益生菌應用在神經精神障礙中的理論基礎與前景展望

李素水 張翠芳 張亞坤 袁芳

目前已有證據支持在腸腦之間存在雙向聯系，一方面腦對腸道能動性、分泌、吸收和血流有調節功能；另一方面腸內信息也影響腦功能和行為，稱為腸-腦軸，包括胃腸道、中樞神經系統(central nervous system,CNS)、自主神經系統(autonomic nervous system,ANS)、腸神經系統(enteric nervous system,ENS)、神經內分泌系統和免疫系統[1-5]。最新研究提示腸道微生物群對該軸具有重要的調節作用，影響神經發育和腦功能，可能是Alzheimer氏病、抑郁癥和孤獨癥譜系障礙等神經精神疾病的病理學基礎之一[6,7]。臨床上也發現許多神經精神疾病常共病便秘、腹瀉、腹痛等胃腸功能問題，宏基因組測序分析揭示這些疾病存在腸道微生態失調，為此提出“微生物群-腸-腦軸”強調微生物的重要作用[8]。益生菌為活的微生物，攝入適量的益生菌對宿主健康是有益的，具有廣泛的生理作用，(1)調節機體免疫力，例如Weissella cibaria WIKIM28菌從泡菜中分離出來，通過調節樹突細胞功能，誘導調節T細胞反應改善過敏性皮炎癥狀[9]。(2)平衡腸道微生物群，維護更健康的腸道環境，通過腸-腦軸保障身體健康[10]。上述功能進一步支持腸腦軸的存在，也使學者產生了濃厚興趣，相關研究尤是在一些神經精神疾病方面取得了較大進步，為治療疾病提供了新方法，現綜述相關內容。

1 腸-腦軸間存在相互聯系的證據研究

1.1 腸腦軸間的神經元路徑聯系 腸腦軸之間的神經聯系主要有ENS和迷走神經兩種。

1.1.1 ENS聯系：胃腸道內的神經互聯稱為ENS，主要類型是ANS，負責小腸滲透性、黏膜分泌和胃腸道間血流等重要功能。ENS與ANS和CNS之間的相互作用由神經遞質(腎上腺素、去甲腎上腺素和乙酰膽堿)通過感覺和運動神經元來實現，將各種信號從腸道傳送到大腦[11]。Sarkar等[12]研究發現腸道微生物群通過調節ENS的神經元電生理閾值產生各種生物學效應，證據有：①在鼠結腸腸肌叢神經元中，一種稱為reuteri的擬桿菌能激活鈣依賴性鉀通道。②在腸肌層神經元中，電刺激后長雙歧桿菌NCC3001代謝產物激發動作電位峰值下降。③McVey Neufeld等[13]研究，與正常鼠相比，發現無菌鼠肌腸感覺神經元的興奮性降低，進一步研究發現被常規化無菌鼠(即與常規飼養小鼠的腸道細菌結合)的神經元超級化后出現興奮性增加，支持腸道細菌調節神經元電生理閾值。另外，腸道細菌對菌群早期定植和腸黏膜膠質細胞的動態平衡起了重要作用[14]。

1.1.2 迷走神經聯系：腸腦之間的另一路徑為第Ⅹ對顱神經迷走神經(從腦干到胃腸道)，有傳出神經和傳入神經。約80%的迷走神經纖維是感覺神經纖維，將機體器官狀態信息傳送到CNS。迷走神經有調節支氣管收縮性、心率和腸能動性等重要作用。腸道微生物或益生菌的很多效應均依賴于迷走神經活性，例如：Bravo等[15]研究應用L.rhamnosus JB-1長期治療增加特殊腦區γ-氨基丁酸(Aminobutyric acid,GABA)的mRNA表達，并減少應激產生的皮質醇以及相關焦慮、抑郁行為。鼠迷走神經切除術證實迷走神經為腸腦軸互聯路徑的主要調節者，但抗微生物治療未進一步證實，提示腸腦軸之間還有獨立于迷走神經之外的其他調節機制[16]。

