微生物-肠道-大脑轴在炎症性肠病中的研究

杨子荣，丁晓茜，于庆功

1.大连大学附属中山医院消化内科，辽宁 大连 116001； 2.辽宁师范大学心理学院

肠-脑轴(gut-brain axis，GBA)在维持体内平衡方面的重要性早已得到认可，然而作为肠道-大脑功能关键调节者之一的微生物群的出现使人们逐渐认识到一个独特的微生物-肠道-大脑轴(microbiota-gut-brain axis，MGBA)的重要性。肠道微生物群在维持肠道内环境稳定方面起着至关重要的作用，其生态失调与肠道慢性炎症密切相关，可促进慢性肠道疾病的发展，也可促进脑病的发展。目前，许多研究发现MGBA在炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)的发病中起着重要的作用，探究相关的心理治疗方法可能会成为IBD重要的辅助治疗方式。本文主要针对MGBA在IBD中的最新研究作一概述。

1 肠道微生物和大脑之间的相互影响

肠道微生物群的改变或干扰与神经发育、神经退行性及精神疾病相关，益生菌、益生元和/或饮食调节MGBA可产生预防和治疗效果[1-2]。虽然许多研究已经揭示了MGBA的外围方面，但关于大脑的结构和功能变化与体内肠道微生物群状态相应的数据却很少。现代神经成像技术和其他成像方法已越来越多地应用于研究健康人群和患者的大脑活动的结构、功能和分子方面，这或许有助于我们进一步了解MGBA。在动物模型中，肠道细菌16S rRNA测序显示肠道微生物群数量的变化是饮食的一项功能，Ong等[3]利用弥散张量成像的方法确定了脑白质结构完整性以饮食依赖的方式发生整体变化，大脑结构的变化与以饮食依赖方式的肠道微生物群的变化有关。已有证据表明，肠道微生物群可以显著影响小鼠杏仁核和前额叶皮层(prefrontal cortex，PFC)中微小RNA(miRNAs)的表达水平[4]及miRNAs和mRNAs在海马中的表达水平[5]；肠道微生物群还可以影响小鼠额叶前部皮层142种关键的脂质代谢物，主要为甘油磷脂、甘油脂、鞘脂和糖脂[6]。这些结果为进一步研究MGBA提供了依据。由于常规饲养的小鼠肠道中微生物的极端多样性，确定肠道微生物群与宿主中枢神经系统之间影响神经元功能和双向沟通的微生物特异性途径是一项挑战。谢德拉微生物丛(altered Schaedler flora，ASF)小鼠模型可用于替代常规饲养和无菌(germ-free，GF)动物，在只有8种细菌存在的情况下，ASF小鼠模型大大简化了微生物与宿主相互作用的检测。Lyte等[7]在ASF小鼠模型和常规饲养的小鼠之间观察到行为和血清皮质酮的差异，而在肠道形态上未发现差异；行为实验的应激导致了ASF小鼠模型粪便微生物群的显著变化，但对常规饲养的小鼠无影响。这些数据表明，ASF小鼠模型可能是阐明MGBA交流影响行为机制的独特模型。人类肠道微生物群的多样性和组成在人格特征的分层上表现出显著差异，高神经质和低责任心组与高丰度的γ-变形菌和蛋白菌明显相关，高责任心组中一些普遍的产丁酸细菌如毛螺菌科的数量明显增加[8]。综上，肠道微生物群与大脑之间可相互影响，双向沟通的渠道MGBA在理论上和实际上是存在的。

