肠道菌群对中枢神经系统的影响及机制

人类肠道细菌数量庞大，种类丰富，参与维持各项生理功能，主要由厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门及变形菌门组成。早期报道发现，长期应用抗生素导致的肠道微生态失调会引发一些无病史的精神疾病［1］。多项研究显示，益生菌的应用可以有效改善宿主焦虑、抑郁、认知功能、自闭、应激反应等一系列神经系统功能失调［2］。越来越多的研究证明，肠道微生物及其代谢产物通过神经、内分泌、免疫途径影响大脑，同时，机体也通过此途径调节肠道菌群的构成，使肠道微生态保持平衡，即微生物-脑-肠轴［3-5］。本文对肠道菌群及其代谢产物在神经系统中的作用及机制作一综述。1肠道菌群在中枢神经系统发育中的作用大脑的发育早在胚胎时期就已经开始，这一时期外界环境通过母体的免疫和代谢影响胎儿神经发育。打破母体稳态平衡的因素，如感染、营养不良、产前应激等，与一些神经发育不良疾病有关，而母体肠道微生态的失调可能成为连接两者的桥梁。目前，母体肠道微生物与胎儿的相互作用机制还不明确，研究的困难主要在于复杂的代谢通路。神经发育在新生儿期继续进行，包括形态学改变、细胞分化和功能获得［6］。无菌动物模型在研究生命早期微生物的定植对神经发育的影响中起到至关重要的作用。无菌小鼠对约束应激的反应更强，血浆促肾上腺皮质激素和皮质酮水平升高，皮质和海马中脑源性神经营养因子（BDNF）表达减低［7］。BDNF是一种能刺激神经发生、突触形成并能调节突触的可塑性蛋白质。肠道微生物通过下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA轴）影响宿主行为可能与BDNF有关。早期肠道微生物定植的改变、行为和认知异常的发生与剖腹产相关［8］。在小鼠模型中，经阴道分娩的小鼠比剖宫产小鼠更易表现出焦虑、社会行为缺陷以及一些自闭症样行为［9］。近期的无菌小鼠研究强调，生命早期的微生物定植能够对宿主神经功能造成长期影响，而这一影响有一定的时间窗。无菌（GF）小鼠在生命早期接触肠道微生物将表现与普通小鼠相似的行为及基因表达，而当GF小鼠成年后再重建肠道微生物则无法改变其行为，这意味着利用调节肠道微生态的方法治疗神经发育不良疾病可能存在一段最适时间窗［6］。2肠道菌群影响宿主情绪及行为某些缺乏约束应激反应的无菌小鼠（NMRI）表现出较少的焦虑行为，比无特定病原体（SPF）小鼠更具探索欲；而在GF小鼠恢复肠道微生物定植后，其行为也会恢复正常［10-13］。将不同种小鼠的肠道微生物移植给GF小鼠，则GF小鼠会表现出相应肠道微生态特征的行为，提示了肠道菌群能够影响宿主行为［7］。自闭症谱系障碍（autismspectrumdisorders，ASD）是一种广泛发展障碍，以社会交往障碍、言语和非言语交流缺陷、兴趣狭窄和行为刻板等为主要临床特征。除此之外，很多ASD患者会表现出一系列的胃肠道并发症，如便秘、肠黏膜通透性增加等，并伴有肠道微生物组成改变，其中普雷沃氏菌、粪球菌等菌种的丰度明显降低［14］。最近的一项临床随机对照研究表明，益生菌治疗不仅能减轻ASD患儿胃肠道症状，且能有效改善其行为及神经生理参数［15］。动物实验发现，肠道微生物的严重破坏会导致小鼠的自闭症样行为，使小鼠结肠黏膜通透性升高，血清中的4-乙基硫酸苯酯（4-EPS）水平升高［16-17］。4-EPS来源于肠道微生物，可以诱导焦虑症状。有趣的是，给ASD模型小鼠补充脆弱拟杆菌可以恢复其受损的肠道通透性，使4-EPS浓度降低，同时能改善一些行为缺陷，包括刻板行为、交流障碍、焦虑行为等，提示肠道微生物很可能通过其代谢产物来影响宿主行为［18］。在一项益生菌实验中，给小鼠补充鼠李糖乳杆菌可以减轻其在高架十字迷宫和旷场试验中的焦虑表现，在迷走神经切断的小鼠中，益生菌的作用被减弱，提示微生物的信号可以直接通过迷走神经传入中枢神经［19］。出生后小鼠断奶前与母鼠分离导致的抑郁可以通过补充婴儿双歧杆菌来改善其强迫游泳实验中的抑郁症状，效果与服用抗抑郁药物相似［20］。