腸道菌群調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)制研究進(jìn)展

鄧亞星 王顥潤 陳 果 江紅霞綜述 周 杰審校

數(shù)億計(jì)的腸道微生物定植于人體胃腸道形成腸道微生物群。腸道菌群是腸道微生物的主要組成部分，其定植最先受到母體遺傳和分娩的影響。在人體隨后的生長發(fā)育過程中，腸道菌群種屬逐漸趨于豐富多樣，而且隨著飲食習(xí)慣和環(huán)境因素的變化而逐漸改變[1]。腸道菌群時(shí)刻與機(jī)體進(jìn)行著信息交換，參與機(jī)體的生長發(fā)育和衰老過程，具有調(diào)節(jié)人體新陳代謝、腸道炎癥及功能穩(wěn)態(tài)等功能。隨著對(duì)腸道菌群功能認(rèn)識(shí)的深入，研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群可以通過微生物-腸-腦軸[2]對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）進(jìn)行“遠(yuǎn)程調(diào)控”，進(jìn)而影響神經(jīng)發(fā)育，包括神經(jīng)發(fā)生、突觸修剪和小膠質(zhì)細(xì)胞成熟等過程；同時(shí)，腸道菌群與精神障礙、帕金森?。≒arkinson disease，PD）、阿爾茲海默癥（Alzheimer disease，AD）等CNS疾病也有密切聯(lián)系，可以調(diào)節(jié)其發(fā)生與發(fā)展，但具體機(jī)制尚未清楚。本文就腸道菌群影響CNS發(fā)育和相關(guān)疾病的機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 微生物-腸-腦軸

微生物-腸-腦軸由腸道微生物、腸道屏障、腸神經(jīng)系統(tǒng)、血腦屏障以及CNS等結(jié)構(gòu)組成，包含了腸道系統(tǒng)與CNS 之間的所有神經(jīng)傳導(dǎo)、內(nèi)分泌和免疫信號(hào)。盡管微生物-腸-腦的確切作用機(jī)制還未完全闡明，但現(xiàn)有動(dòng)物模型和臨床實(shí)驗(yàn)表明，其對(duì)腸道系統(tǒng)的功能穩(wěn)態(tài)、CNS的發(fā)生發(fā)育以及CNS疾病的發(fā)生、發(fā)展有重要影響。微生物-腸-腦軸通過神經(jīng)-內(nèi)分泌、免疫、代謝等機(jī)制將胃腸道系統(tǒng)和CNS聯(lián)系起來并實(shí)現(xiàn)其雙向調(diào)節(jié)作用。在微生物-腸-腦軸信號(hào)作用下，腸道菌群可以通過代謝、自主神經(jīng)系統(tǒng)、神經(jīng)內(nèi)分泌、神經(jīng)免疫等途徑作用于CNS，調(diào)控神經(jīng)發(fā)生、發(fā)育和相關(guān)疾病的發(fā)生、發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群的組成與大腦活動(dòng)及認(rèn)知功能存在相關(guān)性[3～6]，而腸道菌群紊亂常伴隨著多種CNS疾病的產(chǎn)生并影響其發(fā)展。同時(shí)，CNS 也可以通過微生物-腸-腦軸影響腸道系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)：CNS 可以刺激自主神經(jīng)活動(dòng)和下丘腦-垂體-腎上腺軸（hypothalamic-pituitaryadrenal axis，HPAA），促進(jìn)去甲腎上腺素和促腎上腺皮質(zhì)激素的釋放或直接通過免疫機(jī)制釋放促炎因子和細(xì)胞因子，引起腸道炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致腸道屏障通透性增加和腸道菌群紊亂，進(jìn)而影響腸道功能。

