腸道菌群與精神類疾病相關(guān)性研究進(jìn)展

謝雅靜，時(shí)曉敏，顏世敢，朱麗萍

[齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)生物工程學(xué)院，山東省微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250353]

腸道菌群對(duì)于宿主的健康有著重要作用，腸道菌群具有穩(wěn)定性和多樣性的特點(diǎn)。腸道菌群主要涉及硬壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)和梭桿菌門(Fusobacteria)，其中硬壁菌門和擬桿菌門占絕對(duì)優(yōu)勢(>98%)。按照其對(duì)宿主的作用可大致分為3類：與宿主共生的生理性細(xì)菌，如雙歧桿菌、乳酸桿菌；與宿主共棲的條件致病菌，如腸桿菌、腸球菌；病原菌，如變形桿菌、金黃色葡萄球菌[1]。在生理?xiàng)l件下，腸道菌群按一定的比例組合，各菌間互相制約，互相依存，在質(zhì)和量上形成一種生態(tài)平衡。腸道菌群具有顯著的宿主特異性，還易隨宿主內(nèi)外環(huán)境的變化而變化，當(dāng)其生理組合被破壞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生病理性組合，表現(xiàn)臨床癥狀，稱為腸道菌群失調(diào)。近年來，腸道菌群失調(diào)成為研究熱點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)各種疾病的發(fā)生均與腸道菌群失調(diào)存在關(guān)聯(lián)，如消化道疾病、過敏、心血管疾病、腎病、糖尿病、肥胖、免疫性疾病等多種疾病?，F(xiàn)有大量研究證實(shí)了腸道菌群失調(diào)與精神類疾病之間的關(guān)系，如抑郁癥、自閉癥、阿爾茨海默癥、人格分裂癥、帕金森病等[2]。

1 腸道菌群失調(diào)與精神類疾病的相關(guān)性研究

1.1 宏基因組學(xué)表征腸道菌群與精神類疾病的相關(guān)性腸道菌群調(diào)節(jié)宿主生理的許多方面，包括免疫系統(tǒng)的成熟和功能。此外，腸道微生物群調(diào)節(jié)大腦發(fā)育、功能和行為。腸道菌群宏基因組學(xué)顯示，重性抑郁障礙患者(major depressive disorder，MDD)、雙向情感障礙患者(bipolar disorder，BPD)、健康對(duì)照者(healthy controls，HC)之間的腸道菌群具有顯著差異。在MDD組和BPD組中，厚壁菌門和放線菌門的相對(duì)豐度增加，擬桿菌門的相對(duì)豐度減少。在屬水平上，MDD和BPD組與HC相比擬桿菌屬、梭菌屬、雙歧桿菌屬、奧斯卡菌屬和鏈球菌屬明顯增加。在種水平上，與BPD相比，MDD具有更高的普雷沃氏菌科豐富度，此外，梭桿菌科、長雙歧桿菌亞種、布拉特埃希氏菌DSM 4481和產(chǎn)酸克雷伯氏菌的豐度顯著增加[3]。研究精神分裂癥患者和健康對(duì)照者腸道微生物群，發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者的厚壁菌門豐度較低，雙歧桿菌、大腸桿菌和乳桿菌數(shù)量較少，乳酸菌群細(xì)菌數(shù)量有所增加，乳酸菌群細(xì)菌數(shù)量與精神分裂癥狀嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[4]。

1.2 糞菌移植驗(yàn)證腸道菌群與精神類疾病的相關(guān)性腸道微生物區(qū)系的改變可能導(dǎo)致精神類疾病的發(fā)生，針對(duì)微生物群的干預(yù)措施，如糞菌移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)，即將正常的腸道微生物群引入患病宿主，可能是一種治療選擇。FMT不僅逆轉(zhuǎn)了抑郁大鼠誘導(dǎo)的IL-6和TNF-α的升高，以及血清中5-HT水平的降低，還逆轉(zhuǎn)了抑郁大鼠誘導(dǎo)的γ-氨基丁酸(GABA)水平的下降[5]。另外，將患有自閉癥的人類供體的腸道微生物群移植到無菌(germ free，GF)小鼠體內(nèi)，小鼠大腦顯示出自閉癥相關(guān)基因的選擇性表達(dá)，同時(shí)GF小鼠表現(xiàn)出標(biāo)志性的自閉癥行為[6]。

