微生物對腦功能影響的研究進展

楊程惠，周 波,2△

(1.電子科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院，四川 成都 610000；2.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院心身醫(yī)學(xué)中心，四川 成都 610000)

微生物群在決定行為和認(rèn)知方面的作用越來越被重視。事實上，嬰兒大腦自身的發(fā)育已經(jīng)被證明是受微生物群的影響。因此，腸道微生物群與大腦的交流，通過所謂的“微生物-腸-腦軸”，代表了一個新的生物學(xué)軸，通過這個軸，新的干預(yù)治療方法可以被設(shè)計來影響大腦的功能和行為。

1 微生物-腸-腦軸

腸道與大腦之間的雙向交流是通過神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)，腸神經(jīng)系統(tǒng)(enteric nervous system，ENS)，自主神經(jīng)系統(tǒng)(autonomic nervous system，ANS)以及免疫系統(tǒng)這些多重重疊途徑實現(xiàn)的[1]。通常人體在胃腸道內(nèi)發(fā)生這種雙向交流，胃腸道含有體內(nèi)最多的免疫細胞以及約5億個神經(jīng)末梢。ENS的20%屬于初級傳入神經(jīng)元，可通過迷走神經(jīng)將胃腸道內(nèi)的微妙變化傳達給大腦[2]。這種生物化學(xué)和神經(jīng)元性的信號傳導(dǎo)通路被稱為“腸-腦軸”。此外，腸道還含有數(shù)百萬種微生物，這些微生物也可在腸-腦軸上發(fā)揮重要作用，并對人體健康產(chǎn)生重大影響，形成“微生物-腸-腦軸”。闡明腸道和大腦相互作用的途徑以及所涉及的生物學(xué)機制有助于推進GI和神經(jīng)精神疾病的綜合治療方法。

2 雙向交流重要途徑和神經(jīng)生物學(xué)機制

來自神經(jīng)科學(xué)、胃腸病學(xué)和微生物學(xué)研究領(lǐng)域的證據(jù)支持腸道菌群在各種代謝疾病、胃腸道疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的調(diào)節(jié)作用[3]。鑒于腸道菌群與大腦之間經(jīng)腦-腸軸的復(fù)雜的信息交換，腦內(nèi)化學(xué)遞質(zhì)，以及大腦支配的行為也可能受到微生物的影響。中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)與腸道菌群之間通過多種機制和途徑產(chǎn)生雙向作用[4]。下面重點介紹幾個關(guān)鍵的微生物-腸-腦軸神經(jīng)生物學(xué)途徑，包括微生物的細胞壁組分及其代謝產(chǎn)物，迷走神經(jīng)，大腦神經(jīng)遞質(zhì)，以及腦神經(jīng)肽。

2.1 迷走神經(jīng)迷走神經(jīng)可傳輸外周和CNS之間的傳出和傳入感覺，構(gòu)成了從腸到大腦的直接聯(lián)系。腸道微生物與CNS之間的信息雙向交流可通過迷走神經(jīng)傳入途徑調(diào)節(jié)[5，6]。研究已經(jīng)通過迷走神經(jīng)感覺神經(jīng)元中c-FOS的產(chǎn)生和迷走神經(jīng)切斷術(shù)確定了這些相互作用的可能神經(jīng)機制。c-FOS的表達和神經(jīng)元c-FOS mRNA的表達上調(diào)可作為最近神經(jīng)元活動的指標(biāo)。有趣的是，與非感染動物相比，感染致病性檸檬酸桿菌和空腸彎曲桿菌的動物證明了迷走神經(jīng)感覺神經(jīng)節(jié)、自主神經(jīng)內(nèi)臟感覺核和選擇性腦區(qū)域(室間核，杏仁核的基底外側(cè)核，紋狀體的床核，內(nèi)側(cè)前額葉和前扣帶皮層)中c-FOS的水平升高，表明胃腸道致病性刺激與焦慮癥相關(guān)腦區(qū)之間的聯(lián)系[5，6]。對感染鼠傷寒沙門氏菌以模擬天然細菌感染狀況的大鼠進行迷走神經(jīng)切斷的研究，結(jié)果進一步證實了在輸送腸道免疫信號到CNS通路中，迷走神經(jīng)的重要功能，一旦迷走神經(jīng)通路被切斷，那些神經(jīng)元中的c-FOS表達減弱，免疫細胞所占百分比降低[7]。 因此，探索迷走神經(jīng)傳入途徑在介導(dǎo)腸道微生物群和大腦之間信息相互交流中的作用，對于發(fā)現(xiàn)新型的行為障礙治療干預(yù)措施有促進作用。

