菌群-腸腦軸與疾病相關性研究進展及其干預對健康生活的展望

申靜

摘 要 腸道菌群是個巨大、復雜的微生物生態系統，其中菌群-腸腦軸是近年研究熱點。大量研究發現菌群-腸腦軸通過對免疫系統、神經傳遞、內分泌調節及菌群代謝物的調控，產生對精神疾病及神經退行性病變的影響。由此，深度啟發了更多治療方式和益生菌產品的發展，以預防及治療相關疾病，具有很好的社會效益和經濟學價值。本文綜述了其在治療及健康管理中的作用及商業開發價值。

關鍵詞 菌群-腸腦軸 神經退行性疾病 干預

中圖分類號：R37； R363 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1533（2021）09-0076-05

Research progress on the relationship between the microbiota-gut-brain axis and diseases and the prospect of intervention on healthy life

SHEN Jing*

（SPH Sine Pharmaceutical Laboratories Co.， Ltd.， Shanghai 201206， China）

ABSTRACT Intestinal microflora is a huge and complex microbial ecosystem， in which the microbiota-gut-brain axis has been a research hotspot in recent years. A large number of studies have showed that the microbiota-gut-brain axis has an impact on mental diseases and neurodegenerative diseases by the regulation of immune system， neurotransmission， endocrine regulation and flora metabolites. Therefore， more treatment methods and probiotics products are deeply inspired to prevent and treat the related diseases， which has good social benefits and economic value. The role of probiotics in clinical treatment and health management and its commercial development value are reviewed.

KEy WORDS microbiota-gut-brain axis； neurodegenerative disease； intervention

2000多年前，希波克拉底說“一切疾病始于腸道”，《黃帝內經》記載“心與小腸相表里”，心主神志，中外先哲不約而同地揭示了腸腦軸的概念。相關研究[1-4]夯實了這一概念：①肝性腦病常常與腸道營養不良的發生有關，對此可以采用目標微生物的抗生素治療；②從無菌動物發現，缺乏菌群會影響大腦功能；③即使在免疫未激活的狀態下，長期的輕度感染也會改變人和動物的行為；④外源性補充特定菌株能改變人和動物的行為；⑤生命早期使用抗生素會對神經系統發育產生影響?；诖?，本文從菌群-腸腦軸的調控機制、與疾病的關系和干預方式等幾個方面進行闡述。

1 菌群-腸腦軸的調控機制

人類腸道微生物組約有3.8×1013種微生物[5]，其中包括至少1 000種已知細菌[6]。在對腸道微生物組的研究中，腸道菌群的研究進展最快，這歸功于高通量篩選技術的快速發展[7]。目前的研究已經能明確菌群-腸腦軸的信息傳遞和影響是雙向的，且腸道菌群在人體代謝、免疫、神經活動方面均是重要的參與者[8-9]。菌群-腸腦軸調控機制如圖1所示[10]。

1.1 代謝調節

1.1.1 短鏈脂肪酸（short chain fatty acids， SCFAs）

SCFAs是腸道菌群的代謝產物之一，可以刺激腸內分泌細胞產生神經肽，從而刺激腸神經系統[11]，此外，Vinolo等[12]發現SCFAs還能下調腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α），白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β），白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6），等促炎因子，上調抗炎因子白細胞介素-10（IL-10），Pérez-Escuredo等[13]則發現SCFAs通過與中樞神經系統中大量表達的三羧酸轉運體結合進入大腦，調節神經功能傳遞。這些發現都證明了SCFAs在菌群-腸腦軸中的調節作用。

1.1.2 單胺類神經遞質

腸道菌群中不同的菌株能調節多種單胺類神經遞質，包括5 -羥色胺（5-HT）、兒茶酚胺、γ-氨基丁酸[14-16]。Clarke等[17]發現5-HT 受腸道菌群調節，而人體95%的5-HT 由腸上皮細胞產生。在腸內，無病原體小鼠比無菌小鼠有更多的多巴胺和去甲腎上腺素，表明腸菌能提供兒茶酚胺[18]。Barrett等[19]發現腸道菌群還能產生γ-氨基丁酸，直接透過血腦屏障，調節中樞神經。

1.1.3 色氨酸-犬尿氨酸代謝

色氨酸只有少部分以5-HT 代謝，95%以犬尿氨酸通路（kynurenine pathway， KP）為主要代謝途徑。近年來發現KP是神經退行性疾病和嚴重大腦損傷中神經元受損的重要途徑[20]。還發現，正常小鼠在接受了抑郁癥患者的糞菌移植（fecal microbiota transplantation， FMT）后，其色氨酸-犬尿氨酸代謝發生紊亂，行為上也有焦慮抑郁性改變[21-22]。

1.2 神經調節

迷走神經是第10顱神經，作為連接腸道和大腦最快的路徑，由80%傳入神經和20%傳出神經構成，是以收集和傳遞信息為主的神經通路。迷走神經從十二指腸近端開始，一直到橫結腸部分，將收集到的信號上達中樞[23]。迷走神經還能感知腸道內發生的各種機械、化學和激素等多模式的信號[24]，而且不同亞群的迷走神經能感應特定的刺激，反映出特異性的潛質[25]。

1.3 內分泌調節

在嗅球切除術動物模型中，促腎上腺皮質激素釋放激素（corticotropin releasing hormone， CRH）的水平上升與慢性抑郁樣行為有明確聯系，且會增強腸道運動，改變腸道菌群結構[26]。無菌小鼠和無特定病原體（specific pathogen free， SPF）小鼠的動物研究中發現，無菌小鼠的CRH水平比SPF小鼠高[27]，而這種應激反應通過糞便重構能夠得到逆轉[28]。