2 MGBA的交互途径

2.1 神经信号途径生物胺，包括多巴胺、去甲肾上腺素、血清素和组胺，均是由共生的肠道微生物产生的，它们被认为是调节MGBA功能的信号分子[9]。最近越来越多的研究集中在5-羟色胺，又名血清素(5-hydroxytryptamine，5-HT)的前体色氨酸和微生物对色氨酸代谢的调控上，重点是宿主微生物对酪氨酸途径代谢和产生生物活性色氨酸代谢物的微生物特异性途径[10]。Liu等[11]探讨了植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum PS128，PS128)对大鼠内脏超敏反应(visceral hypersensitivity，VH)和GBA的影响，注射5-羟色胺酸(5-hydroxytryptophan，5-HTP)后，神经递质蛋白P物质、降钙素基因相关肽(calcitonin gene related peptide，CGRP)、脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)和神经生长因子(nerve growth factor，NGF)水平在背根神经节降低，而在脊髓升高；PS128处理的大鼠则逆转了这些改变。PS128可显著降低5-HTP和结肠扩张(colorectal distension，CRD)诱导的VH，PS128通过降低血清皮质酮浓度和杏仁核表盐皮质激素受体的表达调节下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA轴)[11]。微生物群还能影响大脑中5-HT2C受体的编辑，GF小鼠的杏仁核、下丘脑、前额叶皮质和纹状体中编辑过的5-HT2C受体亚型的发生率增加，这些亚型在肠道微生物定植后部分恢复正常[12]。调节MGBA上谷氨酸受体活性可能影响肠道(即味觉、内脏敏感性和运动性)和大脑功能(应激反应、情绪和行为)，谷氨酸能传递的改变可能参与了局部和大脑疾病的发病机制[13]。综上，这一领域的研究开启了以酪氨酸、色氨酸、谷氨酸能神经传递为靶点的可能性，无论是在药理学上还是通过使用产生神经活性分子的益生菌作为治疗胃肠道疾病和相关精神疾病的方法。

由于迷走神经在内感受性知觉中所起的作用，它能够通过传入神经感觉微生物代谢物，将肠道信息传递到中枢神经系统，并在中枢神经网络中整合，从而产生适应的或不恰当的反应[14]。一种胆碱能抗炎途径已被描述，通过迷走神经纤维，可以抑制周围炎症和降低肠道通透性，因此很可能调节微生物群的组成。应激可抑制迷走神经，对胃肠道和微生物群造成有害影响，并参与肠道紊乱的病理生理过程，如以生态失调为特征的IBD；IBD患者迷走神经张力低，不利于控制肠道周围炎症[14]。以迷走神经为靶点，如通过具有抗炎特性的迷走神经刺激，将有助于恢复MGBA内稳态。Buckley等[15]描述了一种解剖技术，通过对远端结肠细胞的电生理刺激，促进了经内脏盆腔神经和迷走神经传入脊髓的神经元响应。75 mmol/L KCl局部应用于雄性SD大鼠已经暴露黏膜下或肌层神经胞体和感觉神经末梢的结肠远端，引起肠系膜上丛和迷走神经的活动；去甲肾上腺素刺激肠系膜上丛神经活动，而卡巴可刺激迷走神经活动；体内远端结肠黏膜完整的部分暴露于肽聚糖而非脂多糖，引起迷走神经放电；此外，还证实了应用于结肠远端黏膜的细菌产物所引起的迷走神经传入激活。综上，这种围绕迷走神经解剖和记录技术的进步有助于记录应用于远端结肠的神经调节试剂在外源性感觉通路中引起的传入神经信号，并有助于实时监测MGBA。

2.2 内分泌信号途径微生物内分泌学是微生物学和神经生物学的结合，它关注的是神经化学物质在健康和疾病中充当宿主和微生物群之间的进化语言的能力。微生物对相同化学物质产生的识别、修改和响应用于哺乳动物宿主的各种信号通路越来越被认为是一种机制，通过这种机制宿主和微生物群可能通过MGBA交互影响感染性疾病的发展及行为[16]。虽然细菌产生神经化学物质的能力已被认识了几十年，但这种能力在胃肠道环境中发生的程度仍然知之甚少。

垂体腺苷酸环化酶活性肽(pituitary adenylate cyclase activating polypetide，PACAP)是一种神经多肽，在宿主中广泛分布，具有重要的细胞保护特性。Heimesaat等[17]首次应用定量培养独立技术对产后2周～18个月PACAP-/-和野生型(wildtype，WT)小鼠的肠道微生物群组成进行了全面的调查发现，1个月和≥6个月PACAP-/-小鼠粪便肠杆菌和肠球菌低于WT小鼠，而拟杆菌的含量略高，在PACAP-/-小鼠的肠道中几乎无对健康有益的双歧杆菌，甚至在母乳喂养的时候也是如此。因此，PACAP缺乏症伴随的是粪便微生物群组成的明显变化，几乎无双歧杆菌作为主要标志，可能与疾病易感性有关。

