腸道菌群調(diào)節(jié)睡眠作用機(jī)制研究進(jìn)展

歸萌，宿文昱，裴浩田，盧丹

(吉林大學(xué)藥學(xué)院，吉林 長春)

0 引言

睡覺，是人類不可缺少的一種生理現(xiàn)象，睡眠占人的一生中近1/3的時(shí)間。睡眠質(zhì)量好壞與人體健康有密切關(guān)系。長期睡眠不足會(huì)導(dǎo)致許多疾病，如記憶力下降[1]、糖尿病[2]、肥胖[3]，甚至產(chǎn)生癌變[4]。但是超過10小時(shí)的睡眠比睡眠不足危害更大，可引發(fā)糖尿病、心血管疾病、焦慮和肥胖等問題。因此，保持一個(gè)均衡良好的睡眠至關(guān)重要。影響睡眠的因素有很多，包括環(huán)境因素、生理因素、心理因素、軀體疾病、精神疾病等。近年來，大腦和胃腸道系統(tǒng)之間關(guān)系的研究越來越多，很多中樞系統(tǒng)的疾病都發(fā)現(xiàn)和消化系統(tǒng)有密切的關(guān)系。越來越多的研究表明腸道菌群不僅和消化過程有關(guān)，還與睡眠剝奪、糖尿病、高血壓以及酒精性肝纖維化等疾病存在直接或間接的聯(lián)系[5-7]。腸道菌群可以通過腦腸軸(Microbiota gut brain)以多種方式影響睡眠及相關(guān)的生理功能，主要有(1)影響體內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)的水平；(2)調(diào)節(jié)體內(nèi)的激素分泌；(3)釋放具有調(diào)節(jié)睡眠作用的代謝物[8]。一方面，腸道菌群能改變晝夜節(jié)律和睡眠-覺醒周期等。同時(shí)，睡眠不足也會(huì)引起生理應(yīng)激反應(yīng)而擾亂腸道微生物菌群的正常功能，進(jìn)而影響人的代謝和免疫能力[9,10]。

了解腸道菌群與睡眠的相互作用及其機(jī)制，有利于重新認(rèn)識(shí)睡眠相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展，優(yōu)化治療方案，提高睡眠障礙患者的生活質(zhì)量。本文對(duì)近年腸道菌群與睡眠相互影響的研究情況進(jìn)行了分析整理，以期為探索新的治療方案和新藥研發(fā)做出貢獻(xiàn)。

1 影響體內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)水平

腸道中的細(xì)菌既能調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的分泌，也能產(chǎn)生某些神經(jīng)遞質(zhì)，主要包括5-HT、GABA、Glu、DA或NE[11,12,13]，這些神經(jīng)遞質(zhì)通過作用于迷走神經(jīng)[14,15]、腦腸軸[16,17]，發(fā)揮調(diào)節(jié)睡眠的作用。

現(xiàn)有研究表明，腸道中的許多細(xì)菌能產(chǎn)生5-HT、GABA、Glu、DA和NE等神經(jīng)遞質(zhì)[11,12,13]。5-HT是非常重要的自體活性物質(zhì)，除了調(diào)節(jié)腦神經(jīng)外，還是胃腸道和其他器官系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)因子。多項(xiàng)研究表明，5-HT的主要作用是促進(jìn)覺醒，抑制REM(Rapid Eye Movement)睡眠[18,19]。人體超過90%的5-HT合成和分布于腸嗜鉻細(xì)胞(enterochromaffin cells，ECs)，在腸道中，腸道菌群可以通過促進(jìn)腸嗜鉻細(xì)胞釋放5-HT，進(jìn)而改善睡眠質(zhì)量[20]。在一項(xiàng)使用非靶向和靶向液相色譜(LC/MS)代謝組學(xué)檢測急性睡眠剝奪對(duì)血漿代謝物節(jié)律影響的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在睡眠剝奪大鼠的海馬體、背側(cè)中縫核和視交叉上核(Suprachiasmatic nucleus，SCN)中的5-HT水平較高[21]。GABA作為抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，具有促進(jìn)睡眠的作用。有研究證實(shí)在原發(fā)性失眠患者腦內(nèi)GABA含量明顯低于正常人[22]。Barrett等人[12]發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌、短乳桿菌可以產(chǎn)生GABA。Glu是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，可以通過興奮Orexin神經(jīng)元以及膽堿能神經(jīng)元來提高大腦皮層的覺醒狀態(tài)[23]。有研究發(fā)現(xiàn)[24]糞便中棒狀桿菌科、紅椿菌科和伯克氏菌科的相對(duì)豐度與Glu水平呈正相關(guān)。DA作為腦內(nèi)重要的神經(jīng)遞質(zhì)參與了睡眠-覺醒周期的調(diào)控，DA分泌過多會(huì)促進(jìn)覺醒，減少睡眠時(shí)間。Stanaszek等人[12]證實(shí)芽孢桿菌可以產(chǎn)生DA。分別給予大鼠不同劑量 (2.5、5、10、20mg/kg)的 DA 轉(zhuǎn)運(yùn)體抑制劑GBR12909，發(fā)現(xiàn)可劑量依賴性增加小鼠的覺醒水平[25]。NE一直被認(rèn)為在調(diào)節(jié)覺醒狀態(tài)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。Shouse等人[26]發(fā)現(xiàn)，NE濃度在清醒時(shí)高，在NREM(Non-rapid Eye Movement)睡眠時(shí)低。最近利用無菌動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠盲腸和組織中NE水平明顯降低，并且盲腸NE水平可以通過菌群定植或46種梭狀芽孢桿菌的混合來恢復(fù)[27]。這一發(fā)現(xiàn)有力地表明，微生物群會(huì)影響腔內(nèi)NE的水平。

