腸道菌群對慢性疲勞綜合征中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控機制

顧元嘉 謝芳芳 管 翀 王桂茂 成子己 張帥攀 郭光昕 姚 斐,

(1 上海中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院,上海,201203; 2 上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬市中醫(yī)醫(yī)院,上海,200071)

慢性疲勞綜合征(Chronic Fatigue Syndrome,CFS)是以病理性疲勞、全身乏力、睡眠后精力無法恢復(fù)為特征的慢性、復(fù)雜的、多系統(tǒng)疾病[1]。據(jù)報道,歐洲CFS的患病率為0.1%～2.2%,中國CFS的總患病率則高達12.54%[2-3]。近年來,新型冠狀病毒疫情給家庭乃至社會帶來巨大的經(jīng)濟負擔,而CFS樣癥狀不僅成為新型冠狀病毒感染患者的常見癥狀,CFS病理激活途徑也與新型冠狀病毒感染精神癥狀的激活途徑相互重合[4]。因此CFS的發(fā)病機制受到更多學(xué)者的重視。

隨著微生物-腸-腦軸理論的提出,更多的研究關(guān)注腸道菌群對中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的影響。已有研究提供了CFS腸道菌群失調(diào)的證據(jù)[5],也有學(xué)者從腦-腸軸[6]、炎癥[7]等角度闡述了腸道菌群失調(diào)與CFS的相關(guān)性,但腸道菌群失調(diào)對CFS中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響,是否存在理論基礎(chǔ)尚未進行系統(tǒng)的探討。因此,本文旨在闡明影響CFS患者的腸道菌群以及菌群代謝物,從內(nèi)毒素耐受、腸道屏障、腸道菌群代謝等角度揭示腸道菌群失調(diào)是CFS中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常的關(guān)鍵誘因,進一步了解CFS發(fā)病機制,為防治CFS提供新思路。

1 CFS腸道菌群失調(diào)特征

CFS腸道菌群失調(diào)表現(xiàn)為微生物多樣性降低、致病菌比例增加,其呈現(xiàn)出有別于健康人群甚至腸易激綜合征的腸道菌群結(jié)構(gòu)特點。目前,公認的CFS“致病微生物”尚未明確,但多項研究揭示了CFS腸道菌群組成結(jié)構(gòu)、多樣性改變的特征:CFS患者腸道菌群在門水平上,厚壁菌門、放線菌門相對豐度降低,擬桿菌門、變形菌門相對豐度提高;在屬水平上擬桿菌屬、梭菌屬、Pseudoflavonifractor屬、Phascolarctobacterium屬等菌屬相對豐度提高,糞桿菌屬、瘤胃球菌屬、Roseburia屬、Coprococcus屬、Bacteroidesvulgatus屬、雙歧桿菌屬等菌屬相對豐度降低[5,8-9]。進一步分析腸道菌群相對豐度的改變與CFS臨床癥狀的相關(guān)性表明,Pseudoflavonifractor屬相對豐度增加、Coprococcus屬相對豐度的降低與CFS患者情緒低落、動機減少有關(guān),糞桿菌屬、瘤胃球菌屬、Roseburia屬相對豐度的下降可能與CFS合并腸易激綜合征關(guān)系密切,未分類的擬桿菌屬相對豐度增加可能是沒有并發(fā)癥的CFS特異性標志物,腸道菌群多樣性變化與CFS癥狀的同步變化顯示腸道菌群失調(diào)參與CFS的發(fā)病過程。

2 腸道菌群失調(diào)與CFS腦區(qū)異常激活的相關(guān)性

近年來,CFS被視為是一種神經(jīng)免疫疾病,疲勞、睡眠障礙、認知功能障礙、抑郁、焦慮等是CFS最顯著臨床表現(xiàn),與相關(guān)腦區(qū)病理學(xué)改變密切相關(guān)。有研究提供了CFS患者腦區(qū)功能活動的改變,包括左海馬旁回、雙側(cè)蒼白球、前扣帶回皮層、角回、額上回,這些腦區(qū)與記憶,運動,情緒、認知功能相關(guān)[10]。進一步研究表明CFS患者扣帶皮層、海馬、杏仁核、丘腦、中腦等區(qū)域存在小膠質(zhì)細胞的過度激活,是CFS患者出現(xiàn)疼痛、認知、抑郁的內(nèi)在病理改變[11]。