2 腸道菌群影響CNS發(fā)育和CNS疾病的機(jī)制

2.1 代謝途徑 腸道菌群定植影響機(jī)體代謝，菌群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）等神經(jīng)活性代謝物影響神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)功能[7]。小膠質(zhì)細(xì)胞具有標(biāo)記、修剪并清除突觸，促進(jìn)神經(jīng)回路建立等功能，可指導(dǎo)神經(jīng)元分化。腸道梭狀芽孢桿菌和類桿菌產(chǎn)生的SCFAs 可以通過血腦屏障直接進(jìn)入CNS，調(diào)節(jié)大腦功能基因的表觀遺傳，SCFAs 缺乏將導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞的成熟和功能障礙，從而影響CNS免疫系統(tǒng)發(fā)育。研究表明，與普通小鼠相比，無菌（germ free，GF）小鼠表現(xiàn)出小膠質(zhì)細(xì)胞整體缺陷[8]，包括小膠質(zhì)細(xì)胞基因表達(dá)缺陷、表型不成熟和固有免疫功能受損等，而對(duì)GF小鼠補(bǔ)充SCFAs可減少異常小膠質(zhì)細(xì)胞的產(chǎn)生。另外，腸源性色氨酸代謝物可以通過胎盤與胎兒體內(nèi)芳基烴受體（aromatic hydrocarbon reports，AHR）結(jié)合，進(jìn)而顯著影響胎兒CNS發(fā)育[7～9]。

腸道菌群代謝產(chǎn)物也可以調(diào)控CNS 疾病的發(fā)生、發(fā)展。PD病人早期存在的腸道炎癥使腸道屏障通透性增加，進(jìn)而導(dǎo)致其功能缺陷，促進(jìn)了腸道菌群及其代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而引發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)和CNS 炎癥，導(dǎo)致α-突觸核蛋白（α-Synuclein，α-Syn）產(chǎn)生異常而引發(fā)PD。依賴腸源性SCFAs 的神經(jīng)元蛋白清除機(jī)制的破壞，也會(huì)影響α-Syn 的代謝而成為PD潛在病因[10]。同時(shí)，腸源性SCFAs 也可以影響生長激素受體分泌信號(hào)，進(jìn)而調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)肽釋放，影響情緒以及壓力反應(yīng)等。在自身免疫性腦脊髓炎小鼠多發(fā)性硬化模型中，小膠質(zhì)細(xì)胞衍生的生長轉(zhuǎn)化因子α通過星形膠質(zhì)細(xì)胞ErbB1受體發(fā)揮作用，限制星形膠質(zhì)細(xì)胞致病活性和自身免疫性腦脊髓炎的發(fā)展；相反，小膠質(zhì)細(xì)胞血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）-B 觸發(fā)星形膠質(zhì)細(xì)胞FLT-1 信號(hào)，使自身免疫性腦脊髓炎惡化[11]。膳食色氨酸代謝物可激活小膠質(zhì)細(xì)胞，調(diào)控生長轉(zhuǎn)化因子α和VEGF-B的表達(dá)，調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞的促炎和神經(jīng)毒性活動(dòng)并影響自身免疫性腦脊髓炎發(fā)展。

2.2 神經(jīng)-內(nèi)分泌途徑 腸道菌群與5-羥色胺（5-Hydroxytryptamine，5-HT）、γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）等神經(jīng)內(nèi)分泌活性物質(zhì)的合成緊密相關(guān)，并在CNS 發(fā)育和突觸形成過程中發(fā)揮作用。孢子形成梭菌等腸道細(xì)菌可使色氨酸羥化酶表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)5-HT 的合成。另外，次級(jí)膽汁酸也可以介導(dǎo)腸道菌群對(duì)宿主5-HT 合成產(chǎn)生影響。在CNS中，5-HT通過腸道炎癥反應(yīng)和自主神經(jīng)傳入活動(dòng)而影響腸-腦軸信號(hào)，調(diào)節(jié)神經(jīng)元分化、遷移以及軸突生長、髓鞘形成和突觸形成，進(jìn)而影響大腦皮層神經(jīng)元成熟，促進(jìn)大腦皮質(zhì)發(fā)育并調(diào)節(jié)情緒及認(rèn)知等生理過程。動(dòng)物和臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選擇性5-HT再攝取抑制劑可減少大腦β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）的產(chǎn)生。這表明增加機(jī)體5-HT水平可有效減少Aβ斑塊的形成，從而降低AD 風(fēng)險(xiǎn)；而GF小鼠血清及大腦5-HT濃度降低可能是導(dǎo)致其認(rèn)知功能障礙的重要原因之一[12]。

