腦-腸軸神經(jīng)解剖及信號傳導(dǎo)在腸道疾病中的研究進展

張慧暉，劉 佳，楊 蕓，詹 學(xué)，李中躍，陳 潔，周小勤*

1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院消化科;兒童發(fā)育疾病研究教育部重點實驗室;國家兒童健康與疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心;兒童發(fā)育重大疾病國家國際科技合作基地;兒科學(xué)重慶市重點實驗室(重慶 400014) 2.成都市婦女兒童中心醫(yī)院(四川 成都 610000) 3.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院兒科研究所；兒童發(fā)育疾病研究教育部重點實驗室;國家兒童健康與疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心;兒童發(fā)育重大疾病國家國際科技合作基地;兒童營養(yǎng)與健康重慶市重點實驗室(重慶 400014)

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一種慢性、非特異性、復(fù)發(fā)性的腸道炎癥性疾病，以腹痛、腹瀉和粘液血便為主要癥狀，包括潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis，UC)和克羅恩病(Crohn’s disease，CD)。近年來，IBD發(fā)病率逐年上升，根據(jù)中國疾病預(yù)防控制中心的數(shù)據(jù)，中國2005-2014年間IBD病例總數(shù)約為35萬(0.54～3.14/10萬人)，預(yù)計2025年達150萬[1]。IBD的發(fā)病機制尚不明確，目前尚無治愈方法，因具有反復(fù)發(fā)作、遷延不愈的特點，容易導(dǎo)致患者產(chǎn)生心理健康問題，對患者生活質(zhì)量造成巨大影響，給社會生產(chǎn)力和衛(wèi)生資源帶來沉重負(fù)擔(dān)。

IBD的病因可能與遺傳易感性、腸道菌群、腸粘膜屏障功能障礙、環(huán)境和飲食、精神心理等因素有關(guān)，其中腦-腸軸(brain-gut axis)介導(dǎo)的心理-神經(jīng)-內(nèi)分泌-免疫調(diào)節(jié)可能起關(guān)鍵作用[2]。腦-腸軸是神經(jīng)系統(tǒng)和胃腸道間進行溝通的雙向神經(jīng)體液信號交通系統(tǒng)，包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)、自主神經(jīng)系統(tǒng)(autonomic nervous system,ANS)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和腸道微環(huán)境，其中內(nèi)分泌系統(tǒng)主要由下丘腦-垂體-腎上腺軸(hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA)和胃腸內(nèi)分泌系統(tǒng)組成，腸道微環(huán)境主要包括腸道屏障、腸道菌群、腸道免疫應(yīng)答等[3]。目前主要研究觀點認(rèn)為[4-5]腦腸互動通過四大途徑進行相互聯(lián)系：傳統(tǒng)的神經(jīng)傳導(dǎo)、細(xì)胞因子傳遞免疫信號、腸道激素傳遞內(nèi)分泌信號，以及通過腸道微生態(tài)的傳遞作用，但具體機制并不完全清晰。本文就腦-腸軸中每部分進行解剖學(xué)、信號傳導(dǎo)及消化道疾病中的研究進展進行綜述。

1 CNS

一般認(rèn)為神經(jīng)系統(tǒng)對胃腸道的調(diào)控可通過3個層面進行，①局部作用：腸神經(jīng)系統(tǒng)局部調(diào)控；②中間橋梁：椎間神經(jīng)節(jié)接受腸神經(jīng)系統(tǒng)和CNS兩方面的信息調(diào)控；③高級調(diào)控：CNS各級中樞接受、整合并傳出調(diào)控信息，這3個層次相互影響，實現(xiàn)協(xié)調(diào)調(diào)控[6]。其中調(diào)控CNS可釋放神經(jīng)遞質(zhì)到達食管、胃及腸道，影響主要消化道結(jié)構(gòu)的分泌和運動功能[5]，有研究發(fā)現(xiàn)電刺激貓腦區(qū)的前乙狀回、后乙狀回可引起胃興奮性改變，而刺激大腦皮層邊緣前葉則會抑制胃竇運動、增強胃體運動。當(dāng)CNS整合信息后，再通過自主神經(jīng)和神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)，將調(diào)控信息傳遞到胃腸道的腸神經(jīng)叢或直接作用于胃腸道平滑肌。此外，CNS中還存在含有豐富血管但缺少完整血腦屏障的室周器，因此外周血可通過室周器到達CNS，借助室周器感受外周血細(xì)胞因子等信息，進而調(diào)節(jié)HPA軸[3]，發(fā)揮更直接的調(diào)控作用。

