微生物-腸道-腦軸在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展*

吳依凡 綜述，杜東霖，孫曉川 審校

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科 400016)

微生物-腸道-腦軸(microbiota-gut-brain axis,MGBA)作為一個(gè)新興的名詞在過(guò)去10年內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)，并于近年來(lái)迅速成為研究熱點(diǎn)[1-2]。所謂MGBA，即腸道內(nèi)存在大量微生物與宿主共存，稱為共生微生物群，該類(lèi)微生物群可直接或間接參與調(diào)節(jié)交感神經(jīng)興奮性、副交感神經(jīng)乙酰膽堿的釋放、產(chǎn)生類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)(如多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素、組胺、血清素等生物胺[3])、調(diào)控免疫細(xì)胞(T淋巴細(xì)胞及調(diào)節(jié)性T淋巴細(xì)胞[4])、激活炎癥因子，甚至是通過(guò)其代謝產(chǎn)物影響宿主顱腦正常生理活動(dòng)，包括腦功能、情緒、認(rèn)知功能，甚至是宿主的行為[5]。還有研究表明，孕婦體內(nèi)細(xì)菌代謝產(chǎn)物(細(xì)菌肽聚糖)可通過(guò)胎盤(pán)影響胎兒神經(jīng)發(fā)育及認(rèn)知功能[6]。不僅如此，腸道共生菌群的多樣性對(duì)嬰兒的神經(jīng)發(fā)生同樣也具有重要的調(diào)節(jié)作用[7]。本文總結(jié)了腸道共生菌群和神經(jīng)系統(tǒng)疾病之間潛在聯(lián)系的機(jī)制及關(guān)聯(lián)的多樣性，而這些聯(lián)系可能有助于更明確地揭開(kāi)MGBA的神秘面紗。

1 MGBA與神經(jīng)系統(tǒng)的聯(lián)系

近年來(lái)，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，MGBA具有“雙向性”，完美地整合了宿主腸道和大腦活動(dòng)，即大腦通過(guò)調(diào)控胃腸道及免疫功能，完善并影響腸道生理及共生微生物的構(gòu)成[8]，迄今已有多種證據(jù)表明，嚙齒動(dòng)物大腦可調(diào)節(jié)內(nèi)臟敏感性，以及腸道運(yùn)動(dòng)、分泌、通透性等；而腸道微生物通過(guò)神經(jīng)活性化合物作用于大腦[9]。最近一項(xiàng)研究表明，腸道共生菌源性代謝植酸和肌醇三磷酸調(diào)節(jié)組蛋白去乙酰化酶3(histone deacetylase 3，HDAC3)能保護(hù)小鼠腸道上皮細(xì)胞修復(fù)，從而驗(yàn)證了HDAC3是校準(zhǔn)宿主對(duì)微生物信號(hào)反應(yīng)的收斂表觀遺傳傳感器[10]，這無(wú)疑從表觀遺傳學(xué)層面揭示了宿主和益生菌的共同進(jìn)化導(dǎo)致宿主-微生物共生關(guān)系的發(fā)展。有學(xué)者在探討微生物與社會(huì)腦的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)“宿主-微生物”關(guān)系可能通過(guò)MGBA內(nèi)源的一系列極其復(fù)雜的機(jī)制影響著社會(huì)腦和行為的進(jìn)化[11]。這些結(jié)論從遺傳與進(jìn)化角度間接為MGBA的探索開(kāi)拓了更為廣闊的空間。

腸道共生菌群除參與宿主神經(jīng)系統(tǒng)的生理活動(dòng)外，還通過(guò)MGBA對(duì)多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。早期研究發(fā)現(xiàn)，功能性胃腸疾病與焦慮、抑郁，甚至是認(rèn)知障礙等功能性神經(jīng)疾病相互影響[9，12]。病理狀態(tài)下腸道微生物的組成與生理狀態(tài)時(shí)的菌群組成有明顯差異，且在不同疾病及同種疾病的不同時(shí)期均存在其共性和特異性[13]。腦卒中患者糞便中細(xì)菌多樣性升高，而阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)患者糞便中細(xì)菌多樣性降低；但二者擬桿菌門(mén)細(xì)菌均減少，反之，反芻乳酸菌增多[4]。當(dāng)針對(duì)性差異處理腸道菌群后患者預(yù)后便產(chǎn)生明顯變化。聯(lián)用萬(wàn)古霉素和氨芐西林抑制腸道菌群對(duì)腦卒中小鼠神經(jīng)元具有保護(hù)作用[13]；將無(wú)特異性病原體小鼠糞便移植入無(wú)菌小鼠腸道從而逆轉(zhuǎn)了無(wú)菌小鼠血腦屏障缺陷[14]。

2 AD

AD是一種呈漸進(jìn)性加重的神經(jīng)退行性病變，表現(xiàn)為早期學(xué)習(xí)和記憶障礙，隨之可出現(xiàn)語(yǔ)言和視覺(jué)空間功能、執(zhí)行功能及社會(huì)行為等方面的障礙[15]。其經(jīng)典的病理特征為細(xì)胞外β淀粉樣蛋白(amyloid beta peptide，Aβ)沉積并形成神經(jīng)炎斑塊，細(xì)胞內(nèi)高度異常磷酸化Tau蛋白蓄積形成神經(jīng)原纖維纏結(jié)[16]。

