腦-腸軸與精神疾病腸道微生物的研究進展

李瑞盈，鄢明輝，游春蘋,

（1.光明乳業股份有限公司乳業研究院，上海乳業生物工程技術研究中心，乳業生物技術國家重點實驗室，上海 200436；2.上海海洋大學食品學院，上海 201306）

所有的多細胞生物都與其周圍的微生物有緊密的聯系，當然人類也不例外。人體中除了存在著大量的細菌外，還有古生菌、病毒和單細胞真核生物[1]。據估計，人體內的細菌細胞數量高達3.8×1013個，高于人體細胞數量的3.0×1013個[2]。微生物普遍分布于人體的各個部位，如皮膚、呼吸道、胃腸道、泌尿生殖系統等。其中在胃腸道（Gastrointestinal Tract，GIT）中分布最多[2]；據估計，結腸本身就含有人體70%以上的微生物[3]。此外，GIT是細菌定居的首選場所，因為其中含有豐富的可以被微生物生長代謝所利用的營養物質。

近年來，對于腸道菌群的研究不斷深入，眾多研究表明腸道菌群與機體的健康息息相關，腸道菌群與神經類精神疾病的聯系也是非常緊密的。屬于厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和雙歧桿菌門（Bifidobacterium）的常見腸道菌群可能會導致機體精神障礙[4]。人體營養不良、腸道活力下降和過多給藥都可能引發微生物群的改變[5]。腸道菌群的改變通常被稱為腸道菌群失調/微生物菌群失調，這種不平衡也會影響這些微生物產生的副產物，如短鏈脂肪酸（Short Chain Fatty Acid，SCFA），甚至神經遞質，再通過腦-腸軸（Gut – Brain Axis，GBA）對大腦產生影響[6]，從而引發相關的精神疾病。本文旨在探討腸道微生物對于常見精神疾病作用的可能機制，并重點對這幾類常見精神疾病與腸道微生物的關系以及其腸道菌群的變化進行論述。

1 腸道微生物

人體腸道內的微生物對宿主的新陳代謝起著至關重要的作用，是一個由數萬億細菌組成的器官，這些細菌主要分布在遠端結腸。腸道微生物群平均重1.5 kg，攜帶的基因至少是人體宿主的150倍[7]。人體腸道微生物的種類很多，不僅包括最常見的細菌，還包括病毒和真菌，它們與宿主之間具有不對稱的生物關系，其數量至少比人體細胞多一個數量級[8]。2012年發表的《人類微生物組項目聯盟》揭示，人類腸道的主要菌門是擬桿菌屬（Bacteroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）和變形菌門（Proteobacteria）[9]。

腸道菌群對人的生理和營養狀況有許多有益作用，其中包括生產維生素的能力，以及將難以消化的纖維轉化為人體代謝所需的形式的能力[10]。一般來說，微生物代謝物可能對宿主的健康產生局部和系統的影響。這些代謝物，如短鏈脂肪酸和維生素，可能與腸上皮相互作用，改變其功能；如果這些化合物被吸收到血液循環中，就會對宿主的新陳代謝和健康產生全身性影響[11]。顯然，腸道菌群可以通過不同的機制與人體相互作用。

2 腦-腸軸的雙向調控機制

腦-腸軸（brain-gut axis，BGA）是神經系統和胃腸道之間進行雙向信號溝通的調節系統。其基本組成包括中樞神經系統（Central-Nervous System，CNS）、自主神經系統（Autonomic-Nervous System，ANS）、下丘腦-垂體-腎上腺軸（Hypothalamic-Pituitary-Adrenal Axis，HPA）和腸道神經系統（Enteric-Nervous System，ENS）等，各組分之間相互影響，相互作用（見圖1）。腦-腸軸調節應激反應的過程涉及神經通路、免疫機制和內分泌機制。腦腸軸之間的另一個重要參與者就是存在于人類消化道的微生物群落，胃腸道內信息的變化會通過迷走神經，交感神經等傳遞到CNS，經過大腦相關區域的整合，發送指令并通過交感神經，副交感神經等作用于外周的器官，以反饋調節的方式調控胃腸道環境。

