肠道菌群与多发性硬化的关系

闻洁曦　郝洪军　高枫　黄一宁

北京大学第一医院神经内科



肠道菌群与多发性硬化的关系

闻洁曦郝洪军高枫黄一宁

北京大学第一医院神经内科

摘要:肠道菌群对于肠道稳态的维持是必需的，它们在调节宿主免疫方面发挥着重要作用。菌群失衡与多种疾病有关。多发性硬化是一种病因未明的中枢神经系统自身免疫性疾病，现有研究表明其发病可能与肠道菌群有关。本文将对肠道菌群及其与多发性硬化发病的关系进行综述。

关键词:肠道菌群；微生物群-肠-脑轴；多发性硬化

近年来，人们发现肠道菌群的失衡与多种疾病，如炎性肠病、肠易激惹综合征、糖尿病、系统性自身免疫性疾病等有关[1]。在神经病学领域，人们也逐渐开始关注肠道菌群在神经系统自身免疫性疾病中所发挥的作用。多发性硬化(multiple sclerosis，MS)作为一种具有致残性的中枢神经系统自身免疫性疾病，其发病机制未明，肠道菌群在自身免疫疾病中所发挥的调节作用有可能为研究MS的病因打开了一扇新的大门。 本文将对肠道菌群与MS发病的可能关系进行综述。

1人类肠道菌群概述

1.1人类肠道菌群的构成及其影响因素 人类正常菌群组成包括细菌、真核真菌、病毒和古细菌，其中细菌数量最多且占主导地位。人类肠道中有多达1014个微生物定植，总重量约2 kg，包括300～1000个不同种群。至今尚不能确定细菌种群的准确数量[1]。一般以细菌16S RNA序列97%一致性定义为一个运算分类单元，并以此为界来区别不同菌群。目前对菌群的运算分类单元存在多种算法，不同算法对于16S RNA序列一致性的切断值不同。

影响肠道菌群构成的因素很多，包括(1)环境：如营养状况、药物、生活方式、毒品、吸烟等；(2)基因：宿主基因构成与细菌基因构成间有明显的适应关系。在基因构成相适应的基础上，细菌和宿主共同合成代谢产物。这些代谢产物发生交叉反应，相互影响，维持肠道菌群及其环境的稳定平衡[2]；(3)其他：宿主年龄、性别、居住地、精神压力、日常体育锻炼强度、气候等[1]。

1.2人类肠道菌群的功能 正常菌群能够合成和分泌维生素(维生素K、维生素B12等)、过氧化物以及高度特异的具有支持内皮生长和代谢功能的其他代谢产物。如果没有肠道菌群，将导致一些消化酶产量不足。正常菌群也可以通过和致病菌竞争结合位点及必需营养物质来阻止其定植。

肠道微生物与邻近的黏膜环境直接发生作用，不仅能够影响肠道通透性，还能参与局部和系统炎性反应。微生物群与宿主之间通过代谢发生间接调节作用，如肠道细菌在对植物多糖的消化过程中产生短链脂肪酸，短链脂肪酸反过来可以通过多种机制调节宿主黏膜免疫应答，包括促进调节T细胞的产生[3]。

正常菌群可以刺激获得性免疫系统和淋巴细胞的发展。现有研究表明，无菌小鼠因为缺少菌群的作用导致盲肠扩大，肠壁变薄，淋巴结结构发育不全。功能性淋巴结构在肠道感染中很重要，正常菌群能够刺激交叉反应抗体(主要是IgA)的产生，这种具有交叉反应性的抗体分泌到肠腔后可以发挥预防细菌感染的作用。此外，微生物产物具有直接免疫调节潜能。脆弱拟杆菌(肠道中普遍存在且互利共生的一类微生物)产生的多聚糖A(polysaccharide A，PSA)可以调节和修正系统性T细胞缺陷和TH1/Tp细胞失衡[4]。这是正常菌群介导的胃肠道感染防御机制之一。

2微生物群-肠-脑轴(microbiota-gut-brain axis)

微生物群-肠-脑轴将肠神经系统、中枢神经系统以及神经-内分泌-免疫系统连接起来，形成双向通路。大脑可以通过调节胃肠道和免疫功能来调整肠道菌群的构成，而肠道菌群则可以产生具有神经活性的物质，如神经递质和代谢产物作用于肠神经系统，最终作用于大脑。这些相互作用可以通过多种途径实现：(1)连接大脑和消化道的迷走神经；(2)与大脑保持联系的免疫系统；(3)上调肠壁和血脑屏障的通透性；(4)影响下丘脑-垂体-肾上腺轴(hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA)。

