腸道菌群通過調節(jié)5-HT代謝在IBS中發(fā)揮作用

馮 雅,杭 露,周 鹽,蔣風茹,袁建業(yè)

馮雅,杭露,周鹽,蔣風茹,袁建業(yè),上海中醫(yī)藥大學附屬龍華醫(yī)院/脾胃病研究所 上海市 200032

0 引言

腸易激綜合征(irritable bowel syndrome,IBS)是一種慢性腸道疾病.其主要臨床表現(xiàn)為腹痛、間歇性或持續(xù)性排便異常、糞便質地和性狀異常[1].由于IBS患者沒有出現(xiàn)明顯的器質性異常變化,它被認為是一種功能性疾病.根據(jù)排便習慣,羅馬Ⅲ和羅馬Ⅳ標準將IBS分為四種亞型: 腹瀉型(diarrhea predominant IBS,IBS-D),便秘型(constipation predominant IBS,IBS-C),混合型(mixed stool pattern IBS,IBS-M)和未確定型(unclassified IBS,IBS-U)[1,2].在全球,大約每10人中就有1人受到影響.IBS的患病率在東南亞約為7%,在北美約為11.8%-14%,在非洲、南美地區(qū)約為15%-21%[3,4].在我國,不同地區(qū)的患病率也存在差異,總體患病率約為1.4%-11.5%[5,6],其中,以IBS-D最為高發(fā),占總發(fā)病率的66.3%[7].IBS的患病率與性別、年齡等也有相關性.一項針對IBS的臨床Meta分析顯示,IBS-C在女性中更為常見,而IBS-D則男性更為常見[8].根據(jù)羅馬Ⅲ標準,IBS的病理生理學涉及多種因素,如腦-腸軸功能紊亂、腸道微生物群改變、胃腸道(gastrointestinal,GI)感染、內臟超敏反應、腸道通透性增加、精神和心理狀況(如焦慮和抑郁)異常、胃腸運動異常、免疫功能障礙和宿主遺傳易感性等[9,10].

“腦-腸-微生物軸”是在“腦-腸軸”的基礎上增加了腸道菌群對大腦和胃腸道之間雙向調節(jié)的內涵.腸道菌群大約共有400種,其中一些被認為是健康消化所必需的[11].人體腸道內主要有厚壁菌門、擬桿菌門定居,其次是放線菌門、變形菌門、疣狀桿菌門、梭桿菌門等,它們產(chǎn)生酶和代謝物[12,13],幫助身體吸收必要的營養(yǎng)和維生素,同時,它們的存在對于腸道免疫系統(tǒng)的正常發(fā)育和功能也非常重要.越來越多的研究表明,腸道菌群通過各種方式與中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)和胃腸道保持溝通[14].在生命早期,腸道微生物的擾動便會對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育產(chǎn)生長期的影響[15].一些神經(jīng)退化、精神和代謝障礙疾病如帕金森病、精神分裂癥、阿爾茲海默病、抑郁癥等,都與腸道微生物有關[16].微生物群落對CNS的自下而上的調節(jié)主要通過神經(jīng)免疫和神經(jīng)內分泌機制,通常由多種微生物及其衍生分子介導,包括短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)、次級膽汁酸(secondary bile acids,SBAs)和色氨酸代謝物等[17-19],其中有些與腸道菌群相關的化學信使[20]可以穿過血腦屏障激活迷走神經(jīng)的傳入纖維,直接調節(jié)大腦功能[21,22].SCFAs對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的小膠質細胞的成熟也有著重要意義,無菌條件下,缺乏SCFAs受體FFAR的小鼠小膠質細胞有所缺陷[23].腸道微生物的另一產(chǎn)物ClpB,是一種α-黑素細胞刺激素的模擬物,能直接作用于下丘腦阿片黑皮質激素原神經(jīng)元,增加神經(jīng)元放電,誘發(fā)飽腹感[24].腸道菌群對腸道的調節(jié)除了可以通過神經(jīng)、免疫和內分泌等途徑發(fā)揮以外,還可以通過與腸細胞之間的串擾或改變腸道內環(huán)境來實現(xiàn)[25].多項研究證明IBS患者的腸道菌群組成不同于健康受試者[26,27].與健康對照組相比,IBS患者的疣微菌豐度較低,且不同的IBS類型其腸道菌群多樣性也存在差異,如甲烷桿菌在IBS-C患者中含量較高,而在IBS-D患者中就明顯降低[28,29].此外,腸道微生物還包括一定的真菌,對于這一部分的研究知之甚少,而這一部分在IBS的發(fā)病機制中也發(fā)揮著作用.有研究證明,糞便真菌生物群與IBS的內臟超敏反應有關[30],念珠菌與IBS-D患者的腹脹和焦慮程度呈正相關[31].在一項針對IBS-D患者的臨床研究中發(fā)現(xiàn),與健康對照組相比,IBS-D患者的糞便真菌與IBS癥狀顯著性相關,尤其是真菌球菌、曲霉菌屬、孢子菌屬和潘多拉菌,而曲霉菌的減少可能導致機會病原體如大腸桿菌是的過度生長,證明了細菌和真菌之前的相關性[32].