圖 1 腸道微生物群產生的信號會影響腦-腸軸[12]Fig.1 Signals produced by the intestinal microbiota affect the brain-gut axis[12]

2.1 神經解剖通路

腸壁上面有很多的腸神經，它們可以把腸道消化、吸收、免疫的信息，通過腸神經上行到大腦的內臟中樞—丘腦，所以大腦可以接受到我們腸道的很多信號。腸道菌群與大腦之間的相互神經通訊作用一般是通過迷走神經實現。即腸道菌群在刺激ENS的傳入神經元時[13]，腸道會通過迷走神經信號對抗炎反應產生刺激，從而防止引起炎癥。目前，在動物實驗中發現腸道菌群能夠激活迷走神經，該激活作用在調節對大腦的影響以及后面的行為有重要的作用[14]。來自腸道的某些迷走神經信號可以引發抗炎反射，從而向大腦發出傳入信號，激活傳出反應，釋放出乙酰膽堿，再通過與免疫細胞的相互作用，從而減弱微生物炎癥。同時，大腦作為機體的中樞，也可以通過迷走神經去影響腸道的功能。最近Han等[15]研究發現，迷走神經能夠通過調控小鼠的攝食行為從而減輕腸道炎癥癥狀。小鼠右側大腦迷走神經感覺神經節被激活，促進了小鼠的攝食行為，且減輕了腸道炎癥反應。Bonaz等[16]已通過刺激迷走神經，使炎癥性腸病患者的臨床癥狀得到了緩解。另外，Ghia等[17]的研究發現迷走神經還可通過改變腸腔的滲透性從而改變腸道環境。

2.2 神經內分泌HPA軸通路

作為神經內分泌系統的下丘腦-垂體-腎上腺軸（Hypothalamic-Pituitary-Adrenal Axis，HPA），能夠掌控激素對機體內外部產生的反應[18?19]。腸道菌群有助于神經內分泌的成熟，微生物群可以通過各種通訊方式控制外周和中樞神經系統的活動，包括迷走神經的激活、細胞因子的產生、神經肽和神經遞質的釋放、短鏈脂肪酸的釋放和微生物代謝產物的釋放，并利用淋巴和體循環。若這些信號穿過血腦屏障然后到達大腦，就會使小膠質細胞激活，使其在免疫監控等方面發揮作用，包括HPA軸激活狀態的調節。當HPA軸被激活，會釋放出糖皮質激素，該激素能夠調節大腦小膠質細胞的狀態，使其激活，進而影響細胞因子的釋放以及單核細胞的運輸（見圖2）。

圖 2 微生物對神經炎癥和HPA軸活性的調節示意圖[19]Fig.2 A schematic diagram of microbial regulation of neuroinflammation and HPA axis activity[19]

同樣的，腸道菌群的組成受應激反應和HPA軸的調控[20]。有研究[21]指出在慢性壓力狀態下，HPA系統的激活以及促腎上腺皮質激素釋放因子（Corticotropin-Releasing Factor，CRF）和糖皮質激素的釋放可以對胃腸黏膜起到保護作用。

2.3 腸道免疫系統

腸道淋巴組織中的免疫細胞占整個機體的70%~80%，腸道上皮細胞可以通過識別不同的微生物信號分子從而產生免疫反應。腸道微生物群是腸道免疫系統發育的基礎[22?23]。腸道上皮細胞通過多種Toll樣受體（Toll-like receptors，TLRs）識別不同腸道微生物組成狀態下的相關分子模式。在健康的機體中，腸道菌群能夠利用配體和代謝產物對腸上皮細胞和腸道免疫細胞直接產生作用，從而使宿主-菌群維持共生穩態[24]。腸道免疫細胞也直接或間接地控制微生物群落[25]。另外，大腦中的小膠質細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞表面的TLRs也可以對存在于血液循環中的不同類微生物的相關分子模式產生免疫應答，通過釋放細胞因子從而對大腦產生影響[26]。老年人免疫功能的下降，會引起腸道微生物群的改變。因此，腸道菌群通過免疫系統和大腦之間的交流是雙向的相互作用。