2 ANS

ANS由副交感神經(jīng)和交感神經(jīng)系統(tǒng)組成，是一個維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的復(fù)雜神經(jīng)纖維網(wǎng)絡(luò)，在CNS和外周器官的溝通中起到關(guān)鍵作用[7]。ANS主要通過：①迷走神經(jīng)(VN)傳入位于延髓的孤束核(nucleus tractus solitarius,NTS)；②內(nèi)臟和盆腔神經(jīng)傳入胸腰段和骶段脊髓，將內(nèi)臟信息傳達到CNS。

VN是體內(nèi)最長的顱神經(jīng)，胃腸道VN傳入纖維起源于胃腸壁除上皮層以外的其他層，通過孤束進入延髓，主要終止于NTS，VN傳出纖維起源于疑核(NA)和VN背側(cè)運動核(DMNV)，它們廣泛分布于胃腸道中，其中胃分布最多，小腸和結(jié)腸逐漸有減少[8]。VN發(fā)揮抗炎作用，其主要有HPA通路、膽堿能抗炎通路(CAP)、脾交感神經(jīng)抗炎通路三種途徑。①HPA通路，當(dāng)機體存在炎癥時，炎癥信息刺激VN傳入纖維活化，信息經(jīng)CNS處理后激活HPA通路，引起腎上腺釋放皮質(zhì)類固醇激素釋放，促炎細(xì)胞因子(如：IL-1、TNF-α等)激活外周VN傳入神經(jīng)元，繼而激活下游的HPA通路，最終導(dǎo)致血清皮質(zhì)類固醇激素水平升高，抑制全身炎癥反應(yīng)；②膽堿能抗炎通路(CAP)，該通路由VN傳出纖維介導(dǎo)，通過釋放乙酰膽堿(Ach)，與巨噬細(xì)胞表面的α7-煙堿型乙酰膽堿受體(α7nAChR)結(jié)合，抑制促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生[7]，但是有相反的觀點認(rèn)為交感神經(jīng)系統(tǒng)的興奮激活了膽堿能抗炎通路，而不涉及VN[9]，目前普遍觀點認(rèn)為膽堿能抗炎途徑是綜合副交感和交感神經(jīng)兩者的相互作用，最終還是通過VN控制；③脾交感神經(jīng)抗炎通路，刺激脾神經(jīng)或腹腔神經(jīng)節(jié)以上的VN，可抑制內(nèi)毒素血癥時脾臟巨噬細(xì)胞釋放TNF-α，而當(dāng)手術(shù)切除脾神經(jīng)后，VN的抗炎作用減弱，不能減少TNF-α的產(chǎn)生[10]。這一現(xiàn)象背后的機制有不同的推論，有研究認(rèn)為，脾臟由起源于腹腔-腸系膜上叢神經(jīng)元的交感神經(jīng)支配，釋放去甲腎上腺素(NE)，VN通過釋放Ach，與脾神經(jīng)的α7nAChR結(jié)合，引起脾神經(jīng)釋放NE，與前類似，脾神經(jīng)釋放的NE與脾淋巴細(xì)胞的β2腎上腺素能受體結(jié)合，釋放Ach與脾巨噬細(xì)胞的α7nAChR結(jié)合，從而抑制TNF-α的釋放[11]。因此，可以看出α7nAChR在抗炎過程中的作用十分重要，人類外周血中約90%的CD4+T細(xì)胞上存在α7nAChR，所以也有研究認(rèn)為VN興奮后信號直接傳導(dǎo)到脾臟，誘導(dǎo)脾CD4+T細(xì)胞分泌Ach作用于脾巨噬細(xì)胞，抑制TNF-α釋放[12]。動物研究[13]發(fā)現(xiàn)激活VN可以促進小鼠的攝食行為，減輕小鼠腸道炎癥；相反，切斷VN后，腸道滲透性增加，促進腸道炎癥的發(fā)生[14]。因此，有學(xué)者提出[15]VN調(diào)控的膽堿能抗炎途徑，可能成為IBD治療靶點，在臨床中具有應(yīng)用前景。

