腸道微生物和腸—腦軸在肥胖發(fā)展中的作用

楊帆 張倫 朱佳妮

摘 要：肥胖和相關代謝綜合征已成為全球最突出的健康問題之一，腸道微生物已被證明參與肥胖的發(fā)展，并可能對肥胖的發(fā)展和其干預治療等提供重要的見解。最近的研究表明，腸道微生物和大腦的相互作用可能是肥胖的后果或解釋因素，腸-腦軸是它們相互作用的聯(lián)絡樞紐。此外，腸道微生物可以通過腸道激素（包括ghrelin）以及迷走神經連接（影響能量消耗和CNS中與飲食行為相關的區(qū)域）來影響腸-腦軸，從而改變宿主行為。同時，腸道微生物代謝物和其產物還可以充當信號分子并調節(jié)腸內分泌細胞的激素分泌，如GLP1和PYY，從而調節(jié)食欲、腸道運動、能量吸收和儲存以及能量消耗等攝食相關行為，進而影響肥胖的發(fā)展。所以，理解這些信號和激素作用并從藥理學方法增強它們，可能為治療肥胖提供一種重要的途徑。

關鍵詞：腸道微生物;腸-腦軸;肥胖;腸道激素

肥胖也是許多機體異常和疾病的風險因素，如高血壓、血脂異常、2型糖尿病、心血管疾病和某些癌癥等[1-4]。雖然目前的研究證據(jù)并不能解釋肥胖發(fā)展的復雜途徑，但多個研究都表明腸道微生物與肥胖和代謝疾病的發(fā)展密切相關[5-6]。隨著該領域的新發(fā)現(xiàn)和進步，人們也越來越認識到腸道微生物參與肥胖的發(fā)展，并可能對肥胖的發(fā)展和其干預治療等提供重要的見解。尤其是近幾年來對腸道微生物群、大腦和行為之間相互作用的解讀，更是讓更多的專家認識到腸道微生物對肥胖的巨大推動力[7]。目前，已有臨床前證據(jù)支持腸道微生物及其代謝產物在與情緒、社交互動、食欲和食物攝入相關行為反應中的作用[8]。這些有限但不斷增長的臨床證據(jù)主要來源于無菌動物模型，腸道微生物組成和功能與個體行為和臨床特征以及大腦結構和功能的關聯(lián)[8-9]。總而言之，越來越多的研究證明，大腦和腸道微生物群是雙向交流的，從而提出了“腸-腦軸”概念[10-11]，這是一種通過中樞神經系統(tǒng)（CNS）和胃腸道的多種腸神經系統(tǒng)（ENS）將大腦和腸道功能聯(lián)系起來的雙向應答系統(tǒng)，對宿主代謝穩(wěn)態(tài)至關重要[3-12]。雖然腸道微生物通過“腸-腦軸”與CNS相互作用，并對宿主健康和功能的廣泛影響越來越受到科學界的重視，但這仍然是一個新生的領域，確切的機制尚未完全了解。因此，文章旨在從腸道微生物、腸-腦軸和CNS之間的相互作用分析它們在肥胖發(fā)展中所起到的重要作用，增加對肥胖等代謝疾病更完整的了解。