1.2 免疫系統介導的腸腦相互聯系

1.2.1 腸道微生物與免疫系統之間的關系：Bengmark[17]綜述文獻提出腸道微生物直接影響免疫系統，構成了腸道微生物和神經系統之間的重要間接路徑。腸道中囊括了所有腸相關淋巴組織(the gut-associated lymphoid tissues,GALT)，GALT是人體內最大的淋巴組織集聚地，這些組織有效地保護機體免受微生物侵蝕。T細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞(dendritic cells,DCs)等免疫細胞穿過血腦屏障(the blood-brain-barrier,BBB)影響大腦神經元和膠質細胞。大腦中還定居著免疫細胞，如脈絡叢中的巨噬細胞和DCs，大腦實質區域的小膠質細胞以及腦脊液中的白細胞。因此，腸道微生物形成宿主免疫系統作用于CNS的神經細胞，并調節腦內免疫細胞活性。無菌鼠研究揭示腸微生物通過調節小膠質細胞活性和動態平衡改變CNS的免疫系統功能，具體表現為無菌鼠的小膠質細胞比例數和成熟性全面缺乏，導致機體先天免疫反應低下[4]。

1.2.2 循環免疫因子對大腦的影響：循環細胞因子和趨化性細胞因子經迷走神經和心室周圍器官影響大腦結構和功能。另一路徑是免疫因子通過BBB的可飽和轉運系統直接運輸到腦內[5]，使促炎性細胞因子進一步激發CNS的神經炎性，繼而增加BBB滲透性，產生BBB漏引起免疫細胞滲透，炎性反應惡化和反應性神經膠質增多癥，最終出現神經退行性病變[7]。另外，細胞因子改變腦內血清素、多巴胺和谷氨酸等神經遞質濃度影響腦功能[18]。非炎性細胞因子也可作為腸道微生物介質調節腦功能，新生小鼠研究發現暴露抗生素引起血漿粒細胞集落刺激因子(G-CSF)下降，而G-CSF穿過BBB具有激發神經形成效應，對缺血性損傷有保護作用[19]。因此，腸微生物促進G-CSF的生成，可能對正常神經發育有治療效應以及延緩神經退行性疾病的進程。有學者發現了淋巴系統直接進入大腦的證據，即細胞因子滲入大腦與神經組織相互作用[20]，進一步支持上述理論。

1.3 腸微生物產生神經活性物質及代謝產物作用于CNS

1.3.1 腸道微生物與神經遞質的關系：腸道微生物具有產生神經遞質和神經活性物質的能力。研究發現，乳桿菌屬和雙歧桿菌屬產生GABA；埃希菌屬、芽孢桿菌屬和酵母菌屬產生去甲腎上腺素；埃希菌屬、芽孢桿菌屬、乳球菌屬、乳桿菌屬和Serratia產生多巴胺[5]。腸道微生物還調節神經活性化學前體或宿主內分泌和神經內分泌細胞間接調控神經遞質產量[21]。有報道B.infantis細菌增加血漿色氨酸的利用度，色氨酸是5-HT前體，繼而提高腦內5-HT濃度[2]。孢子形成的腸道細菌刺激宿主腸色素細胞產生5-HT，體內大多數5-HT由腸色素細胞合成[21]。因此，腸道益生菌可用于神經活性物質的傳送工具。

1.3.2 細菌代謝產物也具有神經活性作用：細菌代謝產物主要是短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)，包括乙酸、丁酸、乳酸和丙酸，具有神經活性作用[2]。SCFAs由復合多糖發酵產生，直接與神經系統相互作用激活交感神經元，并穿過BBB影響行為和神經信號[22]。丁酸抑制組蛋白去乙酰化酶和抑制結腸細胞核因子κB(nuclear foctor κB,NF-κB)活化，產生抗炎效應，具體機制是丁酸通過解除Foxp3(Foxp3是一個轉錄因子)對組蛋白去乙酰化酶的抑制，產生抑制小腸炎癥作用，Foxp3是惟一表達調節性T細胞的轉錄因子，促進調節性T細胞產生[6,23]。再者，在大腦發育的關鍵階段膠質細胞攝取SCFAs可作為細胞代謝的能量來源。SCFAs與腸內分泌細胞自由脂肪酸受體結合刺激腸分泌肽類激素(如胰高血糖素樣多肽1和肽酪氨酸酪氨酸)作用于下丘腦，調節食物和能量平衡[24]。