用GF小鼠進(jìn)行的研究可以揭示腸道菌群對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)的影響。GF小鼠是一種強(qiáng)大的科學(xué)工具，可直接研究微生物群對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能和發(fā)育的影響。該模型的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以將已鑒定的細(xì)菌菌株(例如候選精神藥物)引入無菌動(dòng)物中，并與其他微生物隔離研究它們的作用。此外，可以通過移植人類患者的糞便菌群或從疾病的動(dòng)物模型中接種將GF小鼠的腸道菌群“人源化”[7]。因此可以研究給定細(xì)菌組合在疾病發(fā)病機(jī)理中的作用。Tab 1,2詳細(xì)說明了GF小鼠在沒有外源微生物的情況下長大后如何影響行為和神經(jīng)系統(tǒng)，證實(shí)了腸道菌群與精神健康的相關(guān)性。

2 常見精神疾病的腸道菌群研究進(jìn)展

2.1 抑郁癥抑郁癥(depressive disorder)為一種神經(jīng)心理性疾病，以心境低落、興趣和愉快感喪失、易疲勞為主要癥狀，因持久反復(fù)發(fā)作，嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)、工作及日常生活，出現(xiàn)情緒低落、興趣缺乏以及意志行為減退的“三低”神經(jīng)性癥狀，同時(shí)軀體會(huì)出現(xiàn)慢性器質(zhì)性疼痛，具有高患病率、高復(fù)發(fā)率以及高自殺率等特征[8]。

抑郁癥的病因尚無定論，大量研究提示，其與遺傳因素、神經(jīng)生化因素和心理社會(huì)因素有關(guān)。越來越多的研究表明，腸道菌群的失調(diào)與抑郁癥有關(guān)。在最近的研究中發(fā)現(xiàn)，抑郁小鼠與對(duì)照小鼠的腸道菌群有明顯差異，23個(gè)細(xì)菌類群在對(duì)照組和抑郁小鼠中最多，6個(gè)細(xì)菌類群在抑郁小鼠中最多。對(duì)照小鼠和抑郁小鼠中差異最大的細(xì)菌類群為異形體屬和瘤胃球菌科[9]。另外，通過對(duì)46名抑郁癥患者和30名匹配的健康對(duì)照者的76份糞便樣本進(jìn)行焦磷酸測序，發(fā)現(xiàn)抑郁組較對(duì)照組的腸道微生物組成有顯著差異，在門水平上，厚壁菌門、類桿菌門、變形桿菌門顯著增加；科水平上，阿西達(dá)米球菌科、腸桿菌科、梭菌科、卟啉單胞菌科和雷士菌科顯著升高，桿狀菌科、白藜蘆科、乳螺科、普氏菌科、反芻菌科和韋氏菌科顯著低于對(duì)照組[10]。越來越多的研究證明，腸道菌群與抑郁癥之間存在高度聯(lián)系，同時(shí)對(duì)其發(fā)病機(jī)制的研究不斷深入。

Tab 1 The germ-free behavioral profile

Tab 2 The germ-free physiological profile

2.2 自閉癥自閉癥也稱孤獨(dú)癥，是一種彌漫性中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙性疾病，與阿斯伯格綜合征、童年瓦解性障礙及其他待分類的廣泛發(fā)育障礙等疾病統(tǒng)稱為自閉癥譜系障礙 (autism spectrum disorder，ASD)。患者出現(xiàn)語言溝通、發(fā)育障礙和動(dòng)作遲緩三大癥狀。ASD起病于嬰幼兒期，以男性多見，主要表現(xiàn)為不同程度的言語發(fā)育障礙、社交障礙、興趣范圍狹窄和行為方式重復(fù)刻板[11]。