血清素5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)是一種單胺類神經(jīng)遞質和激素,也是一種重要的信號分子,在大腦和腸道中產(chǎn)生,具有調節(jié)人體中樞和外周一系列生理功能的作用.其中,中樞5-HT輔助神經(jīng)元控制腸道運動和腸液分泌,及參與調節(jié)情緒[33,34].體內超過90%的5-HT位于胃腸道中,主要由腸道嗜鉻細胞(enteric chromaffin cells,EC)合成.5-HT的合成需要兩種不同的色氨酸羥化酶(tryptophan hydroxylase,TPH): TPH1和TPH2[35,36].前者主要存在于EC和腦干的外圍,而后者則存在于腦干的中縫核等中樞和外周的神經(jīng)元中[37,38].色氨酸被TPH羥基化為5-羥色氨酸(5-hydroxytryptophan,5-HTP),后者再被芳香族氨基酸脫羧酶(aromatic amino acid decarboxylase,AAAD)脫羧為5-HT[39,40].被釋放到細胞外的5-HT通過位于腸細胞和神經(jīng)元上的多種5-HT受體發(fā)揮作用,調節(jié)腸道運動、感覺和腸道腺體分泌,維持腸道穩(wěn)態(tài)[41].細胞外游離的多余5-HT可被腸上皮細胞或神經(jīng)元上的血清素轉運體(serotonin transporter,SERT)攝取轉運至細胞內滅活[42].還有一部分進入血液的5-HT被血小板上的SERT轉運儲存于血小板內的致密顆粒中,隨血小板進入血液循環(huán),在某些特定情況下被重新釋放出來[43].血小板上也存在5-HT2受體[44].

1 腸道菌群調節(jié)5-HT代謝

腸道中的EC在響應化學和機械等刺激時產(chǎn)生和釋放5-HT,有些腸道共生微生物能夠通過其代謝物和/或細胞成分促進5-HT在結腸EC中合成[45].已有研究表明,將無特定病原體(specific pathogen free,SPF)小鼠的糞便微生物群移植到GF(germ-free)小鼠的腸腔中,增加了腸道內5-HT的含量[46].進一步的研究明確證實,小鼠和人類中的天然產(chǎn)芽孢細菌可以促進結腸嗜鉻細胞合成5-HT,并且可以通過增加GF小鼠中特定微生物代謝物的濃度來增加結腸和血液中5-HT的濃度[47].Reigstad等人[48]發(fā)現(xiàn),腸道菌群的代謝產(chǎn)物SCFA是促進EC產(chǎn)生5-HT的重要介質之一.最近的研究提示,腸道菌群的代謝物反過來調節(jié)腸道微生物群以穩(wěn)定腸道微環(huán)境[49],也可能影響了腸道5-HT的合成.此外,棒狀桿菌屬、鏈球菌屬和腸球菌屬等部分腸道中的常駐細菌還可以利用腸腔中的色氨酸直接產(chǎn)生5-HT[50].還有一些細菌,如乳球菌、鏈球菌、大腸桿菌和克雷伯菌通過表達色氨酸合成酶產(chǎn)生5-HT[51,52].也有研究表明[53],大腸桿菌表達TPH并產(chǎn)生5-HT的前體-5-HTP.

體內5-HT的含量不僅取決于其合成(與色氨酸的可用性及TPH的表達和活性等有關),還受其降解(與5-HT降解相關的酶的活性等有關)的影響[54-56].Nzakizwanayo等人[57]用大腸桿菌Nissle1917(Escherichia coliNissle 1917,EcN)處理離體小鼠回腸組織,發(fā)現(xiàn)組織暴露于EcN中可增加5-HT表達水平;然后分析5-HT代謝物,發(fā)現(xiàn)EcN降低了5-HIAA的表達.Wang等人[58]發(fā)現(xiàn)鼠李糖乳桿菌GG上清液(Lactobacillus rhamnosusGG,LGG-s)可以上調腸道上皮細胞HT-29和Caco-2細胞以及小鼠腸道組織中SERT mRNA的表達.