近來還發現一種稱為N-酰基酰胺的偏利共生菌代謝產物與小腸內分泌細胞高度表達的G-蛋白-連接受體119(GPR119)結合，分泌腸肽類激素。偏利共生厭氧菌和病原性菌還產生甲酰肽(formyl peptides)、致病相關分子(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)和脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)等神經毒性物質影響腸神經系統和中樞神經系統功能，是很多神經疾病的病理學基礎[25]。

1.4 CNS影響腸微生物的組成成分 CNS依據機體的飽足狀態調整腸微生物組成成分和微生物總量。相關機制包括：(1)飲食改變，影響原有腸道微生物吸取營養的能力，在CNS的調節下改變微生物成分。神經系統通過調節胃腸能動性，分泌酸、碳酸氫鹽和黏液等物質，維持恰當黏液層和生物膜，為腸道微生物成分改變提供更合適的生存環境[26]。(2)宿主神經元產生神經遞質和腸道微生物表達的受體結合產生介導效應。細菌與宿主神經遞質結合影響微生物組件功能，繼而提高炎性易感性和感染性刺激[3]。(3)CNS直接或間接地調節其他信號分子釋放，神經元、內分泌細胞及免疫細胞分泌細胞因子和抗微生物多肽進入腸道，Paneth細胞負責α-防御素分泌，這些分泌產物影響微生物生存和周圍環境[3]。(4)神經系統通過改變上皮滲透性調節微生物成分，滲透性增加方便細菌通過與宿主黏膜微生物相互作用。在應激下，HPA軸釋放皮質醇，調節腸運動和免疫系統反應，通過腎上腺皮質激素釋放激素介導肥大細胞活化導致小腸滲透性增加，使微生物容易沖破免疫細胞和ENS神經細胞的堵截，結果應激所致的滲透性增加改變了腸微生物成分。動物試驗包括嚙齒類動物應激(如壓抑和社交應激)以及非人靈長類物種的母子分離應激均報道引起腸微生物成分改變[27]，支持CNS影響腸道微生物成分。

2 CNS疾病的腸微生態失調研究

2.1 孤獨癥譜系障礙(autism spectrum disorder,ASD)[1,2,28,29]ASD是一種神經發育性障礙，其臨床特點社會交往和認知功能缺陷。臨床發現ASD兒童常伴有便秘、腹瀉、腹痛等胃腸紊亂癥狀，且胃腸癥狀與ASD行為嚴重性呈正相關，進一步研究提示相關機制與腸生態失調有關,并提出伴有胃腸功能紊亂者為ASD一特殊亞型，禁食敏感食物、應用益生菌輔助治療等營養方法能減輕胃腸癥狀，并改善孤獨癥行為癥狀[28]。支持上述理論的證據有ASD動物模型和ASD患兒臨床研究均發現擬桿菌屬減少，梭菌屬增加。Strati等[30]研究發現ASD患兒存在擬桿菌門和厚壁菌門的不平衡，ASD患兒出現便秘與埃希菌屬、賀氏菌屬以及梭菌屬XVIII增加有關。還有報道ASD兒童糞便中檢測到了腸微生物改變，較多為雙歧桿菌類、乳桿菌屬、Sutterella、Prevotella和Ruminococcus等[26]。Rose等[29,30]最新研究，與不伴有胃腸癥狀的ASD相比，伴有胃腸癥狀者產生更多的促炎性細胞因子，與腸黏膜炎癥和較少的調節細胞因子有關，提示腸道菌群失調激發機體異常免疫反應，導致更多的胃腸癥狀，支持上述結論。Shaaban等[31]發現益生菌能顯著減少胃腸癥狀，并減輕ASD癥狀的嚴重性，該作者認為益生菌應作為ASD兒童重要的輔助治療方法，也與上述理論吻合。動物試驗也發現與ASD有關的細菌(擬桿菌、梭菌和脫硫弧菌)產生丙酸等SCFAs，引起相應的神經生化改變和行為缺陷，包括運動功能異常、重復行為、認知缺陷和社會交往受損[5]。因此，研究提示腸道微生態失調與ASD的病理學機制有關。