與健康對(duì)照者相比，ASD患者具有不同的腸道菌群的組成和不同的腸道代謝組。在ASD患者中觀察到產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)的擬桿菌門豐度較高。此外，產(chǎn)生潛在毒性代謝產(chǎn)物(如苯酚和對(duì)甲酚)的雙歧桿菌豐度降低且梭狀芽胞桿菌屬水平升高。腸道微生物代謝產(chǎn)物如對(duì)甲酚和SCFAs的改變與ASD癥狀有關(guān)，可能導(dǎo)致ASD患者腸道中血清素含量的增加和腦部血清素合成的減少。ASD患者腸道菌群多樣性也存在差異，腸道菌群組成的改變會(huì)影響免疫系統(tǒng)，炎癥和新陳代謝，從而增加患ASD的風(fēng)險(xiǎn)[12]。18名自閉癥兒童在接受了為期2周的抗生素治療后，隨后接受了糞菌移植，移植持續(xù)7～8周，最終在一定程度上改善了自閉癥的核心癥狀(例如社交技能缺陷和重復(fù)行為)，糞菌移植還增加了ASD患者的總體細(xì)菌多樣性和有益微生物的豐富性[13]。以上研究表明了腸道菌群與自閉癥之間的高度聯(lián)系。

2.3 阿爾茨海默病阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是在記憶、認(rèn)知等方面存在嚴(yán)重缺陷的常見神經(jīng)退行性疾病。老年人發(fā)生率較高，其主要表現(xiàn)是出現(xiàn)認(rèn)知功能障礙、記憶力減退、行為異常、人格失常，最后甚至出現(xiàn)癡呆癥狀。AD發(fā)病機(jī)制包括β-淀粉樣蛋白過度聚集、Tau蛋白過度磷酸化導(dǎo)致的神經(jīng)原纖維纏結(jié)、神經(jīng)炎癥、糖基化終產(chǎn)物與其受體晚期糖基化終產(chǎn)物相互作用導(dǎo)致的腦細(xì)胞損傷等，AD患者的腸道菌群失衡導(dǎo)致外周血液中苯丙氨酸和異亮氨酸異常增加，進(jìn)而誘導(dǎo)外周促炎性Th1細(xì)胞的分化和增殖，并促進(jìn)其腦內(nèi)侵潤。侵潤入腦的Th1細(xì)胞和腦內(nèi)固有的M1型小膠質(zhì)細(xì)胞共同活化，導(dǎo)致相關(guān)神經(jīng)炎癥的發(fā)生[14]。

采用APPs/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠模型評(píng)估認(rèn)知障礙、腦內(nèi)β-淀粉樣蛋白沉積和Tau磷酸化、突觸可塑性以及神經(jīng)炎癥。用16S rRNA測序和核磁共振氫譜分析腸道微生物區(qū)系及其代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸(SCFAs)。結(jié)果表明，F(xiàn)MT治療可以改善APPs/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠的認(rèn)知功能障礙，減少β-淀粉樣蛋白的腦沉積，伴隨著Tau蛋白磷酸化的降低，同時(shí)FMT處理逆轉(zhuǎn)了腸道微生物區(qū)系和SCFAs的變化[15]。在無菌AD小鼠模型中，具有常規(guī)菌群或常規(guī)AD菌群的FMT導(dǎo)致其病理學(xué)表現(xiàn)明顯，后者表現(xiàn)出更強(qiáng)的作用。另外，與健康對(duì)照小鼠的糞便相比，在接受AD糞便的老年小鼠中，與神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)的糞便代謝產(chǎn)物含量降低(如GABA)，認(rèn)知功能下降。另外，AD治療新型藥物GV-971通過重塑腸道菌群平衡、降低外周相關(guān)代謝產(chǎn)物苯丙氨酸/異亮氨酸的積累，減輕腦內(nèi)神經(jīng)炎癥，進(jìn)而改善認(rèn)知障礙，達(dá)到治療AD的效果[16]。以上研究表明，腸道菌群與阿爾茨海默癥之間的高度聯(lián)系。