目前的研究普遍認(rèn)為，AD發(fā)病機(jī)制包括神經(jīng)炎癥、免疫介質(zhì)激活和氧化應(yīng)激[17-18]。近年來(lái)，也有學(xué)者提出“傳染性假說(shuō)”，即顱內(nèi)細(xì)菌感染誘導(dǎo)機(jī)體抗菌防御機(jī)制的激活——Aβ纖維化[19]。小鼠腦實(shí)質(zhì)內(nèi)接種沙門(mén)菌所引起的細(xì)菌性腦脊髓炎可誘導(dǎo)Aβ產(chǎn)生；老年AD患者糞便微生物組中引起促炎條件的類(lèi)群豐度較高，并與Aβ的產(chǎn)生具有相關(guān)性。這些證據(jù)均提示腸道微生物群與AD病理進(jìn)程的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系緊密。CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(CCTTA enhancer binding proteins,C/EBPs)家族可促進(jìn)腸道微生物失調(diào)的5XFAD轉(zhuǎn)基因小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)炎癥介質(zhì)的生成和釋放，進(jìn)而通過(guò)C/EBPβ天冬酰胺內(nèi)肽酶(C/EBPβ/AEP)信號(hào)軸促進(jìn)Aβ和高度異常磷酸化Tau蛋白沉積；慢性抗生素或富含R13益生元的干預(yù)可抑制該炎癥通路的激活，緩解AD病理進(jìn)展[20]。

事實(shí)證明，影響AD發(fā)病的炎癥介質(zhì)絕不僅存于顱內(nèi)，全身急、慢性炎癥均會(huì)對(duì)認(rèn)知功能產(chǎn)生影響并加速病變過(guò)程，原因可能是血腦屏障(blood-brain barrier，BBB)的功能缺失，如腸道菌群產(chǎn)生內(nèi)毒素破壞BBB完整性，進(jìn)而使炎癥因子浸潤(rùn)及微生物衍生代謝物(如苯丙氨酸或異亮氨酸)產(chǎn)生促炎作用[21]。革蘭陰性菌產(chǎn)生的脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)可通過(guò)激活炎癥通路中的核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)降低補(bǔ)體因子H的表達(dá)[22]或促進(jìn)微小RNA-146a表達(dá)，從而啟動(dòng)慢性免疫反應(yīng)，最終促進(jìn)AD進(jìn)展。但共生菌群似乎存在一個(gè)自身的“穩(wěn)態(tài)”系統(tǒng)，即某些腸道益生菌可修復(fù)已被內(nèi)毒素破壞的BBB通透性，而其缺失同樣可以造成BBB功能受損[12，23]。

3 帕金森病(Parkinson′s disease,PD)

作為神經(jīng)退行性變的家族成員PD被定義為一種進(jìn)行性運(yùn)動(dòng)障礙，包括運(yùn)動(dòng)遲緩、強(qiáng)直、震顫及嚴(yán)重的非運(yùn)動(dòng)障礙表現(xiàn)。PD潛伏期長(zhǎng)，表現(xiàn)為嗅覺(jué)缺失、便秘、睡眠障礙等[24]。其典型的病理改變包括大腦黑質(zhì)和紋狀體多巴胺能神經(jīng)元丟失，以及神經(jīng)元和軸突內(nèi)Lewy小體(由多種蛋白質(zhì)如α-synuclein-positive組成的蛋白質(zhì)集合體)形成[25]。

最新研究發(fā)現(xiàn)，在PD的典型病理改變中，Lewy小體內(nèi)的α-synuclein表達(dá)于腸內(nèi)神經(jīng)元和腸內(nèi)分泌細(xì)胞，有學(xué)者猜想，PD病理可能起源于腸道[26]。而將α-synuclein FPP注入嚙齒動(dòng)物腸道示蹤發(fā)現(xiàn)，其可通過(guò)迷走神經(jīng)擴(kuò)散入腦組織，切斷迷走神經(jīng)可阻斷其傳播通路，從而降低患PD的風(fēng)險(xiǎn)[27]。這些發(fā)現(xiàn)無(wú)疑將腸道微生物與PD通過(guò)MGBA更為緊密地聯(lián)系在一起。同樣，越來(lái)越多證據(jù)提示，腸道微生物的失調(diào)，包括腸道微生物的定性和定量變化均可能是PD的危險(xiǎn)因素之一，并與其疾病進(jìn)展密切相關(guān)[28]。

