細菌-腦-腸軸理論體系的建立

白宇，胡云霞，陳俊偉，于希忠，方南元

(1.南京中醫藥大學，江蘇 南京 210023；2.南京中醫藥大學 第一臨床醫學院，江蘇 南京 210023)

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·綜 述·

細菌-腦-腸軸理論體系的建立

白宇1，胡云霞1，陳俊偉1，于希忠2，方南元2

(1.南京中醫藥大學，江蘇 南京 210023；2.南京中醫藥大學 第一臨床醫學院，江蘇 南京 210023)

腸道菌群可以經腦-腸軸對大腦產生影響，因而形成了細菌-腦-腸軸這一概念。細菌-腦-腸軸的作用在代謝性疾病、精神性疾病、功能性胃腸病等疾病中均有體現，所涉及的途徑包括腸黏膜屏障、神經信號通路、5-羥色胺和色氨酸代謝通路、免疫應答反應、胃腸激素、細菌代謝產物、基因調控、HPA軸等。本文作者就菌-腦-腸軸這一理論的形成和理論基礎作一綜述。

細菌-腦-腸軸；腸黏膜屏障；胃腸激素；短鏈脂肪酸；綜述

腦-腸軸是大腦和胃腸道之間緊密連接的雙向神經體液交流系統。過去對腦-腸軸的研究主要集中在心理狀態與胃腸道功能的互相影響方面。然而最新的研究證據表明腸道菌群與大腦之間可以通過腦-腸軸進行溝通并調節大腦的發育和改變宿主的行為。這一發現重新定義了腸道菌群與腦-腸軸的關系，表明腸道菌群可能通過腦-腸軸改變腦功能影響神經性疾病的發生與發展，進而形成了細菌-腦-腸軸這一新的概念體系[1]。細菌-腦-腸軸理論體系的建立重新闡釋了眾多疾病尤其是代謝性疾病和精神異常性疾病的發生機制，也為其治療提供了新的靶點。

1 腸道菌群對大腦的影響

越來越多的證據表明腸道菌群不僅可以影響腸道生理，而且還可以影響中樞神經系統。首先，臨床研究表明肝性腦病可以通過抗生素治療來達到治愈的目的；而炎癥性腸病的患者，除了腸道菌群的結構異常外還常常伴有精神障礙[2]。其次與正常動物相比，無菌小鼠在焦慮行為、自主控制和記憶力方面均有顯著差異。第三，腸道菌群能干預宿主早期的腦部發育情況并對宿主行為產生顯著影響。實驗發現，與正常小鼠相比無菌小鼠能自主活動較多而焦慮樣行為較少，但是較早暴露于有菌環境中的無菌小鼠行為更趨向于正常的SPF小鼠[3]。基于宏基因組學研究結果則顯示，焦慮、抑郁、自閉癥、精神分裂癥和腸易激綜合征等精神行為異常的患者與健康人相比均存在菌群結構發生變化的情況。最后，益生菌治療已被證明可以改變大腦的行為。例如，雙歧桿菌str.NCC3001能改善中度結腸炎小鼠所表現出的焦慮樣行為，而益生菌治療也可以不同程度改變因母鼠與子鼠分離或實驗性心肌梗死誘導出的抑郁樣癥狀，增加小鼠之間的群體互動。

上述證據不僅表明細菌-腦-腸軸是確實存在的，而且對中樞神經功能和宿主整體行為具有強烈的影響。目前用于腸道菌群研究的主要方法包括用抗生素干預、糞便細菌移植、益生菌治療和無菌動物模型[4]。盡管上述的每一種方法都有其局限性，但是仍然取得了很多可喜的進展。細菌對人中樞神經產生影響進而改變情緒和行為的能力也在逐漸被研究人員所重視。

2 腸道菌群與腦-腸軸的互通途徑

腸道菌群之所以能對大腦產生一系列的影響，有賴于腸道菌群和大腦之間互通的信號通路。腸道菌群和大腦之間的溝通途徑是一個復雜的網絡，中間涉及免疫、神經、內分泌等多個系統的相互交叉作用，而確切的機制尚不明確。