1 腸道微生物在人體健康中的重要作用

人體存在數(shù)目龐大（多于1014個）且結構復雜（包括細菌、古細菌、病毒、原生動物、真菌等，其中細菌主要以厭氧細菌為主）的微生態(tài)群落，這也是一個由5 000多株細菌菌株和1 000多種不同的微生物種類組成的共生生物群落，與宿主共同進化[13-14]。它們主要定殖于胃腸道、皮膚、口腔、呼吸道、泌尿生殖道等，是具有重要作用的“新器官”[15]。胃腸道是微生物群落最主要的聚集地，也是微生物與宿主相互作用的最重要場所，其內的多種共生微生物的生態(tài)系統(tǒng)稱為腸道微生物群。研究表明，健康個體的腸道微生物群約90%主要屬于擬桿菌門（革蘭氏陰性菌）和厚壁菌門（革蘭氏陽性菌），變形菌門、放線菌門、酸桿菌門和疣微菌門等菌的豐度相對較小[16-17]。同時，腸道微生物群作為人體“隱藏的器官”，在宿主生命歷程中發(fā)揮著不可或缺的作用：促進宿主自身難以消化的營養(yǎng)物質吸收與代謝;構成腸道屏障，保護粘膜;參與免疫系統(tǒng)，抵御病原體侵襲;維持人體內環(huán)境穩(wěn)態(tài)，預防疾病發(fā)生[3，14-15]。

2 腸道微生物群在肥胖發(fā)展中的作用

腸道內含有大量的微生物，這些微生物可以影響營養(yǎng)物質的獲取、能量調節(jié)和脂肪儲存等[18-19]，對于維持人體健康和宿主體內平衡至關重要[20]。研究表明，較瘦個體的腸道微生物群組成與肥胖個體明顯不同，肥胖個體可能具有更有效的從營養(yǎng)物質中吸收或儲存能量的細菌群落[21]。Bckhed等[5]表明，腸道微生物能夠調節(jié)脂肪組織（脂肪）的儲存，成年無菌小鼠從常規(guī)化飼養(yǎng)的同類小鼠中收獲正常的腸道微生物群后，盡管食物攝入量較低，但其脂肪含量和胰島素抵抗增加了60%。另一個研究也表明，如果無菌小鼠體內定殖肥胖微生物群，其體脂的增加要比那些被瘦微生物群定殖的小鼠要高得多[22]。所以，解釋正常小鼠和無菌小鼠體內脂肪差異的一個重要機制是腸道微生物的發(fā)酵使食物的能量收獲增加[23]。其他證據(jù)也證明了腸道微生物群與肥胖之間存在關聯(lián)。比如，肥胖患者經過胃旁路手術（RYGB）后，腸道微生物群組成發(fā)生了巨大的變化，其微生物多樣性明顯增加[24]。這可能表明，RYGB改善肥胖患者代謝和體重的減輕在一定程度上可能是腸道微生物組成改變的結果[25]。此外，將經過RYGB后的小鼠糞便移植到無菌小鼠體內，與接受假手術小鼠腸道微生物的無菌小鼠相比，這種移植可顯著減輕體重和脂肪質量[26]。

腸道微生物群現(xiàn)在被認為是參與體重管理的一個新因素。因為腸道微生物不僅可以從飲食中獲取能量，而且可以通過調節(jié)脂肪儲存、脂肪生成和脂肪酸氧化來參與能量代謝，進而影響肥胖發(fā)展[23]。此外，腸道微生物群可能受到來自營養(yǎng)物質和其他細菌存在的選擇性壓力，促使腸道內的每一種細菌都必須通過特定的膳食營養(yǎng)素發(fā)酵和代謝物的分泌來增加自身的適應能力、棲息地和生存能力，這包括微生物產生的神經活性物質、短鏈脂肪酸和共軛脂肪酸[20，27]。其中，許多細菌也可以通過直接影響營養(yǎng)感知、食欲和飽腹感調節(jié)系統(tǒng)來影響宿主的食欲和飲食行為[20]。同時，腸道微生物還是腸道屏障功能的重要組成部分，能夠與膽汁酸代謝相互作用，調節(jié)免疫系統(tǒng)，影響宿主抗原的產生，從而間接影響飲食行為[20]。目前，也有越來越多的證據(jù)表明，腸道微生物在調節(jié)飲食相關行為，以及代謝紊亂和肥胖等代謝性疾病方面發(fā)揮著至關重要的作用[28]。然而，腸道微生物與能量動態(tài)平衡之間的關系是復雜的，有許多因素，如飲食、生活方式、基因和藥物等，都對腸道微生物組成有嚴重的影響，這些影響因素也有可能是通過腸-腦軸機制從而影響腸道微生物組成和宿主行為[25]。所以，理解腸道微生物、腸-腦軸之間的關聯(lián)將有助于理解它們與肥胖等代謝性疾病之間的復雜相互作用，促進新療法的發(fā)展。