2 IBS病理中腸道菌群調節(jié)5-HT

腦-腸-微生物軸的紊亂,特別是腸道微生物的紊亂,被認為是IBS的一個重要致病因素[59].腸道微生物中既有維護宿主健康的“有益菌”,也存在危害宿主健康的致病菌和在特定條件下危害宿主健康的條件致病菌[60,61].在有些情況下,致病菌數(shù)量過度增加或有益菌過度減少破壞了腸道微生物之間的平衡狀態(tài),出現(xiàn)所謂的“腸道微生態(tài)失衡”,或者被稱作“腸道菌群失調”.已有大量研究證實IBS患者或動物模型存在腸道菌群失調[62,63].腸道微生物的變化導致腸道運動障礙、內臟過敏、腸道屏障功能受損等,這些異常在IBS中均有所表現(xiàn),且越來越多的證據(jù)表明,腸道微生物不僅可以解釋IBS的腹部癥狀,還與IBS的腸道外癥狀有關.有研究表明IBS患者體內腸道菌群的豐度與神經(jīng)遞質之間存在相關性[64].5-HT作為一種神經(jīng)遞質,在參與IBS的病理生理過程中,同樣也受到腸道菌群的調節(jié).

2.1 腸道菌群通過調節(jié)5-HT參與IBS腸動力異常 腸動力異常被認為是IBS兩大病理生理基礎之一,也是引起IBS排便習慣改變的主要原因.腸道微生物通過調節(jié)5-HT參與IBS腸動力異常已被大量研究所證實,其內在機制也被廣泛探討.研究發(fā)現(xiàn)[65],小鼠經(jīng)抗生素處理4 wk后,其近端結腸平滑肌的時相性收縮受到抑制,伴隨5-HT、TPH1和次級膽汁酸水平的明顯降低.攝入的食物和5-HTP在色氨酸酶(tryptophanase,TnaA)作用下代謝為5-羥基吲哚(5-hydroxyindole,5-HI)的過程受腸道菌群的調節(jié),而5-HI能通過激活結腸平滑肌細胞上的L型鈣通道促進平滑肌收縮,增強腸動力,加速腸內容物的傳輸[66],5-HI還可以刺激腸嗜鉻細胞產(chǎn)生5-HT.此外,Karaki等人[67]的研究證實腸道微生物的代謝產(chǎn)物SCFA通過作用于肥大細胞上的相關受體刺激 5-HT釋放,提高結腸運動的興奮性.

2.2 腸道菌群通過調節(jié)5-HT參與IBS的內臟高敏感性內臟高敏感性是IBS的另一主要病理生理基礎,被認為是引發(fā)IBS關鍵癥狀腹痛的主要原因.腸道微生物可以通過刺激背根神經(jīng)節(jié)中的初級傷害性神經(jīng)元直接提高內臟疼痛敏感性,或者通過激活腸道中的炎癥免疫反應間接提高內臟敏感性[68,69],腸內有部分通過激活5-HT直接感受疼痛,但也有通過刺激腸系膜感覺纖維、迷走神經(jīng)等來誘發(fā)疼痛的[70-72].Zhang等[73]通過使用LncRNA XIST沉默SERT基因,提高胞外5-HT含量,增強了小鼠的內臟超敏反應.有學者將IBS患者的糞菌移植到正常無菌大鼠體內后發(fā)現(xiàn)其內臟敏感性升高[74].微生物通過5-HT介導的黏膜炎癥也可能是引起疼痛的原因之一,而5-HT3受體拮抗劑可以抑制炎癥反應,減輕疼痛[75].

