微生物-腸-腦軸與酒精誘導(dǎo)腦損傷的研究進展

厲 穎李燦委范孟然尹愛武劉衛(wèi)紅高鵬飛

(1.大理大學(xué)藥學(xué)院，云南 大理 671000；2.大理大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，云南 大理 671000；3.湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411104；4.大理大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，云南 大理 671000；5.云南省昆蟲生物醫(yī)藥研發(fā)重點實驗室，云南 大理 671000)

酒精是一種精神活性物質(zhì)，具有多種行為和神經(jīng)生物學(xué)效應(yīng)，過度飲酒不僅對大腦有直接影響，還與外傷、癲癇和中風(fēng)等風(fēng)險的增加有關(guān)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，低劑量的酒精也會導(dǎo)致運動控制、判斷和反應(yīng)時間受損[2－3]。酒精暴露不僅破壞大腦的表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄過程，也損害神經(jīng)再生，誘發(fā)神經(jīng)炎癥，例如，酒精可調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，誘導(dǎo)其增生、活化、產(chǎn)生促炎性細(xì)胞因子[4－5]。腸道微生物、腸道和大腦三者間有著密切的信息交流，由此誕生微生物-腸-腦軸的概念[6]。腸道微生物可通過腸-腦軸影響大腦的行為和功能[7]。有報道稱，酒精中毒與腸道微生物失調(diào)有關(guān)，腸道微生物代謝物，如胃腸激素、短鏈脂肪酸、神經(jīng)活性化合物前體和神經(jīng)遞質(zhì)等，均可影響生理和身體的正常功能[8]。本文通過查閱中國知網(wǎng)、Pubmed等數(shù)據(jù)庫，總結(jié)近年來微生物-腸-腦軸在酒精誘導(dǎo)腦損傷中的研究進展，為相關(guān)研究提供參考。

1 微生物-腸-腦軸

人類腸道微生物群主要由細(xì)菌組成，其他包括古菌、真菌、寄生蟲和病毒等，其中90%為厚壁菌門和擬桿菌門，另有放線菌門、變形菌門和疣微菌門等[9－10]。微生物-腸-腦軸是腸道菌群與大腦之間的雙向通訊通道，一方面，神經(jīng)信號可影響腸道功能，改變腸道菌群的組成；另一方面，腸道微生物群可通過不同途徑向大腦發(fā)出信號，包括免疫和迷走神經(jīng)的激活、產(chǎn)生微生物代謝物、多肽、神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)節(jié)劑[11－12]。該軸的功能障礙可導(dǎo)致許多神經(jīng)精神類疾病，如腸易激綜合征、自閉癥和帕金森病等[13－15]。微生物群對自閉癥、焦慮、抑郁、帕金森病和精神分裂癥的影響已在臨床前和臨床工作中得到驗證，成為各種腦部疾病的潛在診斷和治療靶點[16]。有研究表明，腸道微生物群組成的改變可能導(dǎo)致神經(jīng)免疫過程和周圍炎癥[17－18]。酒精暴露可增加腸道通透性，改變腸道微生物群的組成，使腸道內(nèi)的微生物進入體循環(huán)，被血液中循環(huán)的免疫細(xì)胞或存在于靶器官的免疫細(xì)胞識別，合成促炎細(xì)胞因子。促炎細(xì)胞因子是腸腦交流的重要介質(zhì)，可以到達(dá)中樞神經(jīng)系統(tǒng)，誘發(fā)與情緒、認(rèn)知和飲酒行為變化相關(guān)的神經(jīng)炎癥[19]。