GABA 可以由乳酸桿菌、雙歧桿菌等菌株在谷氨酸脫羧酶作用下使谷氨酸脫羧基產(chǎn)生，是人類CNS的多功能神經(jīng)遞質(zhì)，可產(chǎn)生神經(jīng)抑制性作用[13]，并調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)分泌，建立或重組突觸[14]。GABA代謝障礙可能導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙。腸道菌群紊亂時(shí)，乳酸桿菌和雙歧桿菌等菌屬減少，腸道內(nèi)GABA 表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致CNS 中GABA 減少而誘發(fā)AD。對(duì)AD病人死后研究發(fā)現(xiàn)其額葉、顳葉和頂葉皮層GABA水平降低也證實(shí)了這一點(diǎn)[15]。

BDNF 可以預(yù)防神經(jīng)元損傷和死亡，改善神經(jīng)元的病理狀態(tài)，促進(jìn)受損神經(jīng)元的軸突再生。在沒有腸道細(xì)菌的情況下，GF 小鼠HPAA 發(fā)育異常，海馬區(qū)BDNF表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致應(yīng)激反應(yīng)改變，可引起嚴(yán)重的神經(jīng)炎癥和焦慮樣行為。BDNF 表達(dá)顯著降低的GF 小鼠伴有認(rèn)知功能障礙；而AD 病人大腦和血清BDNF水平也顯著降低。這些證據(jù)提示腸道菌群可能通過調(diào)節(jié)BDNF 的表達(dá)來影響宿主認(rèn)知，最終誘發(fā)AD。

2.3 自主神經(jīng)通路 迷走神經(jīng)（vagus nerve，VN）是自主神經(jīng)系統(tǒng)中副交感神經(jīng)的主要組成部分，腸道菌群可通過刺激VN 將腸道炎癥信號(hào)傳遞給CNS。激活VN具有明顯的抗炎作用，可以減輕腸道菌群引起的過度炎癥反應(yīng)。Mao 等[16]發(fā)現(xiàn)鼠李糖乳桿菌和脆弱類桿菌都能激活腸傳入神經(jīng)元，降低因應(yīng)激反應(yīng)升高的皮質(zhì)醇水平并誘導(dǎo)CNS的GABA受體表達(dá)的改變，減少小鼠焦慮樣行為；補(bǔ)充雙歧桿菌可以逆轉(zhuǎn)小鼠慢性結(jié)腸炎引起的焦慮樣行為；但這些效應(yīng)在切除VN的小鼠身上并不存在。研究表明，腸道菌群可以調(diào)節(jié)腸道外源性交感神經(jīng)：菌群耗竭將導(dǎo)致神經(jīng)轉(zhuǎn)錄因子c-Fos 表達(dá)上調(diào)，而定植在GF 小鼠體內(nèi)的細(xì)菌可抑制c-Fos在腸道交感神經(jīng)節(jié)中的表達(dá)，進(jìn)而影響CNS發(fā)育[17]。

2.4 免疫途徑 腸道菌群可以通過炎癥小體、Ⅰ型干擾素（Interferon-Ⅰ，IFN-Ⅰ）、核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）等免疫相關(guān)信號(hào)通路影響CNS。炎癥小體是由上游NOD 樣受體蛋白（NODlike receptor protein，NLRP）、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白和效應(yīng)因子caspase-1 組成的免疫復(fù)合物。NLRP1、NLRP3、NLRP6 等多種蛋白模式受體在炎癥激活中產(chǎn)生作用。炎癥小體激活使前caspase-1 的自動(dòng)裂解產(chǎn)生成熟的caspase-1，催化活化白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-1β、IL-18 等促炎因子表達(dá)，介導(dǎo)CNS炎癥[18]，產(chǎn)生抑郁和焦慮樣行為。腸道菌群在炎癥小體的激活過程中有重要調(diào)控作用。例如，腸源性SCFAs 可以通過與GPR43 和GPR109A 結(jié)合來激活腸道上皮細(xì)胞中的NLRP3 炎癥小體，進(jìn)而影響CNS。研究表明，GF 小鼠缺乏共生細(xì)菌會(huì)導(dǎo)致caspase-1組裝過程遭到破壞；同時(shí)，經(jīng)抗生素處理的小鼠炎性因子IL-18 表達(dá)下調(diào)[19]，由于缺乏caspase-1以及炎癥小體活性降低，其抑郁癥狀和焦慮樣行為將得到改善[20]。另外，移植NLRP3KO小鼠的腸道菌群可通過circHIPK2途徑調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞功能，抑制其抑郁癥狀[21]。

