肠道微生物群—肠—脑轴间的双向交流途径研究进展

廖师师，罗杰，图拉妮萨·喀迪尔，丁可，陈榕，孟庆涛

武汉大学人民医院麻醉科，武汉430060

人体肠道执行复杂的生理功能，包括吸收、消化、运动、分泌、调节肠道微生物群、保持肠道完整的屏障功能等，肠神经系统对这些过程的协调至关重要，其具有很高的自主性，通过自主神经系统与中枢神经系统构成外部连接，形成了肠-脑轴。人体肠道定植了大量的微生物，包括细菌、病毒、真菌、原生生物等，它们统称为肠道微生物群。许多研究［1-2］表明，肠道微生物群能调节肠神经系统的结构和功能，直接或间接与肠-脑轴形成双向联系，于是构成了肠道微生物群-肠-脑（Brain-Gut-Microbiome，BGM）轴。微生物群、肠道和大脑之间双向交流的具体机制虽未完全清楚，但主要与神经、免疫、内分泌途径相关［3］，现对肠道BGM 轴间的双向交流途径研究进展综述如下。

1 肠道BGM轴间双向交流的神经途径

神经系统分为中枢神经系统和周围神经系统，中枢神经系统由脑和脊髓组成，周围神经系统由脑神经、脊神经、内脏神经组成，其中，内脏运动神经又称为自主神经或植物神经，分为交感神经和副交感神经。肠神经系统是自主神经系统最大的分支，产生的神经递质主要是儿茶酚胺类及胆碱类。迷走神经是脑和肠道交流最直接的通路［4］，是由80% 传入纤维和20% 传出纤维组成的混合性脑神经，其离开脑干后经颈静脉孔出颅腔，沿着食道穿过横膈膜，最终与胃肠道形成突触，调节多种胸腹腔脏器的感觉和运动。

1. 1 自主神经系统途径 自主神经系统是中枢神经系统和肠神经系统的外部连接，能自主调节内脏、血管平滑肌、心肌和腺体的活动，又参与内分泌、体温、血压、水和电解质代谢等调节。自主神经系统成为了中枢神经系统和肠神经系统之间双向交流的通信网络，参与调节宿主的生理稳态。从肠道传入的内脏信息通过自主神经系统向中枢传递，经过进一步处理后作用于外周器官。自主神经系统可影响肠神经系统的神经回路，导致运动性改变，进而影响肠道转运时间和输送效率，改变肠道内关键微生物营养素的组成，最终对微生物造成影响。微生物可通过代谢产物相互通信，并与肠道自主神经系统的突触结构相互作用。微生物衍生的神经调节代谢物包括5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）、色氨酸前体和代谢物、儿茶酚胺等。多个研究［5-6］表明，肠道自主神经携带的感觉信息可在局部肠道微生物代谢产物刺激下直接传递给大脑。研究［7］显示，神经递质去甲肾上腺素（Norepinephrine，NE）、肾上腺素、多巴胺（Dopamine，DA）和5-HT 等在胃肠道及中枢神经系统病理生理学中的潜在作用与BGM 轴密切相关，这些神经递质能调节血流，还可影响肠道运动、营养吸收、胃肠道固有免疫系统和微生物群。在外周神经系统中，5-HT 调节胃肠道分泌、运动及痛觉，在中枢神经系统中，5-HT 信号通路参与调节情绪和认知。5-HT 信号转导功能障碍可能是某些精神和情绪障碍相关病理症状的基础。支持这一观点的是，调节5-HT能神经传递的药物如三环类抗抑郁药和5-HT再摄取抑制剂，对治疗肠易激综合征和其他胃肠道疾病也有疗效。神经递质的浓度在多种病理状态都会受到影响，其在局部的浓度变化可以减轻症状，继而改变肠道微生物群，并且可能成为胃肠道和中枢神经系统病理的生物标志物。比如，肠道中的儿茶酚胺和5-HT 可以同时影响肠道微生物群和中枢神经系统，从而为此类疾病提供了一种潜在的治疗方法。研究［8］发现，5-HT 和儿茶酚胺参与广泛的生理过程，其水平或活性改变与多种疾病相关。未来的研究将破译神经递质在调节肠道BGM轴中的作用。微生物群落的构成或活性破坏与机体发生某些神经系统疾病相关，如发生自闭症、精神分裂症等神经精神障碍，焦虑、抑郁等情绪障碍，阿尔兹海默症、帕金森病、多发性硬化症等神经退行性病变［9］。胃肠道功能障碍是此类疾病一个主要的特征，代表了自主神经的紊乱状态。