交感神經(jīng)可通過釋放NE、神經(jīng)肽、腺苷、ATP等神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)腸道運動、分泌及血管舒縮等活動。交感神經(jīng)廣泛分布于腸道，其神經(jīng)纖維從CNS發(fā)出后，沿動脈進入腸壁，神經(jīng)末梢可進入肌層、黏膜層及腸道周圍淋巴組織，調(diào)控腸道功能同時也受腸道炎癥狀態(tài)的干擾，但其具體機制尚待研究。目前認(rèn)為交感神經(jīng)對于炎癥反應(yīng)有雙向調(diào)節(jié)作用，一方面，交感神經(jīng)可通過釋放NE，激活β2受體-c AMP-蛋白激酶A通路抑制促炎因子產(chǎn)生，另一方面，NE作用于α1和α2受體促使巨噬細(xì)胞釋放TNF-α，發(fā)生促炎作用。研究發(fā)現(xiàn)，CD患者腸道炎癥區(qū)域交感神經(jīng)纖維消失，組織中存在廣泛交感神經(jīng)軸突壞死[16]，而UC患者交感纖維增多，說明CD和UC二者的交感神經(jīng)作用存在差異[17]。動物研究發(fā)現(xiàn)[18]交感神經(jīng)功能阻斷后，DSS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎(UC模型動物)腸道癥狀更重，而TNBS誘導(dǎo)的大鼠(CD模型動物)炎癥減輕。

3 內(nèi)分泌系統(tǒng)

神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)介導(dǎo)慢性精神壓力狀態(tài)導(dǎo)致的腸道炎癥反應(yīng)，主要通過HPA軸和促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)釋放因子系統(tǒng)實現(xiàn)。

3.1HPA軸又叫應(yīng)激系統(tǒng)軸，其激活導(dǎo)致ACTH釋放，增加腸黏膜通透性[4]。杏仁核是控制HPA軸的靶區(qū)，生理狀態(tài)下腎上腺分泌的激素對于HPA軸有負(fù)反饋抑制作用，當(dāng)VN傳入大量信息后，過多的激素分泌會使HPA軸負(fù)反饋機制失調(diào)，而壓力因素可以強烈影響杏仁核的活動水平[19]。IBD中HPA軸傾向于低反應(yīng)性，抑制CNS對慢性應(yīng)激的反應(yīng)。在大鼠結(jié)腸炎的避水實驗中，發(fā)現(xiàn)減弱下丘腦CRF基因的活性可導(dǎo)致血漿皮質(zhì)激素水平下降，減弱負(fù)反饋的抗炎機制[20]。