3肠道菌群与中枢神经系统退行性疾病肠道菌群尽管有时会受到外环境影响产生波动，但在进入成年后整体处于稳定状态［21］。然而，如同在生命早期影响神经发育一样，肠道菌群在中枢神经系统退行性疾病中也扮演着重要角色。老龄个体通常伴随着肠道微生物的显著变化，年龄相关的神经功能失调常常伴有肠道微生物物种丰富度减低、变形菌门数量增加、双歧杆菌数量减少及短链脂肪酸（SCFA）的减少［22］。有研究认为，菌群失调介导的慢性低度炎症是很多年龄相关神经功能衰退的发病基础，即“炎性衰老”［23］。炎性反应不仅影响正常衰老过程，还在神经系统疾病中起着重要作用［24］。小胶质细胞是神经胶质细胞的一种，相·综述·肠道菌群对中枢神经系统的影响及机制齐诗蕊，孙刚［关键词］肠道微生态；微生物-脑-肠轴；神经系统；疾病［中图分类号］R378.2［文献标识码］ADOI：10.3969/．issn.1674-3245.2017.01.030基金项目：国家科技支撑计划课题（2015BAI13B07）；军队转化医学项目（2016TM-035）作者单位：100853北京，解放军总医院消化内科（齐诗蕊）；解放军总医院海南分院消化内科（孙刚）通信作者：孙刚，E-mail：[e-mail]注：ASD.孤独症谱系障碍；PD.帕金森病；MS.多发性硬化；MHE.轻微肝性脑病；HE.肝性脑病；mTBI.轻度颅脑外伤；PTSD.创伤后应激障碍；FMT.粪微生态移植表1ClinicalTrails.gov已注册的肠道菌群治疗中枢神经系统疾病干预性研究注册机构疾病干预措施研究设计进行阶段克拉萨多生物有限公司（ClasadoLimited）ASD膳食补充益生菌随机平行对照试验Ⅰ期临床试验德国萨尔大学（SaarlandUniversity）PD膳食补充抗性淀粉单组自身对照试验德国查理特大学（ChariteUniversity）MS膳食补充益生菌（TSO）随机双盲平行对照试验Ⅱ期临床试验德国图宾根大学医院（UniversityHospitalTuebingen）社会压力膳食补充益生菌随机双盲平行对照试验Ⅲ期临床试验荷兰瓦赫宁根大学（WageningenUniversity）偏头痛膳食补充益生菌（EcologicBarrier）随机双盲平行对照试验美国弗吉尼亚联邦大学（VirginiaCommonwealthUniversity）MHE口服鼠李唐乳杆菌（LactobacillusGG）随机双盲平行对照试验Ⅰ期临床试验印度CD制药公司（CDPharmaIndiaPvt.Ltd.）HE膳食补充益生菌（VSL#3）随机双盲平行对照试验Ⅲ期临床试验加拿大阿尔伯塔大学（UniversityofAlberta）HEFMT单组自身对照试验Ⅱ期临床试验JasmohanBajaj（弗吉尼亚州）HEFMT随机平行对照试验Ⅰ期临床试验弗吉尼亚研究和开发办公室（VAOfficeofResearchandDevelopment）mTBIPTSD口服罗伊氏乳杆菌（L.reuteri；DSM17938）随机双盲平行对照试验Ⅰ期临床试验当于中枢神经系统中的巨噬细胞，炎性反应可以将其激活。临床上和神经病理学研究表明，激活的小胶质细胞在神经退行性疾病的发病机制中起到十分重要的作用，如阿尔兹海默症、帕金森病和多发性硬化等。近期的一项研究表明，宿主菌群持续控制小胶质细胞的成熟及功能，而应用复合菌群可以在一定程度上修复小胶质细胞损伤［25］。星形胶质细胞是中枢神经系统中最丰富的细胞，具有调控血脑屏障、代谢、神经传输和神经系统损伤与修复的作用，并参与了多发性硬化（MS）的发病机制。另一项研究显示，I型干扰素和色氨酸肠道微生物的代谢产物可通过芳香烃受体途径调节星形胶质细胞活性，从而影响中枢神经系统的炎性反应［26］。衰老和神经系统退行性改变可能是由于宿主菌群改变，激活了中枢神经系统的免疫炎性反应造成的损伤，这种损伤有可能通过改变菌群来修复。