2.3 腸道菌群通過調節(jié)5-HT參與IBS腸屏障功能損傷腸上皮屏障(intestinal epithelial barrier,IEB)是外界環(huán)境和身體內部環(huán)境接觸的界面之一[76],一方面需限制有害微生物和抗原的通過,另一方面需確保營養(yǎng)、水分等的吸收[77].IBS的發(fā)病機制與IEB的失調有關[78].臨床研究發(fā)現(xiàn)IBS患者5-HT水平升高且普遍存在腸黏膜屏障損傷,表現(xiàn)為緊密連接蛋白部分減少[79,80].亦有研究發(fā)現(xiàn)IBS患者腸道菌群失調,腸內SERT表達水平下降,腸細胞再攝取5-HT的能力顯著降低,黏膜保護屏障遭到破壞[81].動物研究發(fā)現(xiàn),應激誘導的IBS小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)5-HT代謝紊亂,腸道屏障功能出現(xiàn)障礙[80],將這些小鼠的糞菌移植到幼鼠腸內可引起后者5-HT代謝異常,腸道通透性增加[82].此外,腸上皮屏障的功能依賴于腸道內5-HT通過5-HT3受體傳導的信號,敲除5-HT3受體后,小鼠的腸通透性顯著增加[83].在評估腸道IEB和IBS的關系中,腸道通透性和腹痛之間的相關性常常被研究[84].腸道微生物可以透過損傷的IEB刺激到腸道的免疫系統(tǒng),導致免疫介質的釋放,其中包括5-HT,進而引起疼痛感覺的傳入[85].由此可見,腸道菌群可直接或通過衍生的代謝產(chǎn)物間接影響5-HT信號破壞腸道屏障功能,參與到IBS的發(fā)病過程中.

2.4 腸道菌群通過調節(jié)5-HT參與IBS黏膜炎癥和免疫異常腸道黏膜炎癥和免疫異常與IBS的發(fā)生密切相關,5-HT在調節(jié)腸道黏膜炎癥和免疫功能方面也發(fā)揮重要作用,5-HT的合成和釋放受到微生物和免疫細胞的控制[86],因此腸道菌群可以通過調節(jié)5-HT濃度變化參與宿主免疫調節(jié)[87].臨床研究發(fā)現(xiàn),IBS患者免疫系統(tǒng)存在異常,表現(xiàn)為黏膜免疫細胞浸潤(以CD3+、CD4+、CD8+T細胞和肥大細胞為主)和促炎細胞因子水平的增加[88].此外,IBS-D患者黏膜SERT水平的降低與黏膜上皮內淋巴細胞和肥大細胞數(shù)量的增加有關[89].某些腸道微生物可以合成各種氨基酸脫羧酶以固化氨基酸,進而改變宿主腸道中5-HT和免疫細胞介質等代謝物的分布[90],而普氏桿菌可以直接下調5-HT水平,發(fā)揮抗炎作用[91].包括梭狀芽孢桿菌在內的產(chǎn)孢微生物通過促進結腸中調節(jié)性T細胞的增殖,發(fā)揮免疫調節(jié)作用[92].值得注意的是,腸道菌群的代謝產(chǎn)物SCFA可能通過G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein receptor,GPR)43激活誘導ECs釋放5-HT,進而激活5-HT3受體,造成IBS患者腸道免疫的異常[93].

2.5 腸道菌群通過調節(jié)5-HT參與IBS內分泌功能異常胃腸內分泌細胞分散在管腔內的上皮細胞中,這些內分泌細胞在經(jīng)刺激釋放不同的激素后,通過內分泌信號、旁分泌或自分泌信號、突出信號等發(fā)揮作用[94].越來越多的證據(jù)表明,腸內分泌細胞的改變是IBS的一個原因.有研究顯示IBS患者腸道內分泌細胞的密度存在異常,這可能導致IBS的內臟超敏反應、動力障礙等IBS的典型特征[95-97].觀察發(fā)現(xiàn)IBS患者在接受健康受試者糞菌移植后,其內分泌細胞密度和內分泌細胞類型比例向健康受試者轉移[98].分泌5-HT的EC是腸內分泌細胞中數(shù)量最多的一種,EC細胞形態(tài)上呈三角形,頂端微絨毛深入腸腔捕捉腸腔刺激.一項臨床研究發(fā)現(xiàn)[63],IBS患者盲腸中EC細胞的數(shù)量高于健康受試者,且TPH1在降結腸中的蛋白表達水平較高;通過菌落組成分析及相關性分析,發(fā)現(xiàn)瘤胃球菌與EC細胞數(shù)量成正相關.Mandi?等[45]表明,與GF小鼠相比,使用梭狀芽孢桿菌后的小鼠體內G蛋白偶聯(lián)受體5(EC細胞標記物)的表達增加,因而提出腸道微生物可以影響EC細胞的發(fā)育.