圖1 腦腸軸. 腸道菌和中樞神經(jīng)系統(tǒng)相互作用途徑(內(nèi)分泌、免疫和神經(jīng)系統(tǒng))[16]

腸道微生物產(chǎn)生的神經(jīng)遞質(zhì)既可以從腸道吸收進(jìn)入門靜脈循環(huán)，也可以直接與腸神經(jīng)系統(tǒng)的部分受體相互作用，這些神經(jīng)遞質(zhì)一旦進(jìn)入門靜脈循環(huán)，便可以影響神經(jīng)系統(tǒng)的組成部分，最終影響大腦[11]。當(dāng)然，這不只是腸道到腦的單向通信，因?yàn)榇竽X和胃腸道之間可通過涉及神經(jīng)、內(nèi)分泌、免疫等多個(gè)系統(tǒng)相互作用的腦腸軸(見圖1)進(jìn)行溝通[28]。

2 調(diào)節(jié)激素分泌

研究表明腸道菌群可以通過調(diào)節(jié)MT、CRF等相關(guān)激素的分泌，改善睡眠質(zhì)量。褪黑激素是一種廣泛存在于脊椎動(dòng)物體內(nèi)的激素[29]，它在胃腸道粘膜的腸嗜鉻細(xì)胞中合成[31]，主要參與晝夜節(jié)律、情緒調(diào)節(jié)、生殖和免疫等許多生物過程[30]。近年來的研究表明，失眠與MT分泌減少和MT受體表達(dá)下調(diào)密切相關(guān)[32]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，MT通過抑制促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素的釋放，對(duì)腦-腸軸系統(tǒng)中的下丘腦-垂體-腎上腺軸(HPA)軸進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，從而治療睡眠障礙[33]。WANG等人[31]研究了褪黑素受體表達(dá)與腸道菌群的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)移植了健康人體糞便的無菌小鼠結(jié)腸褪黑素受體的表達(dá)顯著增加，并且糞菌移植小鼠結(jié)腸褪黑素受體表達(dá)與產(chǎn)短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFA)細(xì)菌如Alistipes、Blautia呈正相關(guān)。腸道中的益生菌(如乳桿菌類、雙歧桿菌類以及革蘭氏陽性球菌)之所以能改善睡眠質(zhì)量，一方面是因?yàn)橐嫔艽龠M(jìn)MT的分泌[34]；另一方面，腸道中的益生菌可以分解食物中的蛋白質(zhì)產(chǎn)生能形成5-HT的色氨酸，經(jīng)轉(zhuǎn)化成血清素，最后形成MT[35]，MT激活GABA合成酶，促進(jìn)GABA的釋放，使得睡眠時(shí)間延長，睡眠潛伏期縮短。此外，CRF也是目前研究較多的調(diào)節(jié)NREM睡眠時(shí)程和慢波活動(dòng)的激素釋放激素之一，給予CRF會(huì)減少NREM睡眠。通過一個(gè)研究幼年大鼠腹腔注射CRF拮抗劑的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腹腔注射任意劑量CRF拮抗劑都會(huì)使幼年大鼠的REM睡眠顯著減少，而NREM睡眠顯著增加[36]。Shigeo等人[37]用腸內(nèi)共生菌(包括大腸桿菌、梭狀芽胞桿菌、普通擬桿菌、變種梭桿菌和德布魯克斯乳桿菌)刺激人樹突狀細(xì)胞產(chǎn)生CRF，發(fā)現(xiàn)CRF在mRNA水平和蛋白水平上均顯著增強(qiáng)，特別是普通擬桿菌刺激人類樹突狀細(xì)胞后，CRF含量極高。