心理因素可以通過腦-腸軸介導(dǎo)影響IBD患者的腸道狀態(tài)(自上而下的通路)，當(dāng)患者受焦慮或抑郁刺激后，可以導(dǎo)致腸道通透性增加、腸道菌群失調(diào)和激活腸道免疫；另外，還可能存在自下而上的通路，即腸道炎癥反應(yīng)引起神經(jīng)心理疾患。動物研究發(fā)現(xiàn)[21]結(jié)腸炎模型小鼠的腸道炎癥可造成血清CRP和皮質(zhì)醇水平升高，通過HPA軸向上引起以大腦邊緣系統(tǒng)中環(huán)氧合酶-2水平(COX-2)升高、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)減少，前瞻性臨床研究表明[6]伴有心境障礙的IBD患者更容易出現(xiàn)腸道炎癥癥狀，抑郁癥患者也更容易發(fā)展為IBD，而抗抑郁藥物可以預(yù)防IBD的發(fā)生。因此，HPA軸為抗抑郁藥應(yīng)用于胃腸疾病的治療提供了理論基礎(chǔ)，因為此類藥物可提高HPA軸穩(wěn)定性，減緩機體的應(yīng)激反應(yīng)，可能為IBD的治療提供新靶點。

3.2ACTH釋放因子系統(tǒng)CRF系統(tǒng)(corticotropin-releasing factor，CRF system)包括外周CRF系統(tǒng)和下丘腦CRF系統(tǒng)，其中外周CRF系統(tǒng)中CRF配體和受體均在胃腸道炎癥細(xì)胞中有表達，而其具體參與抗炎還是促炎機制目前尚有爭議。腸上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、免疫細(xì)胞等均能產(chǎn)生CRF，促進TNF-α、IL-6、IL-1β等炎癥因子釋放[22]，而在CRF1受體缺乏小鼠中，腸道炎癥反應(yīng)較CRF1受體正常小鼠明顯減輕，但CRF2受體缺乏小鼠，體內(nèi)炎癥反應(yīng)則明顯強于正常小鼠[23]，因此認(rèn)為不同的受體介導(dǎo)不同的調(diào)控機制。還有觀點認(rèn)為，CRF在炎癥中根據(jù)因子水平濃度不同而分階段，在低組織濃度時發(fā)揮抗炎作用，當(dāng)濃度增加至一定水平后則發(fā)揮促炎作用[24]。因此CRF系統(tǒng)可能也具有雙向調(diào)節(jié)作用，但具體機制尚需要進一步的研究。

4 腸神經(jīng)系統(tǒng)(ENS)

ENS又稱為“腸腦”，是獨立于CNS之外的神經(jīng)系統(tǒng)，擁有大量神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞參與腸道功能調(diào)控，也可通過釋放神經(jīng)遞質(zhì)(如P物質(zhì)、谷氨酸、5-HT等)發(fā)揮作用。

4.1神經(jīng)遞質(zhì)P物質(zhì)廣泛存在于CNS和外周組織，主要與NK-1受體結(jié)合導(dǎo)致炎癥反應(yīng)，DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠，外周循環(huán)中發(fā)現(xiàn)P物質(zhì)明顯增加，而運用NK-1受體拮抗劑后則能顯著減輕小鼠腸道炎癥[25]。5-HT由腸道嗜鉻細(xì)胞釋放，參與腸動力和感覺的調(diào)節(jié)[26]，其被認(rèn)為是腦-腸信號傳遞的關(guān)鍵神經(jīng)遞質(zhì)，人體大約95%的5-HT產(chǎn)生于腸道，剩余5%的5-HT則合成于中樞5-HT能神經(jīng)元中。5-HT可激活分布在腸上皮、腸神經(jīng)元以及免疫細(xì)胞上的亞型受體，調(diào)控腸道動力、分泌反射、免疫反應(yīng)等功能。分布于中樞的5-HT，參與情感、認(rèn)知和行為的調(diào)控，與精神性疾病、偏頭痛等發(fā)病有關(guān)。在老年癡呆動物模型中[27]，側(cè)腦室給予5-HT7受體激動劑會抑制海馬β淀粉蛋白的神經(jīng)毒性作用，減輕神經(jīng)細(xì)胞凋亡及突觸功能紊亂，提示5-HT具有神經(jīng)調(diào)節(jié)作用。在IBD研究方面[28]，DSS誘導(dǎo)的腸炎模型動物中，腸神經(jīng)元和結(jié)腸CD11c+樹突狀細(xì)胞上5-HT7受體表達明顯增加，阻斷5-HT7受體基因表達小鼠腸炎表現(xiàn)加重，相反5-HT7受體激動劑會減輕腸道炎癥，說明5-HT與IBD腸道炎癥調(diào)控有關(guān)。由此可見，5-HT信號系統(tǒng)是腦-腸互動關(guān)鍵通路，參與雙向調(diào)節(jié)IBD腸道炎癥及腦神經(jīng)功能。谷氨酸可能在大腦和腸道間的直接聯(lián)系中發(fā)揮作用，可以快速傳遞腸道微環(huán)境改變的信息[29]。腸道的神經(jīng)遞質(zhì)種類繁多且機制復(fù)雜，對其全面系統(tǒng)的研究還存在較多研究空間。

