發(fā)揮作用時需要特別關(guān)注. 由此可見, 無論是在預(yù)防還是治療中, SCFA的平衡對BBB的作用是顯而易見的, 其主要通過上調(diào)緊密連接蛋白、減輕神經(jīng)炎癥、調(diào)節(jié)受干擾的小膠質(zhì)細胞功能三方面發(fā)揮作用. 就現(xiàn)有證據(jù)來看, SCFA可以緩解由于中樞神經(jīng)元功能受損引起的功能障礙, 但如何配置SCFA間的最佳比例有待進一步研究.

5.2 維生素與BBB完整性的關(guān)系 維生素(vitamin, Vit)是維持人體生理功能不可缺少的營養(yǎng)素, 是物質(zhì)代謝中起重要調(diào)節(jié)作用的許多酶的組成成分, Vit是人體必需從飲食腸道菌群中獲得的物質(zhì), 雖然該物質(zhì)在體內(nèi)既不是構(gòu)成身體組織的原料, 也不作能量來源, 但是具有抗氧化、基因調(diào)控和輔助因子的重要作用. 腸道菌群產(chǎn)生的維生素主要在結(jié)腸被吸收, 而從食物中直接獲得的維生素則是在小腸被吸收. 其中, 細菌來源的Vit K(menaquinone-7, MK-7), 作為γ-谷氨酰羧化酶輔助因子, 可催化谷氨酸殘基羧化為Vit K依賴性蛋白中的γ-羧基谷氨酸殘基, 這是蛋白激活的關(guān)鍵步驟; Vit B是另一可由腸道菌群為人類提供的必須營養(yǎng)素, 研究表明256種常見腸道細菌的基因組中包含了全部8種Vit B的合成途徑. 腸道菌群與維生素代謝產(chǎn)物的對應(yīng)關(guān)系見表1.

表1 腸道菌群源性的維生素的功能關(guān)系

腸道菌群代謝產(chǎn)生的維生素對宿主有重要影響. MK-7的生成有助于提供抗氧化活性并保護細胞膜免受脂質(zhì)過氧化作用. VitK具有免疫調(diào)節(jié)作用, 調(diào)節(jié)人巨噬細胞中TNF-α、IL-1α和IL-1β等細胞因子表達從而影響到BBB和小膠質(zhì)細胞的活性,而這些改變很可能有助于降低AD、PD發(fā)病. 此外抗凝劑華法林(VitK拮抗劑)的過度使用造成數(shù)百萬患者如心房顫動、深靜脈血栓形成、肺栓塞等血栓癥狀. 與AD發(fā)病相關(guān)的因素之一載脂蛋白E4(APOE4)等位基因, 其攜帶著普遍血液中Vit K水平較低, 并且腦容量明顯小于其他APOE基因型. 由此推斷Vit K可能與腦損傷創(chuàng)傷修補有關(guān). Vit K還通過減緩α-syn原纖維化, 從而生成短的原纖維和無定形聚集體, 它們不易產(chǎn)生合成囊泡滲漏, 這一過程可抑制PD發(fā)病. 有研究表明在飲食中增加攝入Vit K可以減輕老年人的記憶衰退. 腸道菌群的建立伴隨著Vit B族合成量趨于穩(wěn)定, 而缺乏Vit B導(dǎo)致多發(fā)性神經(jīng)病、神經(jīng)性腳氣病等. Vit B(葉酸)和神經(jīng)管的形成相關(guān), 缺乏會導(dǎo)致認知障礙. 葉酸甲酯是為數(shù)不多被認可對抗抑郁的藥物之一. Vit B和Vit B、B等可以緩解AD認知下降相關(guān)區(qū)域的大腦萎縮. 因此, 作為腸道菌群一大產(chǎn)物的維生素與腦部健康的關(guān)聯(lián)性已得到證實.

總之, 這些腸道菌群代謝產(chǎn)物能夠以多種方式調(diào)節(jié)宿主生理功能, 除影響B(tài)BB外還可直接作用于腸上皮屏障, 未來的維生素研究對于認識維生素的調(diào)控及其如何有助于預(yù)防和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病而言至關(guān)重要.

6 調(diào)控腸道菌群作為預(yù)防和治療神經(jīng)退行性疾病的潛在價值

正如本文所述腸道菌群及其代謝產(chǎn)物對BBB的影響及影響方式, 以及腦神經(jīng)和胃腸道之間的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系以菌-腸-腦軸的起點, 在神經(jīng)退行性疾病的預(yù)防與治療中很可能作為潛在的有效切入點.