腸道菌群失調(diào)通過提高體內(nèi)免疫因子參與CFS腦區(qū)異常激活[12]。一項通過脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)結(jié)合游泳應(yīng)激造模的疲勞小鼠研究表明,小鼠間腦核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(Nucleotide-binding Oligomerization Domain-like Receptor Protein 3,NLRP3)、白細胞介素-1β(Interleukin-1β,IL-1β)、IL-6表達明顯提高,其疲勞癥狀可歸因于由NLRP3炎癥小體所誘導(dǎo)中樞炎癥[13],其他研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)LPS造模的CFS小鼠在前額皮層、海馬CA3、下丘腦等腦區(qū)小膠質(zhì)細胞的異常激活[14],而小膠質(zhì)細胞的活化可誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體的產(chǎn)生,形成中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥[15]。多數(shù)學(xué)者認為腦內(nèi)細胞因子的升高通常與血液中細胞因子的升高有關(guān)。在腸道菌群失調(diào)時,LPS可釋放入血以提高血清中細胞因子的分泌,LPS所誘導(dǎo)的腫瘤壞死因子-α(Tumor Necrosis Factor-α,TNF-α)、IL-1、IL-6等細胞因子可破壞損傷血腦屏障,使血液的細胞因子進入腦內(nèi),激活小膠質(zhì)細胞、星形膠質(zhì)細胞等神經(jīng)膠質(zhì)細胞[16],影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)。此外,LPS可通過誘導(dǎo)細胞因子的增加,結(jié)合Toll樣受體(Toll Like Receptor,TLR),以激活下丘腦-垂體-腎上腺軸,調(diào)控前額葉皮層、海馬等腦部區(qū)域[17-18]。

腸道菌群失調(diào)通過影響神經(jīng)遞質(zhì)代謝參與CFS腦區(qū)功能活動病理學(xué)改變進程。CFS微生物組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了一系列誘導(dǎo)CFS特征出現(xiàn)的代謝產(chǎn)物異常,包括脂肪酸、維生素、氨基酸等,其中谷氨酸、精氨琥珀酸、維生素B6,維生素E是最可能區(qū)別正常人與CFS的代謝產(chǎn)物,在CFS患者中谷氨酸、精氨琥珀酸、維生素B6水平上升,維生素E水平下降,這些代謝產(chǎn)物的異常改變可誘導(dǎo)5-羥色胺、γ-氨基丁酸、一氧化氮等神經(jīng)遞質(zhì)的顯著增加,而這些物質(zhì)已被認為與CFS神經(jīng)炎癥、中樞敏化密切相關(guān)[5,8]。

3 腸道菌群對免疫因子及神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)控機制

近10年來,體內(nèi)免疫因子提高以及神經(jīng)遞質(zhì)改變一直被視為CFS中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常的探索重點。腸道菌群作為定居于腸道的外來微生物,對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控是由免疫因子及神經(jīng)遞質(zhì)所介導(dǎo)。而腸道菌群對免疫因子及神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)控與內(nèi)毒素耐受、腸道屏障、腸道菌群代謝密切相關(guān)。

3.1 腸道菌群失調(diào)對內(nèi)毒素耐受的影響 內(nèi)毒素耐受是機體組織細胞對LPS的低反應(yīng)或無反應(yīng)現(xiàn)象,可以防止了機體存在的不必要免疫損傷,是腸道組織細胞與腸道菌群共存的關(guān)鍵,也是健康人群向CFS轉(zhuǎn)變的重要機制。在健康人群中,糞便中的LPS主要來自于擬桿菌屬,尤其是Bacteroides Ovatus、Bacteroides Uniformis、Bacteroides Vulgatus分泌的LPS占主導(dǎo)地位,而通過來源于擬桿菌屬的LPS刺激人類外周血單核細胞并未觀察到TNF-α、IL-1β、IL-6增加,表明LPS可能通過抑制核因子κB(Nuclear Factor Kappa-B,NF-κB)通路發(fā)揮免疫抑制作用[19]。在一項細胞試驗中,通過大腸桿菌來源的LPS以及金黃葡萄球菌來源的磷壁酸反復(fù)刺激骨髓來源樹突狀細胞(Dendritic Cell,DC)同樣抑制炎癥介質(zhì)表達,而這一過程可能與IL-10、IL-12等免疫調(diào)節(jié)因子參與有關(guān)[20]。這些研究表明不同種屬的細菌表達的LPS具有不同的生物學(xué)作用,而近期一項研究證實了這種差異的存在:脂質(zhì)A,O抗原是LPS的組分,在基因水平上可觀察到變異,這導(dǎo)致LPS化學(xué)修飾數(shù)量可能存在差異,影響LPS對TLR4的刺激作用,如:擬桿菌屬可抑制NF-κB通路、而變形菌門可激活NF-κB通路[21]。有趣的是來源于派爾集結(jié)淋巴結(jié)、腸系膜淋巴結(jié)、脾臟的DC對腸道菌群表現(xiàn)出不同的免疫應(yīng)答效應(yīng)如:大腸桿菌可誘導(dǎo)不同類型的DC表達IL-6,而IL-10僅在脾臟來源DC中被誘導(dǎo)過度表達[21],這種高度特異化可能對腸道內(nèi)毒素耐受發(fā)揮重要作用。可見,腸道菌群失調(diào)改變會誘導(dǎo)內(nèi)毒素耐受性改變,促使致炎性LPS釋放增多,這與從炎癥角度探索CFS腸道菌群多樣性的研究結(jié)果一致。