4肠道菌群作用于中枢神经系统的机制肠道菌群通过直接或间接的方式作用于中枢神经系统，肠道菌群可以调节中枢及周围神经系统神经递质水平。在GF小鼠中，血清5-羟色胺（5-HT）水平下降，且5-HT的前体及代谢产物水平在肠内容物和尿液中均相应减低［27-30］。色氨酸是5-HT的前体，由肠道微生物合成，能够通过血脑屏障在中枢神经系统中生成5-HT，从而影响中枢系统神经功能［30］。肠道微生物合成的SCFAs在局部刺激肠嗜铬细胞分泌5-HT，能够调节胃肠道的蠕动［31］。类似的肠道微生物调控的神经递质还包括γ-氨基丁酸（GABA）和多巴胺等［32］。来源于肠道微生物的神经递质还能调节迷走神经活性，迷走神经作为初级神经连接肠道神经系统（ENS）与中枢神经系统（CNS）［19］。肠道菌群还能通过免疫系统介导炎性因子信号通路调控神经系统功能。细菌上的一些分子可以激活机体各类免疫细胞释放促炎因子，这些炎性因子透过血脑屏障（BBB）进入大脑激活小胶质细胞，诱发免疫反应［33］。某些促炎因子能够加快5-HT的摄取，降低5-HT受体的表达，使5-HT信号逐渐减弱，从而影响宿主行为［34］。肠道微生物介导的非炎性因子信号通路也会影响宿主神经功能，如粒细胞集落刺激因子（G-CSF）是对帕金森病和阿尔兹海默症的保护因子［35］。5肠道微生态治疗中枢神经系统疾病的临床应用及前景近年来，越来越多的动物实验证明益生菌的应用有益于改善中枢神经系统功能。长双歧杆菌（B.Longum）、短双歧杆菌（B.Breve）、婴儿双歧杆菌（B.Infantis）、瑞士乳杆菌（L.Helveticus）、鼠李糖乳杆菌（L.Rhamnosus）、植物乳杆菌（L.Plantarum）、干酪乳杆菌（L.Casei）等均已被证实能有效改善动物模型中的焦虑、抑郁等行为，而益生菌对人中枢神经系统功能的作用还有待更多的临床研究证明［2］。粪微生态移植（FMT）作为近年来重新兴起的一种治疗肠道微生态失调相关疾病的生物疗法，已被证实能够有效治疗临床难治性艰难梭菌感染性腹泻。国内外已有多篇FMT治疗炎症性肠病的相关报道，而FMT对治疗神经系统疾病的效果仍有待进一步探究。目前已有10家机构在美国ClinicalTrials.gov中心注册肠道菌群治疗神经系统相关疾病的临床干预性研究，治疗疾病包括ASD、MS、肝性脑病等（表1）。研究的干预措施主要为口服补充益生菌，有两项研究的干预措施为FMT。随着肠道微生态与中枢神经系统之间作用机制的不断明确，微生态治疗可能为中枢神经系统疾病的治疗开启新的篇章。大量研究已证实了肠道菌群与中枢神经系统的相互作用，并初步描绘出两者通过神经、内分泌、免疫等几种相互作用途径，即微生物-脑-肠轴，然而肠道菌群及其代谢产物的作用机制仍未完全明确。通过宏基因组、代谢组学的分析方法对肠道微生物进行基因和功能分析，将有助于明确更多的代谢通路，有可能找到神经系统疾病的根源，为治疗提供有力依据。参考文献［1］SternbachH，StateR.Antibiotics：neuropsychiatriceffectsandpsychotropicinteractions［J］.HarvRevPsychiatry，1997，5（4）：214-226.［2］WangH，LeeIS，BraunC，etal.Effectofprobioticsoncentralnervoussystemfunctionsinanimalsandhumans：asystematicreview［J］.JNeurogastroentMotil，2016，22（4）：589-605.［3］WangY，KasperLH.Theroleofmicrobiomeincentralnervoussystemdisorders［J］.BrainBehavImmun，2014，38（2）：1-12.［4］CryanJF，O'MahonySM.Themicrobiome-gut-brainaxis：fromboweltobehavior［J］.NeurogastroentMotil，2011，23（3）：