腸道菌群還可調(diào)節(jié)腸道內(nèi)分泌細(xì)胞的分泌功能，激活HPA軸，促進(jìn)MT、CRF等激素的合成和分泌，直接或間接作用于中樞[38,39]，完成大腦和胃腸道之間的信息交流，從而改善睡眠。

3 釋放代謝物

腸道微生物還可借助丁酸鹽以及脂多糖和肽聚糖等腸道菌代謝物與免疫系統(tǒng)的交流，釋放出IL-1、IL-6、TNF-α等促炎性細(xì)胞因子，對(duì)睡眠機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)。有證據(jù)[20]表明腸道菌群代謝物丁酸鹽與睡眠有關(guān)。丁酸鹽作為一種短鏈脂肪酸，是腸道中未消化碳水化合物通過厭氧菌發(fā)酵產(chǎn)生，是腸道梭菌群的主要代謝產(chǎn)物[40]，與睡眠質(zhì)量呈正相關(guān)。Szentirmai等人[41]以小鼠為模型，研究了經(jīng)口服給藥和門靜脈注射丁酸鹽對(duì)小鼠睡眠質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，口服丁酸鹽的前藥三丁酸三丁酯4小時(shí)后小鼠NREMS增加了近50%，門靜脈內(nèi)注射丁酸鹽6小時(shí)后，NREMS增加了70%。另外，腸道微生物與位于小腸內(nèi)的免疫系統(tǒng)一直相互影響，這種影響主要通過腸道菌群代謝物、迷走神經(jīng)和腸道中微生物相關(guān)物質(zhì)的釋放實(shí)現(xiàn)[42]。已有研究表明，白細(xì)胞介素Ⅰ(IL-1)、白細(xì)胞介素6(IL-6)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)等促炎性細(xì)胞因子的表達(dá)水平可隨機(jī)體睡眠節(jié)律的改變而改變[43]。促炎性細(xì)胞因子IL-1可以縮短老年腦的REM睡眠時(shí)間[44]，老年體內(nèi)升高的促炎性細(xì)胞因子IL-Ⅰ水平升高，其睡眠質(zhì)量下降，總覺醒時(shí)間延長[45]。TNF是由巨噬細(xì)胞分泌的一種小分子蛋白，分為TNF-α和TNF-β兩種。TNF-α主要由單核-巨噬細(xì)胞分泌，主要通過NF-κB激活多種炎癥通路，NF-κB是一種可以激活一氧化氮合酶、環(huán)氧化酶2和腺苷A1受體的轉(zhuǎn)錄因子，而這些受體又與睡眠調(diào)節(jié)有關(guān)，從而可以促進(jìn)睡眠行為的產(chǎn)生[46,47,48]。脂多糖和肽聚糖[8]是細(xì)菌細(xì)胞壁的組成部分，細(xì)菌崩解或細(xì)胞分裂期間會(huì)釋放脂多糖和肽聚糖片段，刺激產(chǎn)生促炎性細(xì)胞因子[49]，引起嗜睡反應(yīng)[8]。這就表明來自腸道細(xì)菌衍生的抗炎性信號(hào)具有調(diào)節(jié)睡眠的潛力。

腸道菌群作為人體內(nèi)的一個(gè)“新系統(tǒng)”和“新器官”，參與了機(jī)體的各種生理病理過程，通過神經(jīng)遞質(zhì)、激素以及代謝產(chǎn)物等參與晝夜節(jié)律、睡眠-覺醒周期的調(diào)節(jié)。睡眠不足患者的腸道菌群發(fā)生改變，而腸道菌群改變也會(huì)影響睡眠質(zhì)量，它們之間的關(guān)系已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)。盡管研究已經(jīng)表明腸道菌群可以通過腦腸軸系統(tǒng)影響睡眠質(zhì)量，但仍然存在許多需要更加深入了解的地方，其一，神經(jīng)遞質(zhì)、激素和代謝物對(duì)于睡眠的調(diào)控是它們共同作用的結(jié)果，但具體是如何聯(lián)合作用的尚不清楚。其二，目前關(guān)于腸道菌代謝物只有丁酸鹽對(duì)于睡眠的影響作用比較清楚，其他代謝物對(duì)于睡眠有影響仍需探究。因此，關(guān)于腸道菌群與睡眠關(guān)系仍有待于深入研究。