3 腸道菌群與精神疾病

3.1 重度抑郁癥（Major Depressive Disorder, MDD）

重度抑郁癥（MDD）是常見的精神疾病，與合并癥、健康不良和死亡率相關[27]。近年來，新興的研究領域揭示了抑郁和腸道微生物群之間的聯系[28]。目前已有大量證據表明，腸道菌群平衡失調會影響抑郁癥發病機制中涉及的病理生理通路[29?30]。糞菌移植（Fecal Microbiota Transplantation, FMT）作為一種重建菌群的方法，常被用于研究腸道菌群的研究中[31]。Cheung等[32]將MDD患者的細菌移植到嚙齒動物身上會產生類似抑郁的行為，并發現50個腸道細菌類群在MDD患者和對照組存在差異（P<0.05）。

Guida等[33]在小鼠中使用廣譜抗生素會導致生物失調、產生類似抑郁的行為，并改變海馬神經元的放電，在用干酪乳桿菌進行益生菌治療后，這種表型發生了逆轉。Kelly等[34]在進行轉化研究中發現，移植患有重度抑郁癥患者腸道內的微生物群到無菌或體內缺乏此類微生物的嚙齒動物會使其表現出類似于抑郁的表型，機體會表現出缺乏快感和焦慮的行為，而在移植了健康微生物的對照組中沒有出現此類現象。在最近的一項研究中，研究人員招募了30名抑郁癥患者和30名健康對照組，對糞便微生物群進行了測序。高通量焦磷酸測序顯示，在那些目前患有抑郁癥的人身上發現糞便細菌的α-多樣性增加了以及擬桿菌門（Bacteroidetes）、變形桿菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteria）的數量也有所增加，而厚壁菌門（Firmicutes）數量明顯減少。抑郁癥和焦慮癥是兩種密切相關的精神障礙疾病，研究中發現具有正常特異無致病性菌群的生長型小鼠比GF小鼠焦慮和活躍程度低；這表明益生菌可以減少焦慮行為[35]。

對嚙齒動物的研究表明，抑郁癥可通過改變腸道環境，使脂多糖（LPS）和其他分子進入血液，從而刺激toll樣受體，產生炎癥細胞因子。而抑郁與白介素、腫瘤壞死因子（TNF-α）、和c反應蛋白等炎癥生物指標的升高有關[36]。重度抑郁癥表現出HPA軸的異常，包括皮質醇的分泌和反應性增加以及垂體和腎上腺的體積和活性增加。將抑郁癥患者的腸道菌群移植到無菌小鼠體內，出現海馬區Stat5a基因的下調。Stat5a基因參與調節HPA軸的反應[37]。研究發現，在大鼠的強制游泳試驗中，益生菌的治療可以減輕類似抑郁的癥狀，并導致海馬中與HPA軸調節有關的轉錄本水平下降[38]。研究發現[39]，雙歧桿菌（Bifidobacterium）CECT 7765會影響神經內分泌功能，從而使小鼠的快感缺乏。近期研究表明，植物乳桿菌299v對重度抑郁癥患者在注意力和語言學習方面的認知能力有所提高，并導致犬尿氨酸途徑的有益改變[40]。

3.2 精神分裂癥（Schizophrenia, SCZ）

精神分裂癥是一種嚴重的精神疾病，以精神病為特征，其中內臟-大腦軸的參與早已被認識[41?42]。對精神分裂癥患者口腔樣本微生物菌群的分析發現，與正常對照組相比，這些患者的微生物菌群明顯含有更多的乳酸菌（Bifidobacterium）[43?44]。進一步的分析表明，乳酸菌群的增加與精神分裂癥患者不同癥狀域的嚴重程度顯著相關[44]。基于這些研究，微生物組成與精神分裂癥之間很可能存在一種關系。