2.6 腸道菌群通過調節(jié)5-HT參與IBS腸道外癥狀 IBS目前被認為是一種“身心疾病”,除了腸道相關癥狀外,IBS患者往往還伴發(fā)多種腸外異常表現(xiàn).其中焦慮和/或抑郁是其最常見的精神心理并發(fā)癥.焦慮、抑郁患者大腦中存在5-HT信號異常[99].腸道微生物可能通過腸道內的迷走神經(jīng)通路影響情緒處理的基本回路[100],越來越多的證據(jù)表明,腸道微生物及其代謝產(chǎn)物通過腦-腸-微生物軸改變中樞5-HT代謝導致大腦內環(huán)境紊亂[101,102].幾項研究報告顯示,IBS患者和抑郁癥患者糞便微生物組具有相似性,如高豐度的變形菌和低豐度的雙歧桿菌[103,104].另有結果表明[64],在患有情緒困擾的IBS患者體內,腸道菌群的α多樣性和5-HT水平之間存在相關性.

3 腸道菌群通過調節(jié)5-HT治療IBS

通過針對5-HT途徑的治療IBS的藥物主要有5-HT3激動劑、5-HT4拮抗劑、選擇性5-HT再攝取抑制劑(selective serotonin reuptake inhibitor,SSRI)等,主要用于IBS-D,在臨床上已大量使用[105-107].在針對腸道菌群的治療方法主要包括一些常見的益生菌、合生元等藥物,以及現(xiàn)有的糞菌移植技術[108].目前通過調節(jié)腸道菌群影響5-HT來治療IBS的研究相對較少,腸道菌群的復雜性為其具體的靶向治療帶來了難度.

4 討論

IBS的發(fā)病受生物、心理、社會和其它因素的影響.目前,仍然缺乏有效的治療方法.5-HT作為腦-腸-微生物軸中重要的神經(jīng)遞質,能調節(jié)胃腸的運動和分泌,直接或間接改善腹痛、腹瀉等癥狀,是治療IBS的重要靶標,且對于IBS相關的情緒障礙也有影響.腸道菌群作為人體中復雜而龐大的微生物系統(tǒng),在維護人體健康中也起著重要作用.它們能調節(jié)消化道免疫、營養(yǎng)吸收、能量代謝和腸道生物屏障功能.腸道微生物的平衡對于宿主的消化、吸收等生理活動來說是必不可少的.IBS的發(fā)病機制中也涉及了腸道微生物,不管是腸道的運動功能、腸道黏膜屏障功能、還是內臟過敏反應、免疫應答等,隨處可見腸道菌群的身影.腦-腸-微生物軸為人們提供了開發(fā)新治療方法的研究方向.針對IBS患者微生物群落的相關治療也已有所研究,例如臨床已開展的糞菌移植技術.腸道菌群容易受到外部因素的影響,包括飲食、壓力、生活方式和其它因素.這些因素也與IBS的發(fā)生密切相關,表明IBS也可以通過飲食和生活方式干預來治療.

腸道菌群能夠通過多種機制對5-HT的代謝進行調節(jié),且不僅影響腸源性的,還能通過神經(jīng)系統(tǒng)影響中樞5-HT的代謝.腸道菌群及其代謝物對5-HT代謝的調節(jié)參與IBS的發(fā)生和發(fā)展.專注腸道菌群對5-HT信號的調節(jié)可能有助于找到治療IBS的新方法.

迄今為止,對于腸道微生物群的研究多集中在細菌上,作為微生物群的一部分,真菌的研究甚少,有證據(jù)證明真菌可以加重結腸炎的嚴重程度[109],能夠刺激肥大細胞釋放組胺降低內臟疼痛閾值[30].關于真菌與5-HT之間是否存在聯(lián)系也需要進一步探索.

腸道微生物對焦慮抑郁的預防作已用得到證實,糞菌移植可以改善焦慮和抑郁等IBS的腸道外表現(xiàn),提示糞菌移植可用于治療合并有焦慮和抑郁表現(xiàn)的IBS患者.

腸道微生物的代謝產(chǎn)物是腸道微生物研究中不容忽視的重要內容.與正常人相比,IBS患者糞便中腸道菌群的代謝產(chǎn)物SCFA水平存在差異,表現(xiàn)為IBS-C患者糞便中丙酸鹽和丁酸鹽明顯減少,而IBS-D患者糞便中丁酸鹽明顯增加[110].Li等[111]的研究表明膽汁酸能夠通過腸黏膜肥大細胞增強痛覺感受,誘導內臟超敏反應.此外,一些細菌可以將未消化的碳水化合物酵解為二氧化碳、甲烷等氣體,這些也可能是引起IBS患者腹脹腹痛的物質,值得研究者進一步關注.