2.1 腸黏膜屏障

腸道是人體與腸道菌群接觸最直接的器官，而腸黏膜更是與腸道菌群接觸最直接的組織，因此腸黏膜屏障是細菌和腦-腸軸之間互通的第一站。在肥胖癥中，腸黏膜通透性的增加能導致內毒素脂多糖(lipopolysaccharides，LPS)通過腸黏膜屏障進入宿主血液或組織當中引起內毒素血癥[5-6]。在腸易激綜合征、自閉癥和精神分裂癥患者的身上同樣也發現了腸上皮通透性改變的情況[7-8]。反之，腸道菌群對腸屏障功能亦具有重要的保護作用。例如在肥胖癥和2型糖尿病中，腸道菌群和益生菌可以經由內分泌細胞改善內毒素血癥，減輕炎癥反應。腸道菌群對腸黏膜屏障的保護功能很可能是通過一些內分泌細胞分泌的內分泌肽來完成的，例如胰高血糖素樣肽-2(glucagon-like peptide-2，GLP-2)可以通過3種途徑維持腸黏膜屏障功能[9-10]：(1) 誘導腸上皮細胞增殖，從而影響腸營養作用；(2) 上調腸緊密連接蛋白的表達，增加上皮細胞的連接程度；(3) 控制潘氏細胞生成抗菌肽來參與免疫調控，而抗菌肽則涉及到宿主菌群的分離，從而維持腸黏膜屏障的功能。值得注意的是，在使用GLP-2抑制劑之后，益生菌雖然還能引起腸道菌群結構的改變，但是腸黏膜屏障的改善作用卻完全被抑制。這一系列實驗說明在肥胖癥和2型糖尿病中，L細胞和腸道菌群之間的相互作用，可以改變腸壁黏膜的通透性和炎癥反應程度。

2.2 神經信號通路

消化道黏膜下具有豐富的神經網絡結構，其擁有的神經細胞與頭腦的神經細胞數量相當，因此腸黏膜神經叢又被稱為“腸腦”或“第二大腦”。中樞神經系統(central nervous system，CNS)和腸神經系統(enteric nervous systems，ENS)之間的交互作用主要是經由自主神經系統(autonomic nervous system，ANS)和外周神經系統來實現的。益生菌、乳酸桿菌可以作用于腸道感覺神經的離子通道上，從而影響腸道的運動和疼痛感知。在無菌小鼠的腸管內，感覺神經元的肌間神經叢的興奮性明顯降低，但是對無菌小鼠的腸管移植了正常的腸道菌群后，后超極化的感覺神經元的興奮性又會逐漸增加[11]。有報道顯示，鼠李糖乳桿菌(JB-1)種植到空腸后可以導致交感神經的傳入進一步被激活，主要表現為自發性的興奮頻率增加[12]，而長期予以鼠李糖乳桿菌L治療可以引起腦內GABA受體的區域依賴性表達，并且可以經由小鼠迷走神經信號通路降低應激誘導的皮質酮水平，減輕焦慮和抑郁樣癥狀。因此腦-腸軸可能不僅是一個純粹的機制軸，而是一個長久的動態系統，調整內外環境和因素，干預生理和心理事件。

2.3 5-羥色胺、色氨酸代謝通路

5-羥色胺是人體內一種具有神經功能的生物胺，在中樞神經系統和胃腸道中均有表達。5-羥色胺主要參與腸道內分泌和腸蠕動的調節以及疼痛的感知，對情緒與認知的調控也起到很重要的作用，故而選擇性5-羥色胺再攝取抑制劑和三環類抗抑郁藥已被廣泛應用于情感和胃腸道疾病如腸易激綜合征的治療中。色氨酸是一種必需氨基酸，必須在飲食中充分供應。微生物與色氨酸代謝之間關系的證據已經在無菌小鼠的研究中得到體現。在生命早期缺乏菌群的時候，會導致血漿色氨酸水平的升高而犬尿氨酸/色氨酸的比例降低，并且誘導增加成年后海馬區5-羥色胺水平，這些現象即使是將無菌小鼠斷奶后置于有菌的環境中依然存在。益生菌雙歧桿菌則可以影響色氨酸代謝的代謝，例如在高血氨癥時，攝入瑞士乳桿菌的治療方法，可以明顯降低大鼠炎癥標志物水平，減少血清素代謝，恢復認知功能，改善焦慮樣行為[13-14]。