3 腸道微生物通過腸-腦軸對肥胖的影響

越來越多的證據(jù)表明，腸道微生物參與肥胖的發(fā)展并在其中起著重要作用[29-30]。體重增加與腸道微生物多樣性顯著負相關[31]，并且發(fā)現(xiàn)了大量與肥胖相關的細菌[32]。然而，目前對于腸道微生物在肥胖中的作用依然存在爭議：到底是由于腸道微生物引起肥胖發(fā)展還是肥胖引起腸道微生物變化，即腸道微生物與肥胖的因果關系仍然是未知的[33]。近年來，腸-腦軸被認為是腸道微生物和大腦相互作用的媒介，而這種相互作用也有可能是肥胖的后果或解釋因素，所以最近的注意力轉向了腸-腦軸的結構特征以及腸道微生物-腸-腦軸的相互作用，特別是在與攝食相關的行為方面和致病過程。

3.1 腸-腦軸

雖然早在19世紀就已有學者提出了腸道和大腦之間的雙向互動[10-11]，然而，腸道微生物群在腸腦系統(tǒng)中的作用直到最近才被研究。動物研究表明，腸道微生物群或腸道接觸特定細菌的變化可以調節(jié)外周神經和中樞神經功能，導致大腦功能改變，并提示可能存在微生物群-腸-腦軸[34]。此外，這一研究證據(jù)還表明，腸道細菌還會影響大腦反應途徑和發(fā)育;ENS包括感覺迷走神經，可能具有區(qū)分非致病性細菌和潛在致病菌的能力，并且在介導腸道微生物對行為的影響方面可能起關鍵作用，包括食欲和飲食控制等[34-35]。腸道和大腦之間的雙向通信被稱為腸-腦軸，腸道微生物和腸-腦軸之間的相互作用被稱為腸道微生物群-腸-腦軸[14]。腸-腦軸的雙向通信網絡包括CNS，自主神經系統(tǒng)（ANS），ENS和下丘腦垂體腎上腺（HPA）軸[36]。在這個雙向的通信網絡中，大腦影響腸道運動、感覺和分泌功能，來自腸道的內臟信號也影響大腦功能，腸道微生物在其中起著關鍵作用[3]。在正常情況下，腸道到CNS的通信是自主的，不需要通知個體。然而，在病理條件下，信號可能到達軀體感覺系統(tǒng)并引起不適、惡心和疼痛等癥狀。反過來，CNS通過ANS輸出的信號可能又會引起胃腸功能障礙[36]。

3.2 腸-腦軸對肥胖的影響

在過去的幾年里，越來越多的證據(jù)表明，微生物群可以通過不同的方式對宿主的行為產生強烈的影響，包括通過神經系統(tǒng)的相互作用，與免疫和內分泌系統(tǒng)的相互干擾，以及神經化學物質的直接合成和調控[2，37-38]。腸道微生物通過產生神經活性分子和調節(jié)某些細胞因子的循環(huán)水平，在腸-腦軸動態(tài)平衡中起著至關重要的作用，影響這種雙向的神經體液通訊[2，39]。此外，Wang等[14]的綜述表明，腸道微生物群與大腦之間可能存在五種通信途徑，包括腸-腦神經網絡，神經內分泌-下丘腦-垂體-腎上腺軸，腸道免疫系統(tǒng)，一些由腸道細菌合成的神經遞質和神經調節(jié)因子，以及包括腸道在內的屏障通路（粘膜屏障和血腦屏障）。