2.4 人格分裂癥精神分裂癥(schizophrenia)是一種嚴(yán)重的精神疾病，起病于青壯年，病因未明，預(yù)后差，易復(fù)發(fā)，復(fù)發(fā)導(dǎo)致癥狀惡化，嚴(yán)重影響社會(huì)功能，給家庭和社會(huì)造成嚴(yán)重影響。精神分裂癥患者常伴有幻覺、妄想和思想障礙，精神分裂癥的病因尚未闡明，受遺傳和環(huán)境等多因素共同影響[17]。

研究發(fā)現(xiàn)，移植精神分裂癥患者糞便誘導(dǎo)了GF小鼠的精神分裂癥相關(guān)行為，并伴隨著海馬區(qū)谷氨酸、谷氨酰胺和GABA水平的改變。精神分裂癥患者腸道微生物區(qū)系在屬水平上表現(xiàn)出更高的α多樣性，在種水平上表現(xiàn)出更高的β多樣性。另外，精神分裂癥患者腸道菌群中含有多種兼性厭氧菌，如發(fā)酵乳桿菌、屎腸球菌、奧蘭嗜堿桿菌、圖里克斯菌等，這些菌在健康人腸道中是罕見的[18]。通過鳥槍宏基因組測序和16SrRNA測序，預(yù)測了精神分裂癥患者和健康對(duì)照者的腸道微生物群相關(guān)表位，發(fā)現(xiàn)與健康對(duì)照組相比，精神分裂癥患者的腸道菌群豐度明顯降低?；趦呻A段宏基因組關(guān)聯(lián)研究，發(fā)現(xiàn)19種腸道菌群與精神分裂癥有關(guān)，谷氨酸合酶(GOGAT)在精神分裂癥患者的腸道中比在健康對(duì)照組中更活躍，高GOGAT活性與腸道IgA水平相關(guān)的腸道微生物群的改變有關(guān)[19]。以上研究表明腸道微生物區(qū)系精神分裂癥之間存在著密切的聯(lián)系。

2.5 帕金森病帕金森病(Parkinson′s disease，PD)又稱震顫麻痹，是一種好發(fā)于中老年人的神經(jīng)退行性疾病。常見的臨床表現(xiàn)為靜止性震顫、動(dòng)作遲緩和肌強(qiáng)直、肌張力增高等運(yùn)動(dòng)性癥狀，同時(shí)伴隨認(rèn)知障礙、嗅覺障礙、睡眠障礙、胃功能紊亂等自主神經(jīng)非運(yùn)動(dòng)癥狀。其最主要的病理改變是中腦黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元的變性、缺失和α-突觸核蛋白異常折疊或聚集形成的路易士小體[20]。

PD患者的腸道微生物群組成和代謝組與健康個(gè)體不同。研究發(fā)現(xiàn)PD患者于年齡匹配的對(duì)照者相比，PD患者中布拉氏菌、糞球菌、玫瑰菌、變形菌的豐度增加，同時(shí)糞腸球菌、前腸桿菌科豐度下降，且腸桿菌科水平與姿勢不穩(wěn)和步態(tài)艱難的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，PD患者糞便的普雷沃菌大量減少，而艾克曼菌增加[21]。另外，通過對(duì)65例PD患者進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)PD患者糞便樣本中類桿菌、變形菌和疣微菌明顯增加；與健康對(duì)照個(gè)體相比，PD病患者的黏膜乳酸桿菌科明顯減少，草酸桿菌科顯著增加，糞便厚壁菌門顯著減少；此外，在PD患者中發(fā)現(xiàn)了更多的促炎性腸道細(xì)菌，例如產(chǎn)生LPS的變形菌，以及較少的產(chǎn)生抗炎性丁酸鹽的腸道細(xì)菌[22]。以上研究可表明腸道菌群與PD病存在聯(lián)系。