2.2 細胞壁組分和免疫反應(yīng)肽聚糖可激活宿主的黏膜免疫系統(tǒng)，它是細菌細胞壁主要成分。通過識別病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)等促炎微生物成分，機體可激活非特異性免疫反應(yīng)。PAMPs與防御細胞上的模式識別受體結(jié)合，產(chǎn)生炎性細胞因子，這些細胞因子進而通過外周迷走神經(jīng)通路間接的或通過血-腦屏障直接影響大腦[3]。比如，白細胞介素6和趨化因子配體2等炎癥細胞因子，可通過兩種途徑作用于腦：①PAMPs通過體液途徑作用于特定腦區(qū)TOLL樣受體；②通過傳入神經(jīng)介導(dǎo)的神經(jīng)通路。與革蘭氏陰性細胞壁相關(guān)的PAMPs包括肽聚糖單體，脂多糖(LPS)，孔蛋白和富含甘露糖的糖鏈。與革蘭氏陽性菌相關(guān)的PAMPs包括脂磷壁酸和肽聚糖單體。諸如此類的細胞壁組分可刺激與神經(jīng)信號相關(guān)的、腸上皮細胞分泌的其他小分子的產(chǎn)生[8]，但需要更多的研究來證實這些研究發(fā)現(xiàn)；綜上，腸道菌群作用于全身和黏膜免疫系統(tǒng)的免疫調(diào)節(jié)，顯示了腸道菌群可能影響腦功能和行為的潛在機制。

2.3 代謝產(chǎn)物機體大腦過程和免疫應(yīng)答，還可能受來自飲食營養(yǎng)成分消化的代謝產(chǎn)物，以及微生物發(fā)酵后的代謝產(chǎn)物的影響。腦內(nèi)相當(dāng)數(shù)量的脂肪酸，有利于調(diào)節(jié)如神經(jīng)傳遞，細胞存活和神經(jīng)炎癥等多種過程[9]。來源于微生物的主要代謝產(chǎn)物——短鏈脂肪酸，能改變腸道黏膜通透性，刺激神經(jīng)肽的釋放，并增強免疫系統(tǒng)功能。色氨酸是必需氨基酸，并且是許多生物活性劑的前體，包括在CNS中合成的5-羥色胺。研究證實低水平的血漿色氨酸與免疫功能有關(guān)[10]。色氨酸與免疫功能之間的這種相互作用可能顯著影響機體CNS功能和情緒障礙的發(fā)展。綜上，這些代謝產(chǎn)物被認(rèn)為是微生物-腸-腦軸的重要介質(zhì)，可作為臨床干預(yù)的有效靶標(biāo)。

2.4 神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)肽已有研究證實，腦內(nèi)多種神經(jīng)肽類和神經(jīng)遞質(zhì)可由如乳桿菌屬，雙歧桿菌屬，大腸桿菌屬，腸球菌屬等多種細菌產(chǎn)生[11，12]，包括γ-氨基丁酸、5-羥色胺以及腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子。這些神經(jīng)遞質(zhì)是腦內(nèi)的化學(xué)信使，通過化學(xué)突觸將信號從一個神經(jīng)元傳遞到另一個目標(biāo)神經(jīng)元，或肌肉細胞，或腺體細胞。神經(jīng)肽是可以在腦中被釋放的小蛋白質(zhì)，可激活不同的受體，從而允許神經(jīng)元之間相互交流。神經(jīng)遞質(zhì)與神經(jīng)肽都被認(rèn)為是神經(jīng)元信號的傳遞者，它們的不平衡可以對大腦和大腦支配的行為產(chǎn)生顯著的影響。

3 微生物-腸-腦軸對焦慮和抑郁的影響

焦慮障礙是以擔(dān)心或恐懼為特征的常見的精神障礙[13]，同時，全球有超過3.5億人患有抑郁癥[14]。雖然這些疾病的確切病因仍然未知，但已經(jīng)提出了幾種可能的神經(jīng)生物學(xué)機制，包括腦內(nèi)的化學(xué)失衡，炎癥和應(yīng)激。例如，腦內(nèi)關(guān)鍵神經(jīng)遞質(zhì)如5-HT、去甲腎上腺素、多巴胺的減少，激素如皮質(zhì)醇的變化，神經(jīng)內(nèi)分泌途徑的改變，炎性細胞因子如IL-6的增加，以及與疾病和炎癥有關(guān)的白細胞，這些已經(jīng)全部被證實與焦慮和抑郁有關(guān)。解釋這些動態(tài)和相互關(guān)聯(lián)的生理變化的一種方式是通過應(yīng)激。與應(yīng)激有關(guān)的關(guān)鍵生物反應(yīng)不僅包括下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸和ANS，還包括它們與代謝、免疫系統(tǒng)的促炎和抗炎成分的復(fù)雜相互作用[15]。值得注意的是，已有足夠多的證據(jù)支持腸道菌群和應(yīng)激反應(yīng)系統(tǒng)之間的雙向關(guān)系[16]。所以，通過應(yīng)激相關(guān)的免疫途徑、ANS以及神經(jīng)內(nèi)分泌途徑，腸道微生物可能在焦慮抑郁的預(yù)防干預(yù)方面產(chǎn)生重要作用。