益生菌作為一類(lèi)腸道定植菌也可以參與抵御有害微生物(競(jìng)爭(zhēng)排斥)、產(chǎn)生短鏈脂肪酸(SCFA，腸道微生物發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生的代謝副產(chǎn)物)，如小鼠通過(guò)口服腸道內(nèi)的酪酸梭菌可逆轉(zhuǎn)腸道微生物失調(diào)，進(jìn)而改善運(yùn)動(dòng)缺陷、多巴胺能神經(jīng)元丟失、突觸功能障礙及抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的激活，并降低結(jié)腸及腦組織內(nèi)胰高血糖素樣肽-1受體水平[28]。一項(xiàng)針對(duì)PD患者與正常老年人腸道微生物的差異性回顧性研究結(jié)果顯示，PD患者腸道內(nèi)可產(chǎn)生丁酸鹽的腸道微生物豐度較對(duì)照組明顯下降，但該研究中強(qiáng)調(diào)腸道菌群的“豐度”而并非是“多樣性”[29]；而丁酸鹽可能通過(guò)介導(dǎo)腸道屏障完整性和神經(jīng)免疫機(jī)制改變腸道通透性及MGBA通訊，進(jìn)而導(dǎo)致PD患者腸道內(nèi)普雷沃菌科和益生菌種水平下降[26]。同樣，作為腸道菌群代謝產(chǎn)物的內(nèi)毒素——LPS可介導(dǎo)BBB功能障礙，從而激活核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體3(NLRP3)炎癥小體，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體功能障礙、白細(xì)胞介素-1β表達(dá)及胰島素抵抗，最終導(dǎo)致神經(jīng)功能的損傷和PD的發(fā)病[27，30]。事實(shí)證明，PD患者糞便中參與LPS生物合成的基因明顯增多，而參與代謝的基因明顯減少[27]。

4 創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury,TBI)

TBI的致死、致殘率極高，在過(guò)去10年中不斷攀升的發(fā)病率使其成為危及人類(lèi)健康的全球性問(wèn)題[31]。TBI可分為原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷，其中繼發(fā)性損傷可通過(guò)炎性反應(yīng)、鈣離子超載、BBB通透性改變等一系列病理生理過(guò)程，最終導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡[32]。

近年來(lái)，隨著對(duì)MGBA研究的不斷深入，已逐漸接受并發(fā)現(xiàn)腸道微生物不僅可影響神經(jīng)退行性變相關(guān)慢性疾病的發(fā)生、發(fā)展，而且參與了繼發(fā)性腦損傷的病理進(jìn)程。目前，較為被接受的是腸道菌群與繼發(fā)性腦損傷相互影響的通路為迷走神經(jīng)傳導(dǎo)的神經(jīng)信號(hào)、腸道激素相關(guān)的神經(jīng)-內(nèi)分泌軸、神經(jīng)免疫及炎癥因子相關(guān)通路[33-35]。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，小鼠在TBI早期便可通過(guò)激活交感神經(jīng)增加腸道通透性，最終使腸道微生物發(fā)生改變和移位，如嘉斯利乳桿菌、普雷沃菌科減少，而舒爾茨真桿菌、消化球菌科增加[36]。此外，腸道菌群還可通過(guò)TBI后免疫通路激活介導(dǎo)而發(fā)生轉(zhuǎn)移，所謂“腸道屏障”除阻擋腸道微生物入侵腸道黏膜外，還包括固有層潘氏細(xì)胞免疫細(xì)胞分泌的抗菌肽[37]。TBI可導(dǎo)致高遷移率球蛋白B1釋放，進(jìn)而與腸上皮的受體CD24結(jié)合，抑制Paneth細(xì)胞釋放抗菌肽，促進(jìn)炎性反應(yīng)，并可結(jié)合NF-κB信號(hào)通路最終破壞腸道微生物穩(wěn)態(tài)[38]。

5 小結(jié)與展望

MGBA這一概念的出現(xiàn)將腸道菌群失調(diào)與神經(jīng)系統(tǒng)疾病有機(jī)地結(jié)合在一起，并在近年來(lái)的基礎(chǔ)研究和臨床研究中取得重大發(fā)現(xiàn)，尤其是在神經(jīng)退行性變領(lǐng)域，如AD、PD、自身免疫性脫髓鞘、自閉癥譜系障礙、多發(fā)性硬化和癲癇，甚至TBI及抑郁、焦慮等神經(jīng)心理疾病[39-40]。而其關(guān)鍵性機(jī)制大多與腸道屏障和BBB的完整性有著密切關(guān)聯(lián)，甚至可以將其稱為“屏障缺陷性疾病”；而消化道生態(tài)失調(diào)和“屏障缺陷”為腸道微生物源性神經(jīng)毒素的跨界運(yùn)輸提供了重要的通道，即從全身炎癥到中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥及免疫激活，最終發(fā)展成為神經(jīng)系統(tǒng)病變。

然而，現(xiàn)有對(duì)于腸道菌群影響神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展的研究，多以現(xiàn)象性描述及回顧性研究為主，缺少關(guān)鍵機(jī)制的研究和大樣本前瞻性研究。未來(lái)的研究應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注腸道菌群失調(diào)通過(guò)MGBA影響神經(jīng)系統(tǒng)疾病的機(jī)制及單一菌種對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的特異性影響。