4.2腸道細(xì)胞腸固有層巨噬細(xì)胞在宿主抵抗有害物質(zhì)侵襲中起關(guān)鍵作用，肌層巨噬細(xì)胞廣泛分布于肌間神經(jīng)叢周圍，與腸神經(jīng)元形成直接突觸，不僅促進于ANS的聯(lián)系，也是腸道炎癥的主要效應(yīng)細(xì)胞[30]。樹突狀細(xì)胞(DC)作為經(jīng)典的抗原遞呈細(xì)胞，在IBD患者腸屏障功能障礙的形成中具有重要作用，其功能受膽堿能機制的調(diào)節(jié)，VN刺激可誘導(dǎo)DC調(diào)節(jié)局部免疫耐受情況[14]。簇狀細(xì)胞是機體抵抗蠕蟲感染的重要組成部分，屬于化學(xué)敏感上皮細(xì)胞，數(shù)量不到腸道上皮細(xì)胞總數(shù)的1%，通過Ach依賴機制在腸道屏障功能中形成保護機制，是腸道Ach釋放的重要非神經(jīng)元細(xì)胞[31]。神經(jīng)細(xì)胞和簇狀細(xì)胞缺乏Ach可能是IBD患者炎癥的一個促成原因，有研究發(fā)現(xiàn)在蠕蟲感染流行的地區(qū)，IBD的發(fā)病率較低，用非致病性蠕蟲菌株治療IBD患者有較好療效[32]，還有研究發(fā)現(xiàn)[33]簇狀細(xì)胞在IBD小鼠模型中具有保護作用，而在UC和CD患者結(jié)腸粘膜中發(fā)現(xiàn)簇狀細(xì)胞較少。

肥大細(xì)胞常存在于粘膜易暴露于環(huán)境的部位，其細(xì)胞質(zhì)中存在預(yù)先形成的活性顆粒，這種顆粒可以快速釋放組胺和蛋白酶(類胰蛋白酶和糜蛋白酶)，使它們“去顆?；辈⒘⒓串a(chǎn)生反應(yīng)。通常通過抗原介導(dǎo)的免疫球蛋白受體交聯(lián)參與直接(或1型)過敏反應(yīng)。來自Ach受體的藥理學(xué)刺激、VN電刺激均可以抑制肥大細(xì)胞脫顆粒，而應(yīng)激(或交感神經(jīng)激活)可以刺激其脫顆粒。IBD患者結(jié)腸粘膜中肥大細(xì)胞密度和介質(zhì)濃度，較健康人升高，且患者尿液中肥大細(xì)胞脫顆粒，產(chǎn)生的副產(chǎn)物與炎癥活動程度相關(guān)[34]。

腸道中存在大量內(nèi)分泌細(xì)胞參與調(diào)控腸道功能。腸內(nèi)分泌細(xì)胞分泌20多種激素肽，包括胰高血糖素樣肽1和2(GLP1、GLP2)、生長素、生長抑素、膽囊收縮素(CCK)等，目前對腸內(nèi)分泌細(xì)胞和VN之間關(guān)系的研究大多來自于動物，發(fā)現(xiàn)GLP2在UC和CD治療方面都有積極作用，而CCK分泌可以減少休克模型的炎癥，并促進了腸道屏障完整性的修復(fù)，但各種激素肽對于腸道的具體影響還有待進一步研究[35]。