Lyte等[18]利用特异性荧光检测，唾液乳杆菌生物膜似乎表达了质膜单胺转运体(plasma membrane monoamine transporter，PMAT)和有机阳离子转运体(organic cation transporter，OCT)样对特定荧光团转运体的摄取。这种现象并未在整个乳杆菌属中分布，因为鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus GG，LGG)生物膜未吸收这些荧光团。综上，唾液乳杆菌生物膜可能存在PMAT和OCT样摄取系统，益生菌与宿主信号通过这种机制相互作用，这可能提供了一种检查以微生物内分泌学为基础的健康和疾病相互作用的方法，拓展了我们对MGBA的认知范畴。

2.3 免疫信号途径

2.3.1 胃肠屏障(gastrointestinal barrier，GIB)：GIB和血脑屏障(blood-brain barrier，BBB)是保护机体底层结构免受外来有害刺激的重要防线，这些宿主屏障由上皮细胞和内皮细胞通过紧密连接蛋白及其他几种支持结构连接而成，因此，宿主屏障结构的破坏涉及胃肠道和中枢神经系统的各种疾病[19]。虽然有几个因素影响宿主屏障，但近年来肠道微生物群及其代谢产物在调节屏障完整性方面的作用越来越受到重视。Marungruang等[20]用植物血凝素(phytohemagglutinin，PHA)或微生物蛋白酶(microbial protease，PT)给予乳鼠灌胃72 h后诱导GIB成熟，与断奶大鼠相似，人血清白蛋白(human serum albumin，HSA)到血液的迁移停止，而肠道杆菌和血清脂多糖结合蛋白(lipopolysaccharide-binding protein，LBP)伴随性增加；断奶后，通过BBB的牛血清白蛋白(bovine serum albumin，BSA)急剧升高，恰逢低血清LBP水平、特定的微生物类群和大脑对醋酸盐摄取增加。因此，诱导GIB早熟后肠道微生物群的改变可能导致低级别的全身炎症，并改变大脑对短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)的利用，这也可能在新生儿的GIB-BBB功能紊乱中发挥潜在的作用。

肠道微生物群失调降低肠神经系统胰高血糖素样肽-1受体(glucagon-like peptide-1 receptor，GLP-1R)和神经元型一氧化氮合成酶(neuronal nitric oxide synthase，nNOS)的表达，并通过模式识别受体(pattern recognition receptor，PRR)依赖机制抑制胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)诱导的一氧化氮(nitric oxide，NO)的产生，从而阻止MGBA的活化控制胰岛素分泌和胃排空[21]。Li等[22]研究发现，酪酸梭状芽胞杆菌(Clostridium butyricum，Cb)能明显改善外伤性脑损伤(traumatic brain injury，TBI)雄性C57BL/6小鼠模型神经机能障碍、脑水肿、神经退行性和BBB的损伤，Cb处理小鼠肠道GLP-1的分泌增加，其大脑GLP-1R的表达上调。

2.3.2 核苷酸结合寡聚结构域(nucleotide binding oligomerization domain，Nod)样受体(Nod-like receptors，NLR)：NLR是在肠道和大脑中表达的先天免疫模式识别受体，在胃肠道生理调节中发挥重要作用。同时缺乏Nod1和Nod2(NodDKO)的小鼠在HPA轴极度活跃的情况下表现出应激性焦虑、认知障碍和抑郁的迹象，这些缺陷伴随着大脑5-羟色胺能途径的损伤、海马细胞增殖和未成熟神经元的降低及神经激活的减少[23]。因此，肠上皮NLR是肠脑沟通的新调节剂，可能成为治疗肠脑障碍的潜在的新治疗靶点。