Zhu等[45]在精神分裂癥患者菌群中發現，兼性厭氧菌和口腔菌增多，短鏈脂肪酸合成、色氨酸代謝、多種神經遞質的合成或降解等功能潛力發生改變。移植患者中富集的前庭鏈球菌，可以誘導小鼠的精神分裂癥樣行為、改變外周神經遞質水平。Zheng等[46]發現與健康對照組相比，未用藥和用藥的SCZ患者微生物組α-多樣性指數下降，腸道微生物組成明顯紊亂。幾種獨特的細菌類群（如韋榮氏菌科（Veillonellaceae）和毛螺菌科（Lachnospiraceae））與SCZ的嚴重程度相關。SCZ患者體內微生物群本身可以改變神經化學和神經功能，其方式可能與SCZ病理相關。腸道微生物可以通過谷氨酸的代謝通路的異常和腦腸軸機制來影響精神分裂癥的發病。把精神分裂病人的糞菌移植到抗生素干預的無菌小鼠體內后，小鼠表現出空間認知能力的下降。在門水平上，Shen等[47]發現變形菌門的豐度在精神分裂癥患者體內有明顯地增加，且伴隨著系統性炎癥反應標志如IL-6、IL-8、IL-1β和TNF-α的增加。

精神分裂癥的發病機制尚不完全清楚；然而，腦源性神經營養因子表達的減少以及由此導致的n-甲基-d-天冬氨酸（NMDA）受體[48]的低活性與精神分裂癥的病理有關。越來越多的證據表明，免疫系統可能在精神分裂癥的發病中發揮重要作用。巨魔樣受體（TLR）介導先天免疫應答。其中TLR4對脂多糖（LPS）產生反應并觸發炎癥反應，脂多糖是革蘭氏陰性菌外膜的重要組成部分。由于TLRs參與維持腸上皮內穩態，并保護機體免受共生細菌免疫反應的傷害，因此TLRs能夠識別健康受試者的腸道微生物群[49]。然而，TLRs與腸道菌群之間的異常相互作用可能導致慢性炎癥，因此，作為精神分裂癥的一個特征，微生物群組成的變化可能會引起TLRs介導的免疫反應，從而導致精神分裂癥的癥狀。

3.3 自閉癥譜系障礙（Autism Spectrum Disorder，ASD）

自閉癥譜系障礙（ASD）是一種廣泛性的神經發育障礙，會出現社交與互動障礙，以及重復性的刻板行為。在美國ASD在兒童和青少年中的患病率達到1/59[50]。腸道微生物群被認為在自閉癥譜系障礙中起重要作用。腸道菌群在患有自閉癥譜系障礙和正常發育的對照組之間存在差異[51]。在ASD動物模型中，特異性腸道微生物也顯示出了其治療潛力[52?53]。

Hsiao等[54]對患有自閉癥譜系障礙的母體免疫激活（Maternal Immune-Activation，MIA）模型進行了益生菌治療的臨床前研究，該模型顯示出了自閉癥行為或腸道菌群異常的胃腸道疾病。在MIA子代臨床前模型實驗中，口服了脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）之后腸道的通透性得到了改善，腸道微生物也在一定程度上有所恢復且使自閉癥行為有所改善，說明微生物調節是一種有效且安全的ASD治療方法。有趣的是，在早期的模型中，只有脆弱擬桿菌能夠改善焦慮、刻板印象和交流障礙行為，這表明益生菌治療需要一定的特異性[55]。近期一項研究納入了30例5~9歲的ASD患者，對其進行了3個月含有嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌和長雙歧桿菌的配方補充，然后通過自閉癥治療評估清單（Autism Treatment Evaluation Checklist，ATEC）進行評估。益生菌治療后的ATEC整體評分顯著下降（P=0.0001），自閉癥癥狀的嚴重程度顯著下降（P<0.0001）[56]。Tomova等[57]檢測了斯洛伐克兒童體內的微生物群。自閉癥患兒糞便微生物菌群中擬桿菌門（Bacteroidetes）/厚壁菌門（Firmicutes）比值明顯降低，乳酸菌屬（Lactic acidbacterium）數量升高，脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）輕度升高，與自閉癥嚴重程度相關。益生菌飲食使擬桿菌門（Bacteroidetes）/厚壁菌門（Firmicutes）比值和脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）水平正?；?。