盡管現(xiàn)有的大多數(shù)研究都描述了腸道微生物在腸-腦軸中的作用，但最近的證據(jù)表明，激素和神經系統(tǒng)是腸-腦軸的關鍵調控成分，內分泌系統(tǒng)是營養(yǎng)模式的重要調節(jié)者，ANS和HPA軸對攝食量的影響可能影響腸道微生物組成，腸道微生物群可調節(jié)外周神經系統(tǒng)和ENS的神經元功能，控制飲食習慣的激素是調節(jié)CNS炎癥的強免疫調節(jié)因子，同時還與ANS和HPA軸有關[7]。此外，動物研究表明，腸道微生物通過腸道激素（包括ghrelin）以及迷走神經連接（影響能量消耗和CNS中與飲食行為相關的區(qū)域）來影響腸-腦軸[40]。腸道激素可能通過腸-腦軸將信息從胃腸道傳遞到CNS內的食欲調節(jié)中心，這些信息可通過迷走神經或非迷走神經傳入神經信號或直接通過血液循環(huán)轉移至CNS[41]。附表總結了多種腸道激素，這些激素通過自分泌和旁分泌作用來協(xié)調胃腸系統(tǒng)內的消化過程，并通過腸-腦軸對其他器官系統(tǒng)，特別是大腦產生內分泌效應，從而調節(jié)食欲、代謝、飽腹感等飲食行為，影響肥胖發(fā)展[42]。

4 微生物-腸-腦軸治療肥胖的前景

研究表明，腸道微生物相關產品和代謝物可以通過腸-腦神經回路改善代謝紊亂，如減輕體重、降低脂肪、改善葡萄糖控制和改善胰島素敏感性等[44]。此外，益生元治療與改善的腸內分泌細胞分化和GLP1、GIP和PYY的濃度相關，從而增加了飽腹感，減少了食物消耗并減少了脂肪量[4，45]。這表明腸道微生物群可以影響宿主腸道營養(yǎng)物質的感知和腸道肽信號的傳遞，操縱腸道微生物群可能會改變神經信號和激活腸-腦軸，從而有利于肥胖的治療[43]。

RYGB仍然是最有效的減肥治療方法，但研究人員仍然不清楚RYGB是如何以及為什么能夠實現(xiàn)快速和持續(xù)性的減肥[4，46]。研究表明，腸-腦軸的有利變化可能有助于RYGB的減肥效應[43，47]。所以，腸-腦軸是治療肥胖癥的一個潛在目標。雖然目前對微生物-腸-腦軸和肥胖相關的復雜相互作用的理解還處于起步階段，但我們對腸-腦軸的理解正在迅速增加，它也為未來的肥胖治療提供了一個很有前景的領域。研究證實，攝入的營養(yǎng)物質會誘導腸道肽的分泌，這些肽通過迷走神經和非迷走神經傳遞的旁分泌信號，或通過進入循環(huán)的內分泌方式，最終向中樞神經系統(tǒng)發(fā)出信號，從而產生適當?shù)姆磻猍43]。然而，這些腸道飽腹感信號是微弱的，它們還不足以限制過多的能量攝入。因此，理解這些信號并從藥理學方法增強這些信號，可能為治療肥胖提供一種重要的途徑。

5 結論與展望

根據(jù)現(xiàn)有的證據(jù)表明，腸道微生物群的組成和功能與大腦功能之間存在關聯(lián)。盡管在嚙齒動物模型中已明確建立了這種關系，但迄今為止支持這種相互作用在成人人類受試者中的研究依然有限。而僅有的在人類肥胖群體中的研究，大多數(shù)研究也都只表明了相關性而非因果關系。所以，需要更多、更完善的大規(guī)模研究，對人類受試者（包括兒童群體）進行縱向研究，以及針對腸道微生物群（益生菌干預前后）和大腦的干預，以確定大腦和腸道微生物影響之間的因果關系，進而解讀腸道微生物、腸-腦軸和肥胖之間的相互作用。

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