3 腸道菌群失調(diào)引發(fā)精神疾病的機(jī)制

嚴(yán)重的精神障礙，包括重性抑郁癥、雙相情感障礙和精神分裂癥等，被列為全球最重要的致殘?jiān)?。它們代表具有多維精神病理學(xué)和重疊診斷邊界的復(fù)雜表型。壓力在嚴(yán)重精神疾病的病因和進(jìn)展中起著重要作用，機(jī)體產(chǎn)生壓力會(huì)激活下丘腦-垂體-腎上腺軸(hypothalamic pituitary-adrenal axis，HPA)和交感神經(jīng)系統(tǒng)，進(jìn)而適應(yīng)環(huán)境需求。然而無效應(yīng)對(duì)壓力的情況下，機(jī)制的過度激活可能會(huì)引發(fā)產(chǎn)生有害影響的全身性生物學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)精神和情緒障礙，例如HPA軸功能障礙[23]。

腸道菌群對(duì)腦功能的影響越來越受到關(guān)注，腸道菌群與腸道和腦之間進(jìn)行著密切的信息交流，行為和情緒的調(diào)控方式有了全新和更全面的認(rèn)識(shí)，近年來HPA軸的概念擴(kuò)展為腦-腸-微生物群軸(microbial brain gut axis，MBGA)。腸道菌群是腸-腦軸的主要組成部分，該軸包括腸道和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間進(jìn)行交流的各種途徑。腸道菌群通過多種微生物信號(hào)傳導(dǎo)途徑與大腦保持恒定的雙向通訊，包括神經(jīng)分泌和內(nèi)分泌等途徑，參與腸道菌群到大腦的信號(hào)傳導(dǎo)，并且響應(yīng)腸道菌群或大腦的改變來調(diào)節(jié)這種通訊，而大腦又可以通過自主神經(jīng)系統(tǒng)改變微生物的組成和行為[24]。

3.1 迷走神經(jīng)途徑微生物群、腸道和大腦通過MGBA軸以雙向方式進(jìn)行通信，這種方式涉及神經(jīng)系統(tǒng)。迷走神經(jīng)傳入纖維分布在消化壁的所有層，但不穿過上皮層，它們不與腸道菌群直接接觸。因此，這些纖維只能通過細(xì)菌化合物或代謝物的擴(kuò)散，或者由位于上皮中的其他傳遞細(xì)胞信號(hào)的細(xì)胞而間接地檢測微生物信號(hào)[25]。腸內(nèi)分泌細(xì)胞(EEC)占腸道上皮細(xì)胞的1%。EEC和迷走神經(jīng)傳入之間的相互作用是在腸化學(xué)傳感的界面上。EEC通過釋放位于迷走神經(jīng)傳入纖維上的5-HT活化5-HT受體。迷走神經(jīng)還可以通過腸道菌群產(chǎn)生的SCFAs直接傳感微生物群信號(hào)，如長油酸油酸酯通過縮膽囊素介導(dǎo)的機(jī)制作用于迷走神經(jīng)傳入，而丁酸短脂肪酸則具有直接作用。在傳入終端上，Toll樣受體4 (TLR4)在迷走神經(jīng)傳入纖維上表達(dá)，這些纖維可以感知細(xì)菌產(chǎn)物(如LPS)來激活大腦[26]。