IFN-Ⅰ包括IFN-α、IFN-β等亞型，在CNS 星形膠質(zhì)細(xì)胞中，IFN-I 信號(hào)可通過AHR 和細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子2對(duì)CNS炎癥進(jìn)行調(diào)控。小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，嗜酸乳桿菌等腸道菌群可以誘導(dǎo)樹突狀細(xì)胞產(chǎn)生TLR2依賴性IFN-β，這種外源性IFN-Ⅰ可在血腦屏障受損時(shí)進(jìn)入CNS調(diào)控小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞，改變大腦認(rèn)知和行為功能。同時(shí)，腸道菌群可以通過IFN-I/AHR 軸影響CNS 炎癥，實(shí)現(xiàn)對(duì)多發(fā)性硬化癥（multiple sclerosis，MS）進(jìn)展的調(diào)控[7]。腸源性SCFAs與INF-Ⅰ結(jié)合成為AHR激動(dòng)劑，通過AHR介導(dǎo)機(jī)制對(duì)CNS炎癥的轉(zhuǎn)錄程序進(jìn)行調(diào)節(jié)，限制CNS 炎癥并改善自身免疫性腦脊髓炎。在MS 病人中，AHR激動(dòng)劑的循環(huán)水平降低，這提示飲食、代謝或腸道菌群提供的AHR激動(dòng)劑缺陷可能是MS發(fā)病的原因之一。腸道菌群紊亂激活先天免疫系統(tǒng)，經(jīng)NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)而影響CNS。經(jīng)抗生素處理的小鼠腸道菌群發(fā)生改變，其海馬區(qū)BDNF表達(dá)下調(diào)，進(jìn)而激活NF-κB通路，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的神經(jīng)炎癥和焦慮樣行為[22]。同樣，在小鼠結(jié)腸炎模型中，腸道菌群紊亂引起小腸和海馬區(qū)NF-κB表達(dá)上調(diào)，將導(dǎo)致其記憶功能障礙[23]。

此外，腸道菌群作為免疫系統(tǒng)中γδT 細(xì)胞和Treg 細(xì)胞等淋巴細(xì)胞的有效調(diào)節(jié)因子，可通過免疫細(xì)胞發(fā)揮其CNS調(diào)控功能。大腦中動(dòng)脈栓塞小鼠模型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腸道細(xì)菌定植可以活化小膠質(zhì)細(xì)胞，使γδT細(xì)胞表達(dá)IL-17等促炎因子[24]，激活炎癥反應(yīng)而加重缺血性腦損傷。Treg細(xì)胞具有分泌抗炎細(xì)胞因子IL-10并抑制缺血后CNS炎癥而起到神經(jīng)保護(hù)的作用[25]。高水平腸道細(xì)菌脂多糖會(huì)破壞血腦屏障完整性并直接穿過血腦屏障進(jìn)入CNS調(diào)節(jié)Treg細(xì)胞反應(yīng)，影響免疫調(diào)節(jié)而引發(fā)CNS炎性病變。

總之，越來越多的證據(jù)表明，腸道菌群參與人體多種病理生理過程，對(duì)機(jī)體健康具有重要作用。在微生物-腸-腦軸信號(hào)調(diào)控下，不同腸道菌群種屬將產(chǎn)生協(xié)同或拮抗作用，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)CNS 發(fā)育和CNS疾病的調(diào)控。研究腸道菌群與CNS 之間的關(guān)系，將有助于我們進(jìn)一步理解CNS 疾病，并為其治療方案提供新的思路和理論依據(jù)。但目前對(duì)于腸道菌群和CNS 相互作用的具體機(jī)制還不清楚，僅從有限的臨床試驗(yàn)和動(dòng)物模型中得出初步結(jié)論。腸道菌群通過何種具體機(jī)制影響CNS發(fā)育及相關(guān)疾??？CNS疾病又對(duì)腸道及腸道菌群帶來了哪些影響？補(bǔ)充腸道益生菌、益生元等方式能否作為CNS 疾病的有效治療方法？這些問題都有待進(jìn)一步研究。