2.4 免疫應答反應

腸道本身就是一個重要的免疫器官，是外來的病原體和內部的生理環境之間的一個重要的防御屏障，與腸道相關淋巴組織一起組成了人體最大的免疫器官。在動物體上，免疫系統可以通過識別感染性微生物，激活中樞免疫應答的方法來影響中樞神經系統改變宿主行為，引起食欲減少和疲勞等精神癥狀相關的疾病行為。空腸彎曲菌在亞臨床劑量給藥時可導致小鼠焦慮樣行為；在外周予嚙齒類動物的促炎細胞因子則可以誘導出動物如抑郁、睡眠障礙。目前腸道菌群對局部和遠端免疫系統的影響已被逐漸發現，在健康個體中微生物會不斷校準并強化免疫系統以對抗潛在的感染。眾所周知，抗生素治療則會導致腸道菌群失調[15]，這種由抗生素引起的菌群失調也被發現可參與遠端免疫系統的初始啟動環節。口服人類嬰兒雙歧桿菌-35624可以增強人外周血中IL-10的表達水平[16-17]，而無菌小鼠單核吞噬細胞產生I型和II型干擾素(IFN)的能力較有菌小鼠減弱，這也直接導致了無菌小鼠抗病毒免疫缺陷，這也從側面說明應用微生物信號在遠端的免疫系統中的地位[18]。免疫系統受損的患者常常伴有因抗生素治療引起腸道微生態失調的情況，這種治療會降低患者的免疫功能并可能引起致病菌數量的上升和轉移，反而增加全身性感染的機會。

2.5 胃腸激素

腸道也可以經由激素信號通路參與腸內分泌細胞釋放的腸肽與大腦進行溝通，而后者能夠直接作用于大腦。基于無菌小鼠和益生菌的研究表明，腸道菌群也參與到了腸道激素調節機制當中。NPY就是一個被認為參與了細菌-腦-腸軸相互作用的目標激素，它對于微生物的調控作用非常敏感，且同時具備了作為神經系統和內分泌信使的雙重功效。在細菌-腦-腸軸沿線上的多個部位均可以發現NPY的表達，并且NPY具有調節情緒、應激復原和調節胃腸運動的廣泛功能[19]。腸道菌群和激素分泌的影響是相互的，例如去甲腎上腺素濃度應激性升高可以刺激共生的大腸桿菌等革蘭陰性菌的生長，而NPY也被發現對包括大腸桿菌、糞腸球菌、嗜酸乳桿菌在內的多種腸道細菌具有直接抑制作用。胃腸道激素在細菌-腸-腦軸反應中的作用是一個要求更多關注的全新研究領域，然而關于胃腸激素參與細菌-腦-腸軸溝通潛在機制的研究依然非常有限。這一領域的研究成果很有可能為腦-腸軸紊亂性相關疾病提供新的治療思路和靶點。

2.6 細菌代謝產物

大腸內的細菌在厭氧條件下會將未消化的碳水化合物發酵成短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)。SCFAs是細胞代謝中的一個主要的能量來源，特別是在早期的大腦發育階段。研究發現，短鏈脂肪酸信號在腸道的受體有游離脂肪酸受體-2(FFAR2)和游離脂肪酸受體-3(FFAR3)，這些受體參與的控制食欲的激素包括PYY和GLP-1等，而FFAR3同時還存在于大腦中。這也提示我們很可能存在一條潛在的通路影響短鏈脂肪酸的形成和食物攝入。SCFAs參與腦腸軸調節的另一個重要基礎是它可以穿過血腦屏障。血液循環中的短鏈脂肪酸如丁酸和丙酸可以通過單羧酸轉運蛋白進行遠距離轉運，穿過血腦屏障進入中樞神經系統，一旦進入中樞神經系統，它們依舊可以通過單羧酸轉運蛋白轉運至神經膠質細胞和神經元，口服天然果聚糖作為SCFA供體后大鼠腦組織中丙酸受體FFAR3表達升高也從側面說明這一問題[20]。短鏈脂肪酸與FFAR3之間的相互作用可以對腦組織引起深刻的反應，例如腦室內直接注射丁酸鈉可引起額葉皮層和海馬區短暫瞬時的組蛋白乙酰化，同時引起BDNF表達的動態變化，從而導致小鼠產生抗抑郁樣行為反應[21]。雖然短鏈脂肪酸到達中樞神經系統產生的影響可能是相當微小的，但是由腸道菌群慢性轉運至中樞神經的短鏈脂肪酸是可以慢性累積的，因此短鏈脂肪酸有可能對大腦產生持久而穩定的作用。