3.2 內(nèi)分泌途徑腸道被認(rèn)為是人體內(nèi)最大的內(nèi)分泌器官。腸道菌群可通過HPA軸作用于腸內(nèi)細(xì)胞。腸道菌群有助于增加細(xì)胞因子的釋放和小的生物活性分子的合成。反過來，某些細(xì)胞因子，如IL-1、IL-6和TNF-α?xí)┻^血腦屏障，成為HPA軸的有效激活劑，此外，腸道菌群還可通過釋放脂多糖和肽聚糖來激活HPA軸。大腸桿菌可以產(chǎn)生模仿α-黑素蛋白(α-MSH)的Clp-β蛋白，而α-MSH可以刺激前黑素皮質(zhì)素的釋放，進(jìn)而促進(jìn)促腎上腺皮質(zhì)激素的合成。另外，細(xì)菌在消化碳水化合物過程中產(chǎn)生SCFAs可穩(wěn)定腸道完整性和下調(diào)免疫炎癥過程而對(duì)腸道環(huán)境產(chǎn)生多種有益作用[23]，SCFAs能夠穿過血腦屏障降低小膠質(zhì)細(xì)胞的活性，從而緩解局部炎癥。研究還表明，SCFAs可以減少編碼HPA軸中涉及的蛋白質(zhì)的基因的表達(dá)。

3.3 免疫途徑腸道菌群可通過對(duì)人體免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)刺激各種細(xì)胞因子進(jìn)而影響宿主大腦的生理活動(dòng)。巨噬細(xì)胞通過TLR和Nod樣受體(NLR)產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子IL-1β，IL-1β的釋放激活先天淋巴細(xì)胞(innate lymphoid cells，ILCs)產(chǎn)生粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子和IL-2，從而維持調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)穩(wěn)態(tài)，誘導(dǎo)Treg細(xì)胞的增加，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中CD4+T細(xì)胞產(chǎn)生IL-4含量升高，進(jìn)而恢復(fù)神經(jīng)元組織穩(wěn)態(tài)，表明2型輔助性T細(xì)胞(TH2)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷中具有神經(jīng)保護(hù)作用[27]，另外，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，對(duì)大腦發(fā)育和體內(nèi)平衡至關(guān)重要。小膠質(zhì)細(xì)胞是大腦中最豐富的常駐免疫細(xì)胞，占神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的5%～20%，它的功能包括吞噬作用、抗原呈遞、細(xì)胞因子產(chǎn)生和炎癥反應(yīng)的激活等。精神類疾病的產(chǎn)生可能會(huì)導(dǎo)致其功能障礙。在損傷后和疾病中進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的外周免疫細(xì)胞可能直接影響小膠質(zhì)細(xì)胞的功能。除小膠質(zhì)細(xì)胞外，星形膠質(zhì)細(xì)胞是參與維護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)健康和疾病的主要膠質(zhì)細(xì)胞，為形成血腦屏障的內(nèi)皮細(xì)胞提供支持，并通過抗原呈遞以及細(xì)胞因子和趨化因子的產(chǎn)生在CNS發(fā)育和炎癥中發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用，還可釋放IL-1、IL-33以激活小膠質(zhì)細(xì)胞突觸吞噬和神經(jīng)回路發(fā)育[28]。

4 總結(jié)與展望

以上研究證實(shí)了腸道菌群失調(diào)與精神健康之間的關(guān)系，并且也對(duì)其可能地發(fā)生機(jī)制“微生物-腸-腦軸”進(jìn)行了簡單介紹，但是就其精神疾病的研究還需不斷深入。目前臨床上對(duì)上述精神類疾病的治療主要依靠益生菌治療法和糞便微生物移植法(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)，后者在臨床上取得了一定成效，感染艱難梭菌患者在接受糞便移植治療后，治愈率達(dá)到94%[29]，表明腸道菌群的改變對(duì)“微生物-腦-腸軸”功能有影響；但是，比較遺憾的是，國內(nèi)目前缺乏大規(guī)模的臨床研究，同時(shí)該類實(shí)驗(yàn)無法準(zhǔn)備的考慮到人類腸道菌群的復(fù)雜性和多樣性，對(duì)于個(gè)體差異無法進(jìn)行更多的深究，因此，在今后的研究中還可結(jié)合代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、微生物組學(xué)等手段，以便進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘[30]。