腸道菌群與農(nóng)藥中毒神經(jīng)毒性相關(guān)性研究進(jìn)展

馬蘇綴 周寧

腸道菌群通常被稱作人體的第9 大系統(tǒng)以及第2 大基因組，其種類有500 多種，約為人體細(xì)胞數(shù)量的10 倍，所編碼的基因總和大約是人體基因組的150 倍左右，因此被認(rèn)為是人體的另一個(gè)“器官”［1］。腸道菌群包括細(xì)菌、病毒和真菌等，其中98%為細(xì)菌。人體腸道菌群的產(chǎn)生開始于胎兒期的母體子宮，后隨著年齡的增長，腸道菌群不斷變化并持續(xù)維持著與內(nèi)外環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡。近年來隨著基因測序的興起，人類腸道菌群已鑒定出細(xì)菌的幾十個(gè)門，均受宿主遺傳影響，且隨著時(shí)間和環(huán)境的變化而變化。研究表明，多種因素都影響著腸道菌群的種類、數(shù)量和比例［2］。急性中毒（Acute Poisoning，AP）是指通過皮膚、黏膜、呼吸道、消化道等一種或多種途徑在短時(shí)間內(nèi)與毒物發(fā)生接觸，并與體液、組織發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致宿主體內(nèi)環(huán)境失衡，器官功能紊亂，乃至全身損傷。AP 類型多樣且病情變化迅速，其農(nóng)藥中毒在急診科較為常見，且農(nóng)藥中毒的神經(jīng)毒性作用對人類的預(yù)后危害極大。越來越多的研究表明AP 可影響腸道菌群，進(jìn)而通過MGBA 導(dǎo)致神經(jīng)毒性作用，從而影響預(yù)后的發(fā)展，這就是為什么評估毒理學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)必須將腸道菌群視為一個(gè)危險(xiǎn)因素。因此本文就腸道菌群在腸-腦軸間的作用機(jī)制及對不同農(nóng)藥中毒類型的神經(jīng)毒性的研究進(jìn)展作一綜述。

1 菌群-腸-腦軸

研究表明，腸道菌群主要通過MGBA 影響神經(jīng)毒性作用。 MGBA 由中樞神經(jīng)系統(tǒng)（Central Nervous System，CNS）、自主神經(jīng)系統(tǒng)（Autonomic Nervous System，ANS）和腸神經(jīng)系統(tǒng)（Enteric Nervous System，ENS）以及神經(jīng)內(nèi)分泌、神經(jīng)免疫和菌群組成。CNS 由大腦和脊髓組成，它是宿主體內(nèi)的最高指揮中心；ANS 又分為交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)，主要負(fù)責(zé)控制宿主體內(nèi)的腺體和器官；ENS 是周圍神經(jīng)系統(tǒng)的一個(gè)分支，直接控制著胃腸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)、血流、代謝和激素分泌，并且包括兩個(gè)神經(jīng)節(jié)神經(jīng)叢［3］。MGBA 還以雙向方式導(dǎo)致腸道和大腦之間的復(fù)雜相互作用［4］，CNS和菌群之間的通路途徑包括迷走神經(jīng)刺激神經(jīng)遞質(zhì)、激素或者菌群代謝物（如短鏈脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids，SCFAs）），從而導(dǎo)致對ENS 信號傳導(dǎo)的刺激。此外，SCFAs還可穿過血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）的血流從腸道轉(zhuǎn)移到大腦［5］。動(dòng)物研究表明，腸道菌群失衡可調(diào)節(jié)大腦免疫、代謝狀態(tài)和神經(jīng)功能［6，7］。為了更好地理解此途徑是如何發(fā)生的，本文主要從免疫通路來探討這種相互作用。

1.1 免疫通路

在大腦和腸道之間，ENS 和HPA 保持著動(dòng)態(tài)平衡，但是與這兩者直接相互作用的關(guān)鍵中介是免疫系統(tǒng)。腸道本身即是一個(gè)免疫器官，因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)物理屏障，內(nèi)部充滿了先天和后天免疫細(xì)胞。其可以防御病原體，并將其與外部生態(tài)環(huán)境分開。腸道菌群有助于免疫系統(tǒng)的成熟：微生物相關(guān)分子模式是它在免疫系統(tǒng)中的呈現(xiàn)方式。其中之一是脂多糖，它激活或刺激樹突狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞［8］。激活免疫系統(tǒng)產(chǎn)生炎性細(xì)胞因子，如白介素-6（Interleukins 6，IL-6）和白介素-8（IL-8），這些細(xì)胞因子可以作用于傳入神經(jīng)，也可以穿過BBB，與小膠質(zhì)細(xì)胞相互作用。小膠質(zhì)細(xì)胞是形成CNS 免疫系統(tǒng)的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，主要存在于大腦中。其主要功能是通過吞噬作用消除死亡的神經(jīng)元和其他細(xì)胞碎片，起到促炎作用。迷走神經(jīng)已被證明可以激活小膠質(zhì)細(xì)胞，因?yàn)槊宰呱窠?jīng)信號是由某些腸道細(xì)菌介導(dǎo)的T 淋巴細(xì)胞誘導(dǎo)所必需的［9］。腸道菌群穩(wěn)定小膠質(zhì)細(xì)胞的另一種信號通路是SCFAs。SCFAs 是結(jié)腸中最豐富的代謝產(chǎn)物，腸道菌群產(chǎn)生SCFAs，其通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和受體進(jìn)入腸上皮，并隨后進(jìn)入循環(huán)，以參與體內(nèi)的調(diào)節(jié)［10］。此外也有研究表明，當(dāng)腸道菌群受到干擾時(shí)，SCFAs 可能通過血液循環(huán)途徑影響神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)展［11］，因此大量證據(jù)表明SCFAs 在神經(jīng)炎癥反應(yīng)中起重要作用，這些SCFAs 具有抑制IL-6 和IL-8 等細(xì)胞因子的能力，從而發(fā)揮抗炎作用［12］。腸道中SCFAs 的減少與克羅恩病或者潰瘍性結(jié)腸炎等疾病有關(guān)，也與神經(jīng)退行性變有關(guān)，這些均表明，腸道菌群的平衡在調(diào)節(jié)宿主的炎癥反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。