2 酒精對腦影響的腸道微生物特征

酒精攝入可使腸道微生物的組成和功能發(fā)生變化[20]。有報道稱，在酗酒者和慢性酒精暴露的小鼠模型中，促炎腸道微生物豐度增加，如變形桿菌；正常共生細(xì)菌豐度減少，如擬桿菌門[21－22]。Xu等[23]研究了酒精攝入誘導(dǎo)腸道細(xì)菌的變化及其與神經(jīng)心理行為的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)酒精攝入可使腸道菌群發(fā)生明顯的變化，在門水平上放線菌和藍(lán)藻菌增加；在屬水平上，安德克氏菌屬(Adlercreutziaspp.)和蘇黎世桿菌屬(Turicibacterspp.)增加；進一步分析表明，Adlercreutziaspp.與酒精偏好呈正相關(guān)，與焦慮樣行為和前額葉皮質(zhì)中腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurophic factor，BDNF)/γ-氨基丁酸A受體α1(GABAAα1)的變化呈負(fù)相關(guān)。BDNF能促進運動神經(jīng)元和多巴胺能神經(jīng)元等的存活，增加神經(jīng)遞質(zhì)的合成，改變細(xì)胞膜上離子通道活性，在學(xué)習(xí)記憶、認(rèn)知功能和情緒障礙的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用[24]。γ-氨基丁酸(GABA)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，通過與GABAAα1受體結(jié)合，發(fā)揮突觸后抑制作用[25]。以上研究提示，慢性酒精暴露過程中的腸道菌群失調(diào)與酒精誘導(dǎo)的神經(jīng)心理行為和腦部BDNF/GABAAα1的表達(dá)密切相關(guān)。

Wang等[26]通過研究腸道微生物在酒精成癮中的作用機制，發(fā)現(xiàn)酒精成癮小鼠的腸道微生物多樣性發(fā)生顯著變化，厚壁菌門及其梭菌綱豐度升高，擬桿菌門降低；膽汁酸和次級膽汁酸水平均升高，厚壁菌門可產(chǎn)生次級膽汁酸，結(jié)果提示，腸道微生物組成的變化可能影響機體代謝，是酒精成癮的作用機制之一；此外，強迫飲酒組小鼠的5-羥色胺(5-HT)水平升高，90%的5-HT由腸嗜鉻細(xì)胞、肌腸神經(jīng)元和粘膜肥大細(xì)胞在腸道中合成，是一種調(diào)節(jié)胃腸道和其他器官系統(tǒng)的腦神經(jīng)遞質(zhì)[27]，提示腸道微生物的改變可能調(diào)控5-HT水平；本研究顯示，積極飲酒組小鼠?；撬崴缴撸瑥娖蕊嬀平M?；撬崴浇档停；撬崮芨纳颇承┥窠?jīng)病理形態(tài)，缺乏?；撬釙p緩小腦、錐體細(xì)胞和視覺皮層的細(xì)胞分化和遷移[28]，這間接闡釋了適度飲酒對大腦有正面積極的作用、過量飲酒對大腦有明顯的負(fù)面影響[29]。

Jadhav等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在酒精成癮大鼠模型中，腸道微生物的變化可影響腦紋狀體多巴胺受體的表達(dá)；梭菌目、瘤胃菌科、毛螺菌科等細(xì)菌與酒精使用障礙嚴(yán)重程度呈正相關(guān)；毛螺菌科UCG-006、嗜酸球菌、沙特爾沃思菌屬、球菌屬，以及噬糖厭氧產(chǎn)氫桿菌的豐度變化與多巴胺2受體mRNA的表達(dá)降低有關(guān)。有研究報道，瘤胃菌科、毛螺菌科和α多樣性與酒精損傷的嚴(yán)重程度和腸道通透性改變相關(guān)[31]。以上研究提示，腸道菌群的組成變化與酒精成癮大腦回路中的神經(jīng)密切相關(guān)。此外，Peterson等[32]研究乙醇蒸汽對小鼠腸道微生物群的影響，發(fā)現(xiàn)另枝菌屬顯著增加，梭菌屬IV和XIVb、多爾氏菌屬、糞球菌屬明顯降低。

3 酒精通過微生物-腸-腦軸對腦損傷影響的機制研究進展

3.1 免疫

越來越多的證據(jù)顯示，免疫系統(tǒng)對大腦的發(fā)育和功能有重要影響，神經(jīng)免疫反應(yīng)的改變可能導(dǎo)致神經(jīng)病理變化[33]。據(jù)報道，神經(jīng)免疫系統(tǒng)的激活參與酒精誘導(dǎo)的腦損傷過程，腸道微生物在這一過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其與大腦之間交流的中斷或改變可能是許多精神障礙的重要因素[34－35]。炎癥反應(yīng)是人體免疫系統(tǒng)中保護機體的重要防線，腸道微生物代謝物內(nèi)毒素(LPS)可激活巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞、白細(xì)胞等，釋放腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-1(IL-1)、IL-6、血小板活化因子等促炎性介質(zhì)，產(chǎn)生炎癥級聯(lián)反應(yīng)[36]。腸道微生物及其代謝物的改變可誘發(fā)炎癥反應(yīng)，并促進LPS向體循環(huán)的轉(zhuǎn)移，加強腦部炎癥的發(fā)展進程。