目前，大脑通过MGBA的神经信号途径、内分泌信号途径和免疫信号途径向肠道传递神经、内分泌和循环信息，促肾上腺皮质激素释放激素的变化、肥大细胞活性、自主神经系统的神经传递和肠屏障功能等均影响IBD的发病机理。MGBA的交互途径构成一个庞大和复杂的网络，而确切的机制至今尚不明确。

3 MGBA对IBD的影响

IBD包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)和克罗恩病(Crohn’s disease，CD)，是一种以胃肠道炎症为特征的慢性复发、缓解性疾病。越来越多的人认为IBD与焦虑和抑郁相关症状有关，在疾病活动期，心理症状尤为明显。在IBD动物模型中也观察到包括焦虑和抑郁样症状在内的行为障碍，心理压力对IBD动物模型的影响仍然存在一定的争议，更倾向于压力或早期压力生活事件是IBD发展的危险因素，压力导致的炎症恶化和复发[24]。理解这些行为变化与IBD之间的联系在临床上很重要，因为伴随的情绪障碍通常会增加患者需要手术和发展为继发性功能性胃肠疾病的风险。结肠组织中微生物负荷的增加、细胞因子的过度释放和部分减弱的免疫反应导致其对IBD的负面效应[25]。

3.1 内脏痛内脏痛的感觉是一个复杂的过程，涉及到脊髓和高阶的大脑结构。Luczynski等[26]使用GF小鼠评估内脏敏感性、脊髓基因表达和疼痛相关的大脑结构，GF小鼠表现出内脏高敏感性，伴随着脊髓中Toll样受体和细胞因子基因表达的增加；在GF小鼠中，前扣带皮层与疼痛处理相关的区域体积减少，导水管周围灰质中则增大，前扣带皮层的树突变化明显。综上，肠道微生物群显著影响正常内脏痛觉，影响内脏痛觉的调节机制，益生菌和益生元对肠道微生物群的控制在内脏疼痛失调的调节中发挥着潜在的作用。

3.2 肠道感染长期的限制应激源会破坏结肠微生物群的组成，并与对结肠病原体挑战的炎症反应升高有关。GF小鼠被来自压力暴露组的微生物菌群定植后的第1天，小鼠感染了大肠病原体—牙列柠檬酸杆菌；在感染后6 d，小鼠结肠病理和促炎细胞因子(如IL-1β)和趋化因子(如CCL2)显著增加；16S rRNA基因测序表明应激小鼠的微生物群落中无任何可检测到的双歧杆菌[27]。综上，共感菌群直接导致了在应激暴露期间对小鼠的过度炎症反应，这可能有助于解释为什么在应激过程中胃肠道疾病会恶化。

3.3 治疗

3.3.1 补充益生菌和/或益生元：在急性结肠炎的右旋糖酐硫酸钠(dextran sodium sulfate，DSS)小鼠模型中，在活动性炎症(8 d)期间，小鼠表现出识别记忆受损和焦虑样行为，这些行为缺陷在DSS处理后14 d被正常化；在活动性炎症期间，肠道菌群的组成发生了明显变化，特别是乳酸菌和分叶丝状菌的减少，一旦疾病得到解决，这种变化也会逆转[28]。应用益生菌可以预防急性决策支持系统的行为缺陷。综上，IBD小鼠急性炎症期间存在情绪和行为的变化，可以通过使用益生菌来预防。

来自巴戟天(Morinda officinalis，OMO)的果糖寡聚体(fructo-oligosaccharides，FOSs)目前被认为是一种潜在的益生元，OMO能调控超剂量抗生素治疗的IBD小鼠模型中肠道微生物群的组成和代谢，从而显示出益生菌的潜能；肠道微生物群在神经发育方面起着重要作用，导致关键脑区和肠区基因表达发生改变，从而导致正常认知行为的程序化“摄动”[29]。FOSs促进了细菌蓝藻门的丰度，蓝藻门是一组以分泌具有抗抑郁作用的重要药物代谢物(如H2S)而闻名的细菌，FOSs减轻抑郁样行为，修复肠上皮损伤[30]。