6.1 益生菌促進腸道微環(huán)境穩(wěn)態(tài) 益生菌是適當添加或天然存在于食品中的有益微生物. 常見益生菌包括雙歧桿菌、乳桿菌、乳球菌、腸球菌、鏈球菌等. 早在20世紀初人們就發(fā)現(xiàn)了乳酸桿菌可緩解抑郁癥, 由此產(chǎn)生了“精神益生菌”這一名詞, 用來表示益生菌在有關(guān)腦與心理疾病中的積極作用. 隨著對神經(jīng)退行性疾病的深入了解, 大量證據(jù)支持益生菌在AD、PD等神經(jīng)退行性疾病中的有益作用. 實驗表明, 為PD患者提供雙歧桿菌與乳酸桿菌混合物后, 可見患者運動功能得到改善. 而在AD模型小鼠中施用雙歧桿菌與乳酸桿菌混合物, 可明顯改善學(xué)習(xí)記憶能力, 下調(diào)氧化應(yīng)激反應(yīng), 減少大腦中組織病理學(xué)標記, 恢復(fù)神經(jīng)元細胞蛋白水解能力.

益生菌可通過調(diào)節(jié)GABA與谷氨酸釋放, 協(xié)調(diào)控制神經(jīng)元興奮和抑制平衡; 促進腦源性神經(jīng)生長因子的釋放; 同時參與促炎和抗炎因子的調(diào)節(jié), 緩解炎癥導(dǎo)致的BBB通透性增加, 防止?jié)撛谟泻ξ镔|(zhì)進入大腦. 由此觀之, 益生菌緩解AD、PD等疾病的證據(jù), 為其在疾病緩解與治療中提供了理論支持.

6.2 通過糞便微生物菌群移植改善腸道微環(huán)境 糞便微生物群移植(fecal microbiota transplantation, FMT)是指將健康腸道中含有腸道菌群的糞便通過灌腸、鼻飼、內(nèi)窺鏡等方法移植到患有相關(guān)病癥的受體中, 從而改善其腸道環(huán)境以起到治療疾病的作用. 因此, FMT被用于改善宿主行為的研究. 有研究發(fā)現(xiàn)GFBALB/c小鼠中利用FMT定殖了來自NIH Swiss小鼠菌株腸道內(nèi)的微生物, 定殖后的BALB/c小鼠海馬中腦源性神經(jīng)生長因子水平升高, 其探索行為增加; 相反, 用BALB/c小鼠腸道微生物菌群定植無菌NIH Swiss小鼠會表現(xiàn)出更多的膽怯. 利用FMT將正常小鼠的糞便微生物群移植至PD模型小鼠后, 表現(xiàn)出較明顯的神經(jīng)保護作用, TNF驅(qū)動的神經(jīng)炎癥減少, 且腦中多巴胺和血清素的水平增加, 從而使得運動狀況得以改善. 因此, FMT在神經(jīng)退行性疾病治療中值得被進一步關(guān)注.

7 結(jié)論

腸-腦軸是將大腦和腸道功能整合的雙向信息交流系統(tǒng), 腸道微生物參與腸-腦軸的功能反應(yīng), 在腸道與大腦的信息交流中發(fā)揮著非常重要的作用, 腸道菌群與神經(jīng)退行性疾病有相關(guān)性, 且定植特定菌群或?qū)⒔】禉C體內(nèi)微生物群落移植等方法直接促進了這類疾病的緩解. 越來越多的證據(jù)令人信服, 并在基于微生物的療法中看到了巨大的潛力. 因此, 菌－腸－腦通路及其中涉及的相關(guān)分子可能作為潛在治療或預(yù)防神經(jīng)退行性疾病的靶點.

8 問題與展望

盡管目前越來越多的研究證實菌-腸-腦軸影響B(tài)BB通透性進而影響CNS, 但距離改善神經(jīng)退行性變?yōu)槭椎挠绊懕姸嗬夏耆私】档募膊〉哪繕? 還有許多研究工作. 如何將已有的分子水平及動物水平的研究推廣到患者身上, 如何把握“通過飲食調(diào)節(jié)腦部功能”這條捷徑并制定臨床可行的防治方案, 如何從多處靶點找到干預(yù)疾病發(fā)展的通路或藥物, 這些都是目前研究者們應(yīng)當重點關(guān)注的方面. 期待有老年殺手之稱的神經(jīng)退行性疾病之僵局能夠從菌-腸-腦通路獲益.