1.4 免疫調節

腸黏膜淋巴樣組織被認為是人類最大和最重要的免疫器官。研究表明[29-30]，腸道菌群對淋巴系統的發育和適應性免疫系統有重要的影響。腸道菌群影響SPF小鼠的大腦代謝產物，其中10個代謝物與腦功能有關[31]。致病性腸道微生物除了微生物代謝產物外，還可通過胃腸道上皮屏障、巨噬細胞和樹突狀細胞激發白細胞介素-1（interleukin-1，IL-1），白細胞介素-18（interleukin-18，IL-18）等促炎細胞因子[32]，這些細胞因子與多種神經精神疾病密切相關，包括焦慮、抑郁和神經性疼痛等[33-34]。可見，腸道菌群、腸黏膜免疫系統和大腦之間存在復雜的免疫調節網絡。

2 菌群-腸腦軸與疾病

雖然還有很多未知，菌群-腸腦軸已表現出了雙向的生物信息調控能力。近年來，阿爾茲海默?。ˋlzheimer disease， AD）、帕金森病（Parkinsons disease， PD）和自閉癥（autistic spectrum disorder， ASD）已被證實與腸道菌群相關。

2.1 AD

AD是中樞神經系統退行性改變的疾病，每年在全球累及約5 000萬患者。淀粉樣蛋白b形成的神經斑塊和tau蛋白過度磷酸化導致神經纖維纏結是目前AD診斷的神經病理學標準。而菌群-腸腦軸對AD的促發作用歸結于腸道營養不良，導致有益物質（如SCFAs）的減少以及有害物質（如淀粉樣蛋白和氧化三甲胺）的增加。腸道營養不良的主要特征是厚壁菌與擬桿菌比值的增加，這可能導致AD早期的淀粉樣蛋白前體蛋白的積累[35]。另一方面，腸道菌群的某些代謝物對Ab的積累有促進作用，比如氧化三甲胺已經被發現與AD認知功能減退有關[36]。另外，異常腸道菌群會促進全身炎癥反應，進而推動AD發展，比如神經變性的發作[37-38]。

2.2 PD

PD是常見的神經退行性疾病，表現出運動性異常，包括震顫、肌肉僵硬、運動緩慢和步態異常等[39]。主要病理特征是黑質中多巴胺能神經元的喪失，伴有α-突觸核蛋白的積累和路易小體的沉積[40]。研究表明[41]，早在中樞系統發生病變以前，α-突觸核蛋白已在腸神經系統蓄積，并伴隨消化道（便秘等）癥狀，這在野生型α-突觸核蛋白的小鼠中也得到了證實，該小鼠表現出結腸運動功能受損[42]。因而PD早期的腸道消化癥狀對疾病進展的認知具有警示作用，且對早期干預提供了新的可能。此外，PD患者腸道功能受損后，會增加局部炎癥，降低α-突觸核蛋白的清除效率，加重PD神經變性[43]。此外還發現，PD癥狀的嚴重程度（包括姿勢不穩和步態異常）與一些菌株的豐度變化有相關性[44-45]。可見，探索菌群-腸腦軸對研究PD發病及疾病進展的具體機制，以及預防和治療PD具有重大臨床意義。

2.3 ASD

ASD兒童的胃腸道癥狀發病率比正常人群高4倍[46]。通過對ASD患者的糞便測序，發現后壁菌群豐度低，擬桿菌門高。擬桿菌屬是產生SCFAs的細菌，它們的代謝產物（尤其是丙酸）可能會通過腸腦軸影響中樞神經，從而改變大腦認知和行為[47]。ASD患兒與健康兒童相比，抗炎能力菌屬及消化能力菌屬均降低[47-50]，但脫硫弧菌卻過度生長[51]。目前對于腸菌-腦腸軸與ASD之間的機制探索主要聚焦于腸道炎癥假說和血清素通路異常。對于ASD的治療尚未有很好的方法，通行的家庭認知行為療法對父母的精力消耗和物質保障要求很高，且效果有限。因而將菌群干預作為一種靶向治療手段，是非常有潛力的研究方向，且全球各地都有不錯的研究成果發表。Wang等[52]發現益生菌和低聚果糖干預可通過調節微生物-腸腦軸，改善自閉癥譜系，從而減少高血清素能狀態和多巴胺代謝紊亂。

除了上述3種疾病，全球范圍內還有不少菌群-腦腸軸對認知功能障礙、精神分裂、雙向情感障礙等發生影響的深入研究。

3 干預

3.1 飲食

最容易實現的腸道菌群干預是飲食。因此，針對飲食結構和生活習慣對菌群-腸腦軸的改變是研究的熱點。目前比較常見的方式是外源性補充益生菌產品，具體產品需要有科學、嚴謹的臨床觀察研究，才更容易成為值得普及推廣的干預手段。此外，有些作為藥品文號的益生菌產品也在臨床使用中發現了較好的干預能力。

3.2 治療手段

目前，全國已有幾十家醫院開展FMT治療干預，因起步不同，故積累和探索的成熟度不同，但從成熟的案例和實踐中發現，FMT對于自閉癥、抑郁癥等有不錯的療效。

4 展望

腸道微生物組除了腸菌外，還有病毒、真菌等微生物，同樣對腸腦軸的雙向調節起到重要作用，但需要更多的基礎和臨床研究了解其具體分子生物學機制。以菌群-腸腦軸為目標，尋找可以干預的腸道靶點必將繼續成為研究熱點，可以預見不遠的未來，將不斷產生鼓舞人心的新成果，以造福公眾。

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