3.2 腸道菌群失調(diào)對腸道屏障的影響 腸道屏障是抵抗腸腔內(nèi)致病性抗原入侵人體的防御結(jié)構(gòu),具有預(yù)防感染、炎癥的作用。腸道菌群作為腸道屏障的構(gòu)成部分,影響腸道屏障結(jié)構(gòu)功能。雙歧桿菌、瘤胃球菌等共生菌通過外膜蛋白、凝集素、黏附素、膠囊和附屬物與黏液或上皮細胞表面的聚糖相互作用,黏附于腸腔黏液層以及黏膜上皮細胞表面,并通過代謝黏蛋白聚糖使黏液降解,促進菌群自身的生長、繁殖,防止致病菌群在腸道定植[23-24],而腸道菌群細胞壁的組分LPS、肽聚糖,刺激腸道細胞上的TLR,促進黏蛋白2的分泌[25],使黏液層增厚防止致病菌與腸上皮細胞的直接接觸;腸道菌群代謝產(chǎn)物也影響腸道屏障結(jié)構(gòu)和功能:短鏈脂肪酸,經(jīng)結(jié)腸細胞吸收后可作為合成分泌黏蛋白2的能源[23],普氏糞桿菌、梭菌屬、糞桿菌等菌群通過丁酸鹽誘導(dǎo)腸道上皮細胞閉鎖小帶蛋白的表達、抑制組蛋白去乙?；复龠M肌動蛋白結(jié)合蛋白突觸足蛋白表達等途徑維持腸道上皮細胞緊密連接[26-27]。

在CFS患者中,腸道菌群失調(diào)是腸道屏障功能障礙、炎癥介質(zhì)水平升高的關(guān)鍵誘因。腸道菌群失調(diào)誘導(dǎo)黏液層、腸道上皮細胞緊密連接等結(jié)構(gòu)改變,破壞腸道屏障。隨著腸道屏障功能障礙,病變之前所分隔的潛在致病微生物穿過腸道屏障與腸道組織細胞相接,其病原體相關(guān)分子模式通過結(jié)合模式識別受體啟動炎癥反應(yīng),促進TNF-α、IL-1β、IL-6等炎癥介質(zhì)的高表達[28]。而這些炎癥介質(zhì)可進一步破壞腸道屏障的結(jié)構(gòu),如:TNF通過增加大分子通量使腸道通透性增加,TNF受體1介導(dǎo)腸道上皮死亡等途徑,破壞腸道屏障,誘導(dǎo)微生物依賴性炎癥的形成[29]。腸道炎性環(huán)境的形成使單核細胞募集增加并影響循環(huán)系統(tǒng)來源的單核細胞向Ly6C-MHCII+巨噬細胞分化出現(xiàn)異常,改變巨噬細胞分化表型高表達CX3CR1int,這種改變使本應(yīng)發(fā)揮腸道屏障保護作用的巨噬細胞成為炎癥介質(zhì)的重要來源,形成慢性炎癥[30],造成腸道屏障的持續(xù)破壞?？傊?腸道菌群失調(diào)所誘導(dǎo)的腸道屏障功能障礙促使炎癥介質(zhì)釋放并產(chǎn)生局部炎癥,同時這種炎癥效應(yīng)也進一步破壞腸道屏障,擴大炎癥效應(yīng),這不僅是CFS免疫異常形成的內(nèi)在機制,也是造成某些CFS患者由初期感染轉(zhuǎn)向慢性遷延不愈的關(guān)鍵機制。