2.2 抑郁癥 抑郁癥是一種與應激相關的心境障礙，與HPA軸和免疫反應改變有關。嚙齒類母嬰分離抑郁癥模型研究發現，腸道細菌的多樣化減少、HPA軸反應過度和促炎性細胞因子表達增加[32]。人類抑郁癥的研究通過焦磷酸測序，與健康對照組相比，抑郁癥患者的糞便細菌α多樣性增加，特別是擬桿菌門、變形菌門和放線菌門增加，但厚壁菌門顯著減少[33]。需進一步實施相關研究。

2.3 Alzheimer氏病 Alzheimer氏病是一種常見的神經退行性疾病，也是最常見的癡呆。淀粉樣蛋白-β(Aβ)肽的集聚和腦部沉積形成斑是神經元變形和癡呆發生的起始因素。應用Aβ前體蛋白(the Aβ precursor protein,APP)轉基因鼠模型最新研究提示腸微生物改變有助于淀粉樣蛋白的沉積[34]。APP轉基因鼠表現為厚壁菌門、疣微球菌門、變形菌門和放線菌門減少，同時伴有擬桿菌門增加。與對照組轉基因鼠模型相比，無菌鼠APP轉基因鼠模型表現為腦Aβ淀粉樣蛋白減少的病理改變，出現顯著的認知缺陷。而且，在無菌轉基因鼠模型中定植微生物后發現腦Aβ淀粉樣蛋白增加，但是應用野生型微生物定植的對照組腦Aβ淀粉樣蛋白水平卻很少增加[7]。Vogt等[35]臨床研究，與對照組相比，AD患者的腸微生物多樣性減少以及組成成分發生改變，其中厚壁菌門、雙歧桿菌屬水平減少，擬桿菌門增加，與動物試驗結論吻合。AD患者的腦尸檢研究，與健康對照組腦相比，發現AD患者細菌種群增加和特殊菌種的比例改變[36]。在16SrRNA基因測序過程中，與對照組相比，AD患者中放線菌門的閱讀次數顯著增加，主要是丙菌科(propionibacteriaceae)家族成員。上述結果支持細菌遷徙到CNS引起神經疾病發生或加速疾病進程。

2.4 帕金森氏病(Parkinson’s disease,PD) 多數PD患者運動缺陷發生前都經歷便秘過程。糞便焦磷酸測序的臨床研究發現，與對照組相比，PD患者早葉樹科(Prevotellaceae)減少，腸桿菌科增加。進一步研究發現腸桿菌科與運動癥狀的嚴重性呈正相關，包括姿勢不穩和步態困難[37]。另一研究應用糞便和黏膜標本發現，PD患者丁酸產生的細菌Blautia,Coprococcus和Roseburia類顯著減少，丁酸具有抗炎效應，在PD患者中出現促炎性細菌硬骨菌(Ralstonia)提示腸道促炎性微生物生態失調可能是產生各種癥狀的部分原因，即生態失調扳機了系統炎癥，繼而加速PD病理學進程[38]。

總之，上述研究提示腸道微生物生態失調可能對許多疾病的病理進程都起著重要作用，盡管確切的病理學機制還未闡明，但提示微生物群在腸-腦軸中有重要作用，可能與ASD、抑郁癥和癡呆等多種神經精神疾病有關。

3 益生菌應用前景

3.1 動物研究 在焦慮癥、抑郁癥、應激障礙和ASD等多種動物模型中發現益生菌有治療作用，提示雙歧桿菌屬和乳桿菌屬益生菌對機體有益。

3.1.1 母嬰分離模型[39]：母嬰分離模型是指將剛出生的幼鼠與母鼠分離制作的應激刺激模型。母嬰分離小鼠表現為在強制游泳測試中執行較差，以及腦杏仁核區域發現炎癥和促腎上腺皮質激素釋放因子mRNA表達增加。應用B.infantis益生菌治療能反轉小鼠的行為缺陷和炎癥(通過白細胞介素-6的釋放)，同時發現血漿色氨酸水平明顯升高，提示該益生菌減輕應激所致炎性反應，提高神經遞質濃度。