3.1.1 炎癥

酒精誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥在酒精依賴、抑郁癥和其他精神疾病的病理生理學(xué)中發(fā)揮重要作用[37]。酒精成癮或戒斷可能會導(dǎo)致腸道保護性菌落減少或致病性菌落增加，進而誘導(dǎo)炎癥信號和細(xì)胞因子釋放的改變，促使迷走神經(jīng)收縮或改變其神經(jīng)保護傳入信號[20]。Lowe等[38]發(fā)現(xiàn)，酒精的攝入改變了腸道微生物的組成，增加了腸道通透性，促進微生物成分進入體循環(huán)，誘發(fā)神經(jīng)炎癥和小腸促炎細(xì)胞因子的表達(dá)；口服抗生素通過減少腸道細(xì)菌負(fù)荷，降低腸道和腦部炎癥小體的表達(dá)，保護機體免受酒精引起的神經(jīng)炎癥反應(yīng)。Jiang等[39]研究發(fā)現(xiàn)，酒精可誘導(dǎo)腸道菌群多樣性和結(jié)構(gòu)的變化，其影響機制包括小膠質(zhì)細(xì)胞的激活、炎性細(xì)胞因子釋放、BDNF蛋白表達(dá)抑制和AKT/GSK3β/β-catenin信號通路的調(diào)控等。Monnig等[40]發(fā)現(xiàn)，在艾滋病和慢性酗酒的情況下，腸-腦軸的促炎紊亂可能導(dǎo)致神經(jīng)認(rèn)知障礙，減少飲酒對降低炎癥相關(guān)認(rèn)知障礙和死亡率至關(guān)重要。

3.1.2 內(nèi)毒素

正常情況下活菌和細(xì)菌衍生的代謝物不會進入血液，酒精的攝入可破壞腸屏障的完整性，使腸道細(xì)菌及細(xì)菌產(chǎn)物進入血液，如LPS，其是toll樣受體4(TLR4)的配體，TLR4是單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞上表達(dá)的先天免疫受體，LPS與TLR4受體復(fù)合物結(jié)合，可激活單核細(xì)胞，產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子和趨化因子[41－42]。LPS通過TLR4依賴機制調(diào)控腦內(nèi)免疫功能、髓鞘和突觸形成的基因表達(dá)[38－43]。酒精的攝入增加了LPS從胃腸道到血液的轉(zhuǎn)移，進而引發(fā)小膠質(zhì)細(xì)胞的免疫激活導(dǎo)致神經(jīng)退行性變[44]。小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)固有的免疫效應(yīng)細(xì)胞，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生理過程中發(fā)揮著重要作用[45]。此外，Shukla等[46]發(fā)現(xiàn)酒精誘導(dǎo)LPS從母體腸道的吸收，參與了胎兒腦內(nèi)基因表達(dá)的變化，可能涉及自閉癥基因的表達(dá)改變。研究發(fā)現(xiàn)，妊娠期間外源性LPS給藥會導(dǎo)致子輩發(fā)生類似自閉癥的行為，而且在自閉癥患者中，血清LPS水平顯著升高[47－48]。

3.2 色氨酸代謝

腸道微生物可通過多種機制調(diào)節(jié)色氨酸代謝通路，色氨酸是一種必須氨基酸，經(jīng)腸胃吸收后進入大腦，代謝產(chǎn)生神經(jīng)活性化合物，如犬尿酸和喹啉酸，前者可阻斷N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體的甘氨酸位點，后者可刺激NMDA受體[49]。腸道微生物對色氨酸代謝的調(diào)節(jié)主要通過犬尿氨酸途徑，其是色氨酸代謝的主要途徑，占色氨酸代謝的95%，色氨酸代謝參與腸-腦軸的調(diào)控，腸道菌群可通過直接和間接機制介導(dǎo)色氨酸對犬尿氨酸途徑的調(diào)控[50]。Giménez-Gómez等[51]研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物參與了酒精引起腦部色氨酸代謝的改變，在吲哚胺2，3-雙加氧酶(IDO)和色氨酸2，3-雙加氧酶(TDO)的作用下，色氨酸轉(zhuǎn)化為犬尿氨酸，這兩種酶在大腦中均表現(xiàn)出較低的基礎(chǔ)活性，長期過量飲酒導(dǎo)致免疫系統(tǒng)激活，產(chǎn)生神經(jīng)炎癥反應(yīng)，誘導(dǎo)IDO的活性，導(dǎo)致大腦犬尿氨酸水平的增加。有研究報道，外源性注射犬尿氨酸及其代謝物犬尿酸，可減少嚙齒動物的酒精消耗[52]。