目前，益生菌普遍应用于临床IBD的治疗中，其安全性、有效性得到一致的认可。益生元理论上可促进肠道内益生菌增殖，进而保持肠道微生态平衡和调节免疫反应，可能改变IBD的临床转归，但益生元对IBD的益处仍缺乏令人信服的证据。益生菌联合益生元，即合生元，有可能在IBD的治疗中发挥更积极的作用。

3.3.2 粪菌移植(fecal microbiota transplantation，FMT)：He等[31]报道了第1例FMT使患有CD和17年癫痫病史的女孩肠道和神经系统症状获得缓解的病例。在随访20个月期间，FMT在停用抗癫痫药物后证明了其预防癫痫复发的功效。此外，这一发现强调了MGBA的作用，并通过重塑肠道微生物群激发了一种新的治疗癫痫的方法。Jang等[32]从健康人体粪便中分离得到益生菌罗伊乳杆菌NK33和双歧杆菌NK98用于治疗合并焦虑/抑郁的结肠炎小鼠。NK33和/或NK98治疗抑制小鼠结肠束缚应激(immobilization stress，IS)引起结肠缩短、髓过氧化物酶活性、CD11b+/CD11c+细胞浸润、IL-6表达、粪变形杆菌数量和脂多糖的过量生成，也显著抑制小鼠焦虑/抑郁的发生和发展。NK33和NK98通过调节小鼠肠道免疫反应和菌群组成，协同缓解焦虑/抑郁和结肠炎的发生、发展。

目前，FMT是临床IBD治疗研究的热点之一，作用机制尚未完全了解，但修复紊乱的微生物群可能是治愈效应的根本。FMT安全且易于执行，但长期效果仍有待进一步观察，FMT可能很快成为治疗IBD的重要方法之一。

3.3.3 其他：短肽NAP(NAPVSIPQ=Asn-Ala-Pro-Val-Ser-Ile-Pro-Gln)是活性依赖性神经保护蛋白(activity-dependent neuroprotective protein，ADNP)上的一段8肽，Heimesaat等[33]发现，急性结肠炎小鼠腹膜腔注射NAP相比安慰剂组结肠上皮细胞增殖/再生数量明显更高，NAP诱发效应伴随着肠道微生物群组成的显著变化，结肠腔内负荷的双歧杆菌被认为是抗炎的、“促进健康”的共生物种，NAP可缓解急性实验性结肠炎的肠道和肠外促炎性后遗症，并可为人类肠道炎性疾病提供新的治疗方案。Li等[34]研究了促肾上腺皮质激素释放激素受体1(corticotropin-releasing hormone receptor 1，CRHR1)和CRHR2在母体分离(maternal separation，MS)诱导的肠道损伤和随后的修复中的作用，CRHR1通过促进肠道炎症、增加肠道通透性、改变肠道形态、调节肠道菌群来促进肠道损伤；相反，CRHR2激活肠道干细胞，这对肠道修复很重要。因此，选择性阻断CRHR1和促进CRHR2活性可以预防新生儿期肠道损伤的发生、促进修复，这个时期肠道损伤(如坏死性小肠结肠炎)的风险增加。

4 展望

MGBA是一个新兴的特别领域，是有效治疗中枢神经系统疾病的一个潜在的新的治疗靶点，同时也是药物不良反应的一个潜在原因[35]。尽管目前研究已经证明肠道微生物群能够影响认知和各种与压力有关的行为，包括那些与焦虑和抑郁有关的行为，但发病机制仍不明确。更深入地了解心理发展、社会和文化因素对MGBA的影响，将会把MGBA在人体内的作用置于系统的背景中，从整体观的角度研究MGBA的机制，而不是将其看作一个孤立的心理学或胃肠功能的问题。对IBD患者进行心理障碍筛查，并采取相应的干预措施，有可能提高IBD患者的生活质量，降低IBD复发率。这一领域的研究开启了在药理学、在通过使用产生神经活性分子的益生菌作为治疗胃肠道和相关精神疾病方面以MGBA为靶点的可能性。