3.3 腸道菌群失調(diào)與腸道菌群代謝紊亂 腸道菌群代謝是神經(jīng)遞質(zhì)產(chǎn)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等營養(yǎng)素經(jīng)消化液、消化酶、腸道菌群消化代謝后在小腸形成葡萄糖、脂肪酸、氨基酸,其中大部分可被腸細胞吸收代謝,而一些未完全消化的營養(yǎng)素通過位于大腸的腸道菌群尤其是位于結(jié)腸的腸道菌群進行代謝,這些營養(yǎng)素可經(jīng)腸道菌群進一步利用以維持細菌生存、繁殖,并形成短鏈脂肪酸、一氧化氮、吲哚類化合物等代謝產(chǎn)物[31-32]。腸道菌群也可以合成或促進腸道吸收氨基酸、維生素,在提供人體必需氨基酸和維生素的同時參與色氨酸、谷氨酸等氨基酸的進一步代謝,產(chǎn)生5-羥色胺、γ-氨基丁酸等神經(jīng)遞質(zhì)[33-34]。

此外,腸道菌群代謝同樣參與免疫調(diào)控。膽汁酸和膽汁酸衍生物代謝紊亂是CFS患者腸道菌群失調(diào)所誘導(dǎo)的最顯著的特征之一[5]。擬桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬等厭氧菌可產(chǎn)生膽汁鹽水解酶(Bile Salt Hydrolase,BSH),將結(jié)合膽汁酸水解成游離形式,并通過分泌膽固醇7α-羥化酶促進未結(jié)合的初級膽汁酸向次級膽汁酸轉(zhuǎn)變[35]。經(jīng)腸道菌群代謝后的膽汁酸可直接誘導(dǎo)T細胞的分化,通過調(diào)控調(diào)節(jié)性T細胞、輔助性T細胞17的平衡,改變免疫炎癥的發(fā)生與否[36]。此外,膽汁酸代謝紊亂可增加病毒、致病菌感染。據(jù)報道,黑麥芽孢桿菌的豐度降低可影響B(tài)SH分泌、活性,BSH活性的高低與霍亂弧菌的易感性正比,而通過移植健康的腸道菌群可有效抵抗霍亂弧菌在腸道的定植并降低其毒理作用,防止腹瀉的發(fā)生[37];一項探索腸道菌群增強哺乳動物腸道病毒感染的機制研究表明,在諾如病毒感染的過程中,腸道菌群在小腸近端和腸道遠端區(qū)域發(fā)揮作用相反,共生菌通過增強膽汁酸所誘導(dǎo)的Ⅲ型干擾素,抑制近端腸道感染,并通過Ⅲ型干擾素非依賴性增強遠端腸道感染[38]。

4 小結(jié)

腸道菌群失調(diào)是CFS發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵誘因,其通過改變內(nèi)毒素耐受、破壞腸道屏障、改變腸道菌群代謝等機制,促使免疫因子及神經(jīng)遞質(zhì)的異常改變,誘導(dǎo)CFS相關(guān)腦區(qū)激活。腸道菌群失調(diào)在CFS的誘導(dǎo)作用不僅闡明了CFS神經(jīng)功能異常、免疫功能受損、胃腸道功能紊亂等多個系統(tǒng)病變同時存在的難題,而且提供了從系統(tǒng)生物學(xué)角度探索CFS發(fā)病機制的可行性方案。但腸道菌群與CFS相互作用的研究尚處于起步階段,研究數(shù)量較少,相關(guān)腸道菌群研究結(jié)果存在差異較大,一致性較差等問題,高質(zhì)量的臨床研究和機制研究相對缺乏。因此,進一步以腸道菌群研究為中心,以基因組學(xué)、代謝組學(xué)、神經(jīng)影像學(xué)等涉及多個系統(tǒng)的檢測方式為技術(shù)支撐,將有利于提供更加全面、深入地認識CFS。CFS腸道菌群研究將帶來探索CFS神經(jīng)、免疫功能異常作用機制新視角,同時也為臨床CFS治療提供參考。