血脑屏障是控制小分子和营养物质进出脑的重要通道，完整的血脑屏障是大脑正常发育的重要保证。Braniste等[5]发现无菌小鼠后代(去除了母源性细菌的影响)的血脑屏障通透性升高，成年无菌小鼠的血脑屏障通透性亦增加。这些研究结果表明，肠道菌群和大脑的联系从胚胎时期即已开始，并贯穿于整个生命周期。

Sudo教授[6]曾将无菌小鼠禁闭于细管中1 h，然后测定它们应激激素的释放量。结果表明，无菌小鼠激素的释放量明显高于暴露于同等环境中的对照组小鼠。这些激素均是由HPA轴释放的，这表明在无菌小鼠中激素调节轴功能不良。不过，上述情况下，仅添加一种微生物——婴儿双歧杆菌就可以诱导出更加正常的激素应答。上述结果第一次证明肠道菌群能够影响大脑中的应激反应并提示益生菌能够改善脑功能[6]。

3肠道菌群与MS

MS是一种影响中枢神经系统的慢性脱髓鞘性疾病，其病因未明。基因与环境因素可能在疾病易感性中发挥重要作用。在MS患者中，针对中枢神经系统的自身反应性免疫细胞数量增多[7]，提示其发病与免疫机制相关。而肠道菌群与免疫系统功能密切相关，亦可能与自身免疫性疾病发病相关。综上，研究者们认为肠道菌群可能在MS易感性中发挥重要作用。

Farrokhi等[8]发现了一种独特的胃肠道和口腔细菌源性含丝氨酸脂肽——脂质654，它由肠道细菌(主要是拟杆菌)产生并且可以发挥与人类和小鼠Toll样受体2(TLR2)配体相似的作用。脂质654进入血液循环后可以影响全身免疫应答。该研究发现脂质654在MS患者血清中的表达显著低于健康个体和阿尔茨海默病患者，提示上述拟杆菌的作用可能是人类系统性自身免疫病和胃肠道共生微生物群关系的潜在机制。另有研究发现，在MS患者大脑抗原提呈细胞中有细菌肽聚糖表达，也提示细菌的作用可能是MS发病机制之一[9]。

实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis, EAE)是MS的动物模型。动物实验表明，拟杆菌产生的PSA能够通过抑制炎性细胞并且提高中枢神经系统中调节性T细胞(Tregs)的含量预防EAE。而应用抗生素引起的肠道菌群改变，则导致可以预防和减弱EAE发生的周围免疫耐受机制受损。现有研究表明，肠道菌群的改变能够影响EAE的预后。Berer等[9]的研究发现，中枢神经系统自身反应性细胞在肠相关淋巴组织中被激活，这些致病的免疫细胞均起源于正常、无害的健康免疫系统组分，它们在被病原激活后具有了自身攻击性。

一项动物实验发现，胃肠道细菌中的分节丝状菌(segmented filamentous bacteria，SFB)可以调节局部和系统性Th17应答，它还可以调节自身反应性T细胞的激活阈，但是这种细菌尚未在人体中检测到[8]。该实验中还发现，无菌小鼠的炎性细胞因子〔如白细胞介素17(IL-17)〕产生减少。这些小鼠被SFB定植后，SFB可以诱导肠道中Th17细胞的产生。SFB定植后的小鼠肠道中Th17细胞应答提高，最终引起EAE复发。这项研究表明微生物群能够在中枢神经系统中诱导免疫应答。此外，有证据表明产气荚膜梭菌可能与炎性反应有关。一些产气荚膜梭菌能产生毒素，这种毒素可能是在有遗传易感性的个体中引发MS的始动因素，它可以引起血脑屏障通透性增高，少突胶质细胞死亡，并且以MS炎性反应累及的视网膜血管和脑膜细胞为靶目标[3]。