3.1 微生物與應(yīng)激應(yīng)激是生命的固有部分，但應(yīng)激反應(yīng)的紊亂對腦和行為有廣泛的心理生物學(xué)影響。來自微生物學(xué)以及神經(jīng)生物學(xué)等不同領(lǐng)域的研究表明，固有屏障防御，如由共生微生物提供的屏障，可能被暴露于心理應(yīng)激中而受到干擾。例如，Tannock和Savage[17]的一項早期研究表明，將小鼠移動到?jīng)]有窩、食物和水的籠子中，從而減少了乳桿菌在胃腸道中產(chǎn)生的數(shù)量。心理應(yīng)激因素對微生物健康的影響需進一步的研究。例如，將能夠隨意獲得食物和水的嬰兒獼猴暴露于母體分離的應(yīng)激中，這些嬰兒米后顯示出了整體的乳桿菌數(shù)量顯著降低[17]。更值得注意的是，那些表現(xiàn)出最大壓力跡象行為的猴子體內(nèi)的乳桿菌數(shù)量最少。

成年后的慢性應(yīng)激也顯示出對腸道微生物群組成的影響。Bailey等[18]將小鼠暴露于社會破壞應(yīng)激中，這導(dǎo)致小鼠體內(nèi)細胞因子增加和先天免疫反應(yīng)性增強。他們發(fā)現(xiàn)，暴露于應(yīng)激源的小鼠的微生物群與非應(yīng)激對照小鼠的組成不同，其中擬桿菌屬和梭菌屬的豐度顯著降低。此外，增加的IL-6循環(huán)水平和脾臟巨噬細胞的反應(yīng)性提示，暴露于社會應(yīng)激源的小鼠表現(xiàn)出增強的免疫和炎癥反應(yīng)。相比之下，用抗生素治療的小鼠或GF小鼠暴露于社會破壞應(yīng)激，并無IL-6水平和脾臟反應(yīng)性的增加，表明微生物群對應(yīng)激源誘導(dǎo)的免疫激活有潛在必要的聯(lián)系。

3.2 微生物和行為除了微生物群對病理生理的影響之外，新出現(xiàn)的證據(jù)表明，行為也受到腸道細菌的影響。例如，腸道微生物群已經(jīng)被證實與飲食行為相關(guān)[19]，以及腸道微生物組成的變化與情緒，疼痛和認(rèn)知相關(guān)行為的顯著變化相關(guān)[20]。Bercik等使用GF動物來研究腸道微生物群落對炎癥性腸病(IBDs)和神經(jīng)精神障礙的改變[21]。在GF條件下培養(yǎng)的BALB/c和NIH Swiss小鼠，定值與自己相同或相反的菌株微生物譜，結(jié)果值得注意的是，與定值微生物一起被傳播的還有與某菌株相關(guān)的特異性行為特征。例如，給NIH Swiss小鼠接種BALB/c小鼠微生物時，它們增加了探索行為，而用BALB/c微生物接種的NIH Swiss小鼠的探索行為減輕[21]。用常規(guī)菌群定值的Swiss Webster雄性小鼠也表現(xiàn)出到焦慮樣行為的逆轉(zhuǎn)[22]?？偠灾?，這些研究指出腸道微生物對行為產(chǎn)生影響。

不同的實驗何潤研究表示，GF小鼠表現(xiàn)出持續(xù)減少的焦慮癥狀[23～25]。三個獨立的實驗已經(jīng)顯示GF動物(不同菌株和性別)在高架十字迷宮或淺暗箱測試中顯示出減少的焦慮樣行為[22，24，26]。一項研究還報道了GF小鼠海馬齒狀顆粒層BDNF mRNA和5-HT 1 A受體mRNA表達的變化[22]。然而，這些變化的方向與報告的其他數(shù)據(jù)并不一致[27]。這些差異的原因尚不清楚，故需進一步研究以確定分子水平上的這些變化如何解釋在GF動物中觀察到的焦慮樣行為減少。

4 結(jié)論和未來展望

雖然我們對腸道微生物的研究和了解還處于早期階段，但腸道微生物似乎在免疫功能、適應(yīng)性應(yīng)激反應(yīng)，以及最終在大腦功能和行為中起著基礎(chǔ)作用。應(yīng)激可以影響腸道微生物的組成，同時，最近的研究表明腸道微生物也可以影響應(yīng)激相關(guān)的HPA軸、ANS和神經(jīng)生物學(xué)的功能，從而構(gòu)成微生物影響CNS的基本機制。雖然這種復(fù)雜的通訊網(wǎng)絡(luò)有許多可能的傳輸途徑，但最近發(fā)現(xiàn)迷走神經(jīng)、中樞神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)以及生長因子的作用更突出。這一領(lǐng)域的未來工作可能有助于闡明人體生理學(xué)中關(guān)鍵的內(nèi)部聯(lián)系，也可能促進對于神經(jīng)精神疾病最新治療方法的研究。另外，最近有研究表明睡眠不足和生理節(jié)律對神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默病具有一定影響[28]?？紤]到短期睡眠剝奪同樣顯示出可引起腸道微生物群落的輕微變化[29]，這表明腸道微生物群的改變可能以獨特的行為途徑影響人類健康。