2.7 宿主基因調控

人類的腸道微生物是出生后從環境中獲得的，因此它可以作為一個環境因素與宿主基因相互作用去塑造遺傳表型，同時也是一個由宿主基因決定的屬性。人類微生物群的研究在最近幾年已取得眾多成果，新一代測序和相關的組學技術也逐漸應用到其中[22]。這些成果不僅提供了人類健康和疾病狀態下微生物組成的相關重要的信息，同時也為研究其對宿主代謝和生理的影響提供了重要基礎。不同成人之間腸道菌群可以出現明顯的多樣性差異，而家庭成員之間檢測到的菌群譜往往比無關的人有更高的相似度[23-25]。目前認為腸道菌群的家族相似性主要是由共享環境因素如飲食的偏好等來決定的。一些針對性的研究方法為宿主基因對微生物的影響提供了有力的支持，例如同卵雙胞胎與異卵雙胞胎相比產甲烷的史氏甲烷短桿菌一致率更高[26]，而在特定的基因位點層面比較研究不同人群所含微生物指紋的特異性也顯示宿主基因和微生物之間存在相互的作用[27]。對于人類，腸道微生物的遺傳性是通過有效的雙生子研究來評估的。這一研究在單卵雙生和異卵雙生間做出對照，辨別出了最易遺傳的菌群類目-Christenswnellaceae。Christenswnellaceae同時與具有遺傳性的細菌以及產甲烷古生菌都構建了網狀系統，多見于較低體重指數的人群中[28]。潛在于腸道微生物遺傳之下的宿主等位基因點一旦被發現，我們就可以去了解這些健康相關的細菌的性質，并最終利用其促進人體的健康。

2.8 HPA軸

腸道細菌和HPA之間的直接聯系來自于2004年的一項研究，實驗人員發現無菌小鼠和正常SPF小鼠相比，在面對束縛應激時表現出夸張的皮質酮(CORT)和促腎上腺皮質激素(ACTH)水平。這一跨時代的發現使得神經學家開始重視細菌在對中樞神經產生影響的重要性。在隨后幾年的研究中，研究人員發現細菌不僅在生命早期對HPA軸產生影響，而且這種影響能在隨后的生命過程中持續發生作用。HPA軸在生命的初期尚未發育成熟，需要在產后繼續發育，而這段時間正好和腸道菌群開始定植的時間重合，使得兩者在時間上有了相互影響的機會。母嬰分離模型的研究結果顯示，新生兒壓力應激會導致腸道菌群的多樣性和組成的長期變化，這很有可能是導致大鼠后來長期出現異常應力反應和壓力相關性行為的原因。而在早期的應激時期予以乳酸桿菌屬益生菌治療被證明可以正常化基礎皮質醇水平，而母嬰分離之后皮質醇水平又再度出現升高，這也從側面驗證了之前研究結果。人在壓力應激的情況下腸黏膜的通透性會增加，也給了腸道菌群透過腸黏膜直接接觸免疫細胞和腸道神經元細胞的機會，這很有可能是一個在應力條件下微生物通過免疫系統和腸神經系統影響中樞神經的潛在途徑。在這一設想的指引下，最近的一項研究表明，提前予以大鼠益生菌嗜酸乳桿菌治療可以改善由于壓力引起的腸道通透性升高，并且能夠抑制HPA軸的高反應性[29]。

3 總結與展望

腸道菌群對人類生理病理的影響是近年來的研究熱點，尤其是近幾年來還發現腸道菌群可以通過腦-腸軸來影響大腦的功能之后。盡管腸道菌群對腦-腸軸有著顯著的影響，但是針對其機制的研究卻未能取得預期的快速進展。這是因為腦-腸軸與腸道菌群的分子信號通路研究取決于精確的高通量鑒定技術來取得腸道菌群的微生物構成。第二代測序技術(next-generation sequencing，NGS)是目前較為先進的基因測序技術。雖然有利有弊，但是在這一技術的支持下宏基因組學技術、宏轉錄組技術、16S rDNA等測序技術目前已廣泛用于腸道菌群結構的分析中。在此基礎上，終有一天腸道菌群經腦-腸軸調節人類行為的機制將被徹底闡明。

不同微生物在胃腸道不同部位的富集程度不同，因此還存在一種可能就是特定位點的腸道菌群有可能對腦腸軸產生特定的影響，因為胃腸道的每一個位點不僅具有不同的功能，而且還具有吸收不同種類的營養物質的能力[30-31]。腸道菌群在特定位點對宿主是否能產生不同的影響是一個研究的難點，也許只有通過腸鏡在腸道不同部位收集糞便和組織樣本的方法才能徹底解決這一問題。

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2016-05-11

2016-07-06

國家青年科學基金資助項目(81403376)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20130955)

白宇(1988-)，男，江蘇南京人，醫學博士。E-mail:512538869@qq.com

方南元 E-mail:lionlog@126.com

白宇，胡云霞，陳俊偉，等.細菌-腦-腸軸理論體系的建立[J].東南大學學報：醫學版，2016，35(5)：781-785.

R333

A

1671-6264(2016)05-0781-05

10.3969/j.issn.1671-6264.2016.05．030