改善肠道菌群构成可能成为MS潜在的治疗方法。Kazushiro等[10]发现乳酒念珠菌(C.Kefyr)可以改善EAE症状的严重程度，这种细菌能够减少肠道固有层中Th17细胞数量，导致白细胞介素6(IL-6)产生减少，同时使肠系膜淋巴结中Tregs和CD103+调节树突细胞增加。该作者通过对经乳酒念珠菌处理大鼠粪便中的16S-rRNA进行分析，发现处理组大鼠较正常对照组粪便中乳酸菌增多，多形杆状菌减少，EAE症状减轻。由上可见，通过口服乳酒念珠菌改变肠道菌群，减轻EAE症状，可能有助于MS的治疗。

也有研究显示MS治疗对肠道菌群也有很大影响。一项有关MS患者肠道菌群及醋酸格拉替雷和维生素D治疗对菌群影响的小型前瞻性研究中，受试者均为维生素D缺乏的白种女性，根据是否患有缓解-复发型MS进一步分为MS组及对照组，其中MS患者分为接受或不接受醋酸格拉替雷治疗两组。研究者收集受试者在实验起始和接受90 d维生素D(5000 IU/d)治疗后的粪便，运用16S rRNA杂交以及DNA微阵列分析运算分类单元的丰度。结果表明，柔嫩梭菌在MS患者中数量减少，接受醋酸格拉替雷治疗的MS患者和未接受治疗的患者相比，拟杆菌、柔嫩梭菌、瘤胃球菌、乳酸菌、梭菌的含量均不同，而未接受治疗的MS患者在补充维生素D后阿克曼菌、柔嫩梭菌、粪球菌的数量上升[11]。

综上可见，尽管有证据表明肠道菌群可能在中枢神经系统自身免疫过程中扮演重要角色，但关于肠道菌群在MS发病中的具体机制以及在MS病程中的作用仍需大量研究探讨。近年来有研究报道了制造带有人源性肠道菌群的小鼠模型方法[12]。这将有助于更深入的研究肠道菌群的变化对疾病进展和预后的作用机制，从而为临床治疗或预防MS提供更多信息。

参考文献：

[1]Biedermann L, Rogler G. The intestinal microbiota: its role in health and disease[J]. Eur J Pediatr, 2015, 174:151-167.

[2]Backhed F, Ley RE, Sonnenburg JL, et al. Host-bacterial mutualism in the human intestine[J]. Science, 2005, 307(5717):1915-1920.

[3]McLean MH, Dieguez D, Miller LM, et al.Does the microbiota play a role in the pathogenesis of autoimmune diseases?[J]. Gut, 2015, 64:332-341.

[4]Mazmanian SK, Liu CH, Tzianabos AO, et al. An immunomodulatory molecule of symbiotic bacteria directs maturation of the host immune system[J]. Cell, 2005, 122(1):107-118.

[5]Braniste V, Al-Asmakh M, Kowal C,et al. The gut microbiota influences blood-brain barrier permeability in mice[J]. Sci Transl Med, 2014, 6: 263ra158.

[6]Sudo N, Chida Y, Aiba Y, et al. Postnatal microbial colonization programs the hypothalamic-pituitary-adrenal system for stress response in mice[J]. J Physiol, 2004,558(Pt 1): 263-275.

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[8]Farrokhi V, Nemati R, Nichols FC, et al. Bacterial lipodipeptide, Lipid 654, is a microbiome-associated biomarker for multiple sclerosis[J]. Clin Transl Immunology,2013, 2(11): e8.

[9]Berer K, Mues M, Koutrolos M, et al. Commensal microbiota and myelin autoantigen cooperate to trigger autoimmune demyelination[J]. Nature, 2011, 479: 538-542.

[10]Takata K, Tomita T, Okuno T，et al. Dietary yeasts reduce inflammation in central nerve system via microflora[J]. Ann Clin Transl Neurol , 2015, 2(1): 56-66.

[11]Cantarel BL, Waubant E, Chehoud C, et al.Gut microbiota in multiple sclerosis: possible influence of immunomodulators[J]. J Invest Med, 2015, 63:5.

[12]Hintze KJ, Cox JE, Rompato G, et al. Broad scope method for creating humanized animal models for animal health and disease research through antibiotic treatment and human fecal transfer[J]. Gut Microbes, 2014, 5:183-191.

(本文编辑：邹晨双)

doi：10.3969/j.issn.1006-2963.2016.02.010

通讯作者：高枫，Email: gaofp011@126.com

中图分类号：R744.5+1

文献标识码：A

文章编号：1006-2963 (2016)02-0123-03

(收稿日期：2015-07-05)