3.1.2 雌性免疫活化(the maternal immune activation,MIA)鼠模型[40]：該模型稱為ASD模型，表現為胃腸屏障缺陷和腸微生物成分改變。口服人類偏利共生細菌脆弱擬桿菌，能矯正腸滲透性和微生物成分異常，同時改善交流缺陷、焦慮樣行為和感覺運動行為。還發現經擬桿菌治療后4-乙基苯基硫酸鹽等代謝產物也恢復正常水平，該代謝物與焦慮樣行為有關。

3.1.3 益生菌的作用機制：Janik等[41]應用L.rhamnosus JB-1益生菌對鼠進行治療，然后通過磁共振光譜儀檢測發現益生菌直接調節神經遞質濃度的證據，顯示腦谷氨酸、N-乙酰天門冬氨酸和GABA水平增加，表明益生菌調節腦活性，使益生菌轉化為臨床治療神經精神疾病成為可能。益生菌作用于腸-腦軸發揮其效應，其中減輕炎癥就是很好的證據，B.infantis 35624和L.rhamnosus JB-1兩種益生菌使血漿抗炎細胞因子IL-10濃度增加，并減少干擾素-γ和腫瘤壞死因子-α濃度，產生抗炎效應。益生菌也改善BBB的完整性，繼而減輕神經疾病患者的神經炎性效應[5]。另外，給予無菌鼠實施B.infantis益生菌還發現腦源性神經營養因子和N-甲基-D天門冬氨酸受體亞型2a的表達，這些分子對皮層和海馬區學習和記憶過程有重要作用，而沒有益生菌的無菌鼠則表達顯著減少。這些結果支持益生菌作用于腸-腦軸產生抗炎效果，減輕特殊腦區的局部炎性反應。最新的觀點也認為益生菌能調節神經形成，對ASD、癲癇、AD和PD等神經精神疾病有益，有必要開展更多的臨床對照研究探討其療效[1,2,7,42]。

3.2 人類研究 筆者發現，目前益生菌的臨床研究較少，但是減輕焦慮癥和抑郁癥方面的證據日益增加。由L.helveticus R0052和B.longum R0175組成的益生菌，在義務健康人群中研究，口服30 d后，通過住院焦慮和抑郁癥量表總體得分以及霍普金斯癥狀清單總體嚴重性進行測評，結果與安慰劑對比，益生菌組能顯著減輕焦慮和抑郁癥狀，表明改善心境。同時測定尿自由皮質醇顯示益生菌組顯著減少，提示應激水平減輕，表明益生菌對大眾焦慮和抑郁產生了有益效應[43]。Kato-Kataoka等[44]觀察益生菌L.casei菌株減輕大學生考試應激的效果。觀察正在面臨一次重要學術考試的健康醫學生，考試結束后分為2組，一組應用發酵L.casei菌株制作奶，另一組應用安慰劑奶，共8周。結果與對照組相比，L.casei菌株組唾液皮質醇水平較考試前顯著下降，并減輕胃腸癥狀。進一步的糞便檢測，發現益生菌組顯著提高腸道微生物種類數量，但擬桿菌科比例顯著下降。

益生菌在腸腦之間可能有重要調節作用，既改善胃腸功能，又調節腦功能，支持“微生物-腸-腦軸”在許多神經精神疾病的病理進程中有不可忽視的作用。腸道微生物一方面通過神經內分泌系統、神經免疫系統和自主神經系統作用于腦，另一方面微生物的毒性產物也影響腦發育[45]。目前，有很多學者試圖闡明益生菌調節腸-腦軸的確切機制以及臨床治療效果，但依然不十分清楚，需進一步開展多中心的大樣本研究。

腸道微生物在腸腦雙向聯系中的重要作用，提出“腸微生物群-腸-腦軸”概念。腸腦之間的互聯有直接和間接路徑，包括神經元信號、免疫介導信號和神經-內分泌介導信號。腸道微生態失調與應激反應、焦慮癥、抑郁癥、ASD和神經退行性疾病等多種神經精神障礙有關。益生菌能部分或全部恢復偏利共生細菌的紊亂，改善神經精神障礙的許多癥狀，證實腸微生物群在中樞神經系統疾病中的重要意義，提示益生菌有望成為治療這些疾病的重要輔助手段。