4.3腸道菌群腸道菌群及其與腸道屏障之間的密切聯(lián)系在IBD的發(fā)病機制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。腸道菌群通過營養(yǎng)、代謝、免疫、生物拮抗、消化等生物功能，抵御病原微生物入侵，維持機體健康穩(wěn)態(tài)[36]。腸道菌群在營養(yǎng)方面的作用，可以輔助機體對營養(yǎng)的吸收與合成，如雙歧桿菌可合成維生素B和維生素K。另一重要方面是短鏈脂肪酸SCFAs的合成，腸道菌群包括擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門、放線菌門，對人體健康具有重要作用，他們可以和腸道有益菌如雙歧桿菌等一起作用，產(chǎn)生的SCFAs。SCFAs一方面可以引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣向細(xì)胞質(zhì)的釋放，增加細(xì)胞質(zhì)游離鈣，通過生物級聯(lián)誘導(dǎo)作用，引起GLP-1等激素的釋放，進而促進飽腹感、減緩胃排空反應(yīng)，對胰腺β細(xì)胞發(fā)揮保護性營養(yǎng)作用[37]。另一方面，SCFAs引起的GLP-2的釋放還會作用于腸上皮下成纖維細(xì)胞,使其分泌胰島素樣生長因子Ⅰ(IGF-Ⅰ)，IGF-Ⅰ會通過刺激腸細(xì)胞的雷帕霉素復(fù)合物1(PI3K/Akt/mTORC1)途徑來促進腸細(xì)胞增殖，這一途徑還可以誘導(dǎo)緊密連接所需的蛋白質(zhì)，如occludin,claudins,ZO-1在mRNA和蛋白質(zhì)水平上的表達，這些蛋白形成連接復(fù)合物，從而形成腸細(xì)胞的緊密連接，構(gòu)成腸道機械屏障[38]。代謝方面，主要體現(xiàn)在腸道菌群產(chǎn)生的代謝物參與化學(xué)屏障構(gòu)成，并與病原菌競爭營養(yǎng)、抑制其生長，研究發(fā)現(xiàn)，乳桿菌可抑制單核李斯特菌[39]。在免疫調(diào)控方面，腸道菌群主要通過參與免疫屏障構(gòu)成，配合免疫應(yīng)答，當(dāng)機體免疫力下降后，腸道菌群定植能力也相應(yīng)降低，且菌群結(jié)構(gòu)可作為抗原誘導(dǎo)機體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，激活腸道粘膜防御功能，在IBD患者體內(nèi)，可以觀察到促炎細(xì)菌的增加，抗炎細(xì)菌的減少[40]，提示菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。除在屏障功能上發(fā)揮作用外，腸道菌群還在腸道菌群與IBD病理發(fā)生發(fā)展中相互影響。目前公認(rèn)觀點認(rèn)為，IBD患者存在菌群失調(diào)，且疾病不同時期菌群組成存在差異，一項包含161例樣本的配對樣本分析中，IBD患者菌群多樣性降低，有害菌群數(shù)量增加，UC患者糞便中類桿菌和念珠菌明顯增多，且腸道微生物群的不同含量影響了宿主表型基因的表達，從而促進了疾病的炎癥表達[41]。因此，腸道菌群在IBD中的作用越來越引起人們的關(guān)注，了解腸道菌群對IBD發(fā)生發(fā)展的具體影響對于IBD的防治有重要意義。

綜上所述，腦-腸軸是神經(jīng)系統(tǒng)和胃腸道之間進行溝通的雙向信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的ANS、神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)、ACTH釋放因子系統(tǒng)、局部腸神經(jīng)系統(tǒng)以及腸道菌群，多種途徑影響著IBD的發(fā)生發(fā)展，他們之間相互調(diào)控，參與胃腸道炎癥和動力學(xué)改變。