研究報告ASD患者有一種特殊的胃腸道表型，其特征是腸道通透性增加和腸道免疫功能異常[58]。越來越多的證據表明，ASD的患者經常受到胃腸道問題和腸道菌群發育不良的影響，其癥狀包括腹瀉/便秘、腹痛和胃反流。ASD患者會出現免疫系統損傷[59]，如血液中促炎細胞因子水平升高、免疫細胞功能失調或針對腦蛋白的抗體的存在。研究表明促炎細胞因子的增加與一些行為癥狀的嚴重程度相關。腸道菌群和免疫系統是內在聯系的。免疫系統的主要組成功能是控制微生物群和增強腸道屏障。反過來，微生物群對免疫系統也有直接影響，因為細菌代謝物貫穿整個生命周期，可以影響免疫細胞的分化，或調節它們的活性。更具體地說，是通過T調節細胞（Treg）和效應T細胞（如腸道中的T輔助細胞（Th））之間的平衡[60]，Treg/Th17平衡可能受到微生物群變化的影響[61]。

3.4 其他精神類疾病

阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）是以癡呆表現為特征的一種疾病，與認知受損和腦淀粉樣蛋白（Amyloid-βPeptides，Aβ）積累有關。通過對患有和未患有AD實驗組糞便樣本中細菌組成的分類鑒定，發現AD患者的腸道微生物多樣性已經減少[62]。臨床研究表明，在Aβ樣變的認知受損老年患者中，與大量的促炎菌屬（如大腸桿菌（Escherichia coli）/志賀氏菌（Shigella））相比，脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）和直腸真桿菌（Eubacterium rectale）這兩種具有抗炎活性的細菌在腸道中的豐度較低。因此，對利用益生菌來預防或減緩AD的研究是非常有意義的[63]。腸道微生物的改變所導致的炎癥反應會引起血腦屏障的完整性發生變化，進而影響認知行為。研究也發現AD患者血漿內LPS濃度是正常機體的3倍，這使腸道屏障受到破壞，腸滲透性增加的結果。研究發現血清素（5-HT）能抑制Aβ斑塊的形成[64]，從而減輕患AD風險。血清素（5-HT）95%在腸內合成，因此腸道微生物對5-HT起著很重要的作用。

表 1 精神疾病患者與健康者菌群差異Table 1 Difference of microflora between neuropsychiatric diseases and healthy people

帕金森?。≒arkinson’s Disease，PD）治病機制復雜，其α-突觸蛋白變化是該病的重要致病機制?；颊吣c道菌群特征表現為碳水化合物發酵和丁酸合成能力降低，蛋白水解發酵和有害氨基酸代謝產物的產生增加[65]。研究PD患者的腸道微生物群，發現了一些常見的微生物群落改變，如PD患者中的毛螺菌科（Lachnospiraceae）減少和疣微菌科（Verrucomicrobiaceae）增加[66]，普雷沃菌科（Prevotellaceae）減少。而普雷沃菌科（Prevotellaceae）作為腸內共生細菌，可以促進腸道神經粘膜層的生成，當其減少將導致腸道通透性增加，使局部和系統受到內毒素的入侵，從而導致α-突觸蛋白的錯誤折疊和表達。精神疾病患者與健康者菌群差異見表1。

4 結論與展望

腸道菌群和大腦，情緒、認知行為存在著密切的關系，像抑郁癥、焦慮癥、精神分裂癥、自閉癥、阿爾茲海默癥和帕金森癥等精神類疾病，目前已經被發現和腸道菌群存在著密切的關系。腦腸軸在疾病病理的機制過程當中起到一個非常重要的作用，但是現有的研究還是不夠的，因為對機制的研究以及通路的研究，還不能夠很好地解釋腸道微生物如何去影響精神疾病的發病。所以，在菌群的研究當中，要以多組學研究來研究炎癥性腸?。徊⑼ㄟ^多組學研究，來研究這些健康人群是如何發展為一個精神疾病的；以及在人類生命周期當中，出生之前以及出生后胎兒的腸道菌群的動態的改變。未來在大樣本的隊列研究、菌群移植、多組學的分析以及臨床轉化當中，可以更好地去深入研究該領域，能夠為精神疾病的發病機制的揭示提供更多的科學依據。飲食似乎是腸道菌群變化最大的原因，可以影響占優勢的菌屬，因此后續的研究可將對精神疾病起作用的益生菌添加到酸奶等食品中，通過改變精神疾病患者的膳食，進一步研究其對此類精神疾病的作用效果及機制。