2 腸道菌群與有機(jī)磷農(nóng)藥中毒神經(jīng)毒性的相關(guān)性

既往研究表明，有機(jī)磷農(nóng)藥中毒可引起神經(jīng)毒性作用，其毒理化合物為有機(jī)磷酸酯殺蟲劑，其中毒死蜱（Chlorpyrifos，CPF）是有機(jī)磷酸鹽殺蟲劑的一種，不可逆地抑制乙酰膽堿酯酶，導(dǎo)致昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)崩潰。暴露于它會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)毒性。在一項(xiàng)體外研究中，Mendler 等人研究了農(nóng)藥是否可以通過調(diào)節(jié)粘膜相關(guān)恒定T 細(xì)胞（Mucosalassociated invariant T cells（MAIT 細(xì)胞））的方式影響免疫系統(tǒng)，從而影響腸道菌群。他們用50-200 μM 濃度的CPF 處理了青少年雙歧桿菌，羅伊氏乳桿菌和大腸桿菌16 小時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在這三種菌株中，CPF 處理顯著增加了大腸桿菌介導(dǎo)的MAIT 細(xì)胞活化，并且CPF 處理下大腸桿菌葉酸生物合成途徑的蛋白質(zhì)減少［13］。這表明大腸桿菌會(huì)導(dǎo)致酶的失調(diào)以及激活MAIT 細(xì)胞的代謝產(chǎn)物的積累，從而激活免疫系統(tǒng)，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的發(fā)生。此外，Réquilé 等人［14］在模擬腸道環(huán)境和腸粘膜的體外模型中暴露CPF，發(fā)現(xiàn)因CPF 暴露而減少最多的細(xì)菌種群是雙歧桿菌，其次是乳酸桿菌。其中腸道中乳酸桿菌在SCFAs 的生產(chǎn)中起關(guān)鍵作用。可見CPF 可導(dǎo)致SCFAs 的減少，從而導(dǎo)致免疫通路中抗炎作用失調(diào)?？梢娪袡C(jī)磷農(nóng)藥中毒可通過影響菌群-腸-腦軸，進(jìn)而影響其神經(jīng)毒性作用。

3 腸道菌群與百草枯農(nóng)藥中毒神經(jīng)毒性的相關(guān)性

百草枯農(nóng)藥中毒（Paraquat herbicide，PQ）被認(rèn)為是一種潛在的神經(jīng)毒性環(huán)境因子，并且是一種在累積壽命暴露和神經(jīng)毒性風(fēng)險(xiǎn)增加之間具有劑量依賴性關(guān)系的除草劑。此前，關(guān)于PQ 的神經(jīng)毒性作用，絕大多數(shù)研究都集中在神經(jīng)元-神經(jīng)膠質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)上，最近有研究發(fā)現(xiàn)，PQ被認(rèn)為是神經(jīng)退行性疾?。∟eurodegenerative Disorder，NDDs）的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素之一，PQ 暴露引起的腸道菌群紊亂可能是NDDs 發(fā)生的最初環(huán)節(jié)［15］。腸道菌群組成和豐度的變化可以促進(jìn)神經(jīng)炎癥反應(yīng)并有助于NDDs 的發(fā)展。此外，PQ 暴露導(dǎo)致SCFAs 減少，從而影響MGBA［15］。因此，PQ 可通過免疫系統(tǒng)影響神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，進(jìn)而影響神經(jīng)毒性作用。

目前，急性中毒的治療方案缺少特異性，但其發(fā)病又常常很嚴(yán)重，尤其農(nóng)藥中毒的神經(jīng)毒性作用對人類的影響危害極大。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群在神經(jīng)-免疫-內(nèi)分泌連接中的雙向作用，并且有足夠的證據(jù)表明急性中毒與其相互作用。急性中毒可影響腸道菌群的組成，后者通過MGBA 影響神經(jīng)毒性作用，進(jìn)而影響中毒的預(yù)后，此外，益生元、益生菌或者糞菌移植能改變MGBA 屏障，使腸道菌群重塑。因此準(zhǔn)確地了解腸道菌群對農(nóng)藥中毒神經(jīng)毒性的作用機(jī)制，便可以幫助預(yù)防神經(jīng)毒性作用。但MGBA 的復(fù)雜性和腸道菌群多樣性及豐度的變化對未來的研究提出了重大挑戰(zhàn)，尤其在農(nóng)藥中毒方面的研究值得進(jìn)一步探索。