3.3 其他

有研究報道，從慢性不可預(yù)測的應(yīng)激小鼠到無菌小鼠的糞便微生物移植會導(dǎo)致受體小鼠出現(xiàn)類似抑郁的行為[53－54]。Zhao等[55]將酒精中毒患者的糞便菌群移植到健康小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)接受酒精中毒患者糞便微生物群的小鼠表現(xiàn)出類似焦慮和抑郁的行為，有自發(fā)的酒精偏好，而且內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)中BDNF、GABAAα1亞基減少，伏隔核中代謝型谷氨酸受體1、蛋白激酶C減少。提示腸道菌群可能對酒精偏好有重要影響。Xiao等[56]采用慢性酒精中毒和戒斷小鼠模型，研究酒精戒斷引起的焦慮和行為變化，并將酒精喂養(yǎng)小鼠的腸道微生物移植到正常小鼠中，發(fā)現(xiàn)酒精戒斷可引發(fā)焦慮行為跡象。進一步研究顯示，酒精暴露供體的腸道微生物移植會影響B(tài)DNF、促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素Ⅰ型受體和μ阿片受體編碼基因的表達(dá)變化，可能導(dǎo)致酒精戒斷引發(fā)的焦慮。

4 益生菌介導(dǎo)酒精對腦部的影響

益生菌是一種對宿主有益的活性微生物，主要有酵母菌、益生芽孢菌、丁酸梭菌、乳桿菌、雙歧桿菌、放線菌等，攝入益生菌可改善腸道菌群的組成和功能，提高機體免疫力[57－58]。有研究報道，益生菌在治療神經(jīng)紊亂方面有一定的效果，如乳酸菌和雙歧桿菌等益生菌可降低海馬區(qū)GABAA受體的表達(dá)[59]，增加NMDA受體的表達(dá)[60]，并將GABA轉(zhuǎn)化為谷氨酸[61]，具有潛在的改善焦慮、抑郁的作用。Hadidi Zavareh等[62]研究發(fā)現(xiàn)，益生菌攝入對酒精暴露動物的行為和電生理方面有不同的影響，可以改善酒精暴露大鼠的記憶。

5 研究與展望

腸道微生物可通過炎癥、內(nèi)毒素以及色氨酸代謝等途徑影響酒精誘導(dǎo)腦損傷的發(fā)展?；凇拔⑸?腸-腦軸”理論，加強酒精誘導(dǎo)腦損傷的機制研究，是今后相關(guān)研究的重要方向之一。

但腸道微生物種類繁雜，從眾多差異微生物中篩選出與酒精誘導(dǎo)腦損傷的關(guān)鍵菌株仍面臨眾多挑戰(zhàn)；其次，微生物的組成和功能易受遺傳、飲食、年齡、性別和疾病等因素的影響；而且，以動物為研究對象的實驗結(jié)果對人類的適用性有待探討；此外，“微生物-腸-腦軸”是腸道菌群通過大腦調(diào)控人體機能的主要方式，但有研究顯示，腸道微生物也可以通過腸道的相關(guān)神經(jīng)元，獨立于中樞神經(jīng)對人體機能進行調(diào)控，提示其作用方式的多樣性[63]。

今后應(yīng)加強對腸道菌群分類及功能分析的研究，強化對關(guān)鍵細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物的深入分析，使其更高效的用于酒精相關(guān)腦病的機制研究；其次，應(yīng)注意建立統(tǒng)一的實驗標(biāo)準(zhǔn)，降低相關(guān)影響因素對腸道微生物特征的影響。例如，Dubinkina等[64]通過研究酒精依賴患者腸道微生物群組成與酒精依賴綜合征和酒精性肝病的關(guān)系，并對腸道菌群的分類和功能組成進行多因素分析，發(fā)現(xiàn)酒精依賴和肝功能障礙兩個主要臨床因素，對酒精依賴患者腸道微生物群落及功能有不同的影響；此外，應(yīng)加強微生物-腸-腦軸研究從實驗到臨床的轉(zhuǎn)化。