1. 2 肠神经系统途径 肠神经系统由肠道壁内神经元和胶质细胞组成，分为肌间神经丛和黏膜下神经丛，其对肠道屏障功能和肠道平衡有重要调节作用。肠组织的最外层为肌层，由外侧的纵形肌和内侧的环形肌组成。肌间神经丛位于两层平滑肌之间，有利于协调肠道运动。黏膜下神经丛位于肌层的内腔黏膜下层，主要参与水、电解质的分泌及血流的控制。在发育过程中，多数肠神经系统起源于迷走神经嵴细胞，在胚胎第4 周左右向腹侧迁移定植于前肠，随后，迷走神经嵴细胞广泛增殖，在妊娠7周时迁移至整个肠道。然而，当神经嵴细胞不能在肠道中正常迁移、增殖、存活或分化时，肠神经系统的结构和功能出现缺陷，出现一系列肠神经相关病变，如炎症性肠病、帕金森病、糖尿病及阿尔兹海默症等［10］。肠神经系统在BGM 轴中的相互作用、与免疫系统及神经上皮的相互作用越来越受到关注。肠道回路在肠道内环境稳态中起着核心作用。内在感觉神经元主要围绕肠道环形分布，同时也向肠管纵向延伸局部投射，形成黏膜上皮广泛的神经支配。感觉神经元形成相互连接的网络，可以相互传递神经冲动，并且把神经脉冲信号传递给中间神经元，在形成的神经网络中强化和整合信息［11］。在肌间神经丛内，兴奋性和抑制性运动神经元支配环形肌和纵形肌，引起肌肉的收缩和舒张。上行中间神经元接收来自局部感觉神经元的输入并传递给兴奋性运动神经元，并且以乙酰胆碱作为主要的神经递质。下行中间神经元接收来自局部感觉神经元的输入信号并传递到抑制性运动神经元，通过神经递质或神经调质发挥作用。而黏膜下神经丛中的分泌运动神经元和血管扩张神经元分别支配黏膜和黏膜下血管，调节肠道的分泌和血流。黏膜下神经丛的主要神经递质是乙酰胆碱和血管活性肠肽。肠神经系统在微生物群和宿主之间直接或间接对微生物群及其代谢产物作出反应。在肠道与脑的信号交流中，肠神经系统通过腹腔神经节和交感神经节与中枢神经系统进行通信，感觉信息通过脊髓和迷走神经传入途径的外源性初级传入神经元传递［12］，所以微生物群可以通过内在的或传入的神经通路影响肠道功能，进一步影响中枢神经系统。微生物群可以通过激活模式识别受体，如Toll 样受体（Toll Like Receptor 2，TLR2）和TLR4参与微生物分子的识别，影响肠神经系统的发育和功能。例如，TLR2缺陷小鼠的小肠运动失调，而TLR4 缺陷小鼠的粪便颗粒排出量和粪便含水量减少，这可能反映肌间神经丛和粘膜下神经丛功能的改变。

2 肠道BGM轴间双向交流的内分泌途径

神经内分泌系统包含了一组具有神经决定功能的组织细胞，产生激素或神经肽。下丘脑-垂体-肾上腺轴（Hypothalamic-pituitary-adrenal，HPA）是调节身体各过程的主要神经内分泌系统，也是BGM 轴间双向交流的重要途径。大脑主要通过HPA 轴调节肠道的生理变化。当应激时，下丘脑、垂体及肾上腺释放的激素共同影响多个器官系统以适应环境变化。研究［13］发现，HPA 轴的激活可以改变肠道微生物组成，增加肠道通透性，调节肠道运动及黏液生成。肠道微生物群是激活HPA 轴的微生物成分，HPA 轴的激活是肠屏障通透性增加和微生物群驱动的促炎症状态所致。例如，肠道微生物群衍生的肽聚糖可以转移到大脑中，激活先天免疫系统的特定模式识别受体，影响大脑的发育和行为。脂多糖是革兰氏阴性菌外膜的成分，也是TLR4 的激活剂，可以穿过肠道屏障，导致免疫和HPA 轴的激活。肠道微生物及其代谢产物与中枢神经系统进行通讯的一个重要途径是激活肠内分泌细胞［14］。肠内分泌细胞仅占胃肠道上皮细胞的1%，但其分泌的信号分子对维持肠道内环境稳定必不可少。肠内分泌细胞有多种不同的亚型，分布于整个肠道的肠上皮细胞之间，包含20多种不同的信号分子。在化学或机械刺激下，释放的活性分子进入体循环，到达摄食中枢；或者在释放局部激活传入迷走神经末梢产生脑信号。肠内分泌细胞上分布了一系列参与调节饱腹感及饥饿感的受体，能被胆汁酸、短链脂肪酸等微生物代谢产物激活。短链脂肪酸是通过肠内分泌细胞和肠嗜铬细胞介导宿主微生物通讯的主要信号分子，参与多种宿主过程，包括胃肠功能、血压调节、昼夜节律和神经免疫功能。短链脂肪酸是肠道微生物群本身和肠上皮细胞的重要能量来源，还能增强肠上皮的完整性，增加黏液生成，调节肠道运动，并发挥炎症作用。另外，微生物群还能刺激肠内分泌细胞释放多种神经肽，如胰高血糖素样肽-1（glucagonlike peptide-1，GLP-1）、肽YY（peptide YY，PYY）、神经肽Y（neuropeptide Y，NPY）等，释放的神经肽通过内分泌和迷走神经依赖途径促进饱腹感。神经肽除了对食欲的影响外，还能影响行为、大脑功能和神经内分泌系统［15］。CRYAN 等［4］总结了肠道微生物群与HPA 轴联系的实验研究，这些研究表明肠道微生物群与HPA 轴互相调节。另外，迷走神经与HPA 轴间也存在相互作用，在动物模型中，刺激迷走神经会增加促肾上腺皮质激素释放因子mRNA的表达，并且血浆中促肾上腺皮质激素和皮质酮水平升高。免疫与HPA 轴的相互作用与应激和炎症障碍相关。在心理应激的动物模型中，肠道通透性增加，细菌移位激活黏膜免疫反应，诱导促炎细胞因子分泌，最终激活HPA 轴。当肠道缺乏常驻微生物时，TLRs在肠道中的表达较低而影响了神经内分泌反应，HPA轴的激活受到抑制。

3 肠道BGM轴间双向交流的免疫途径

中枢神经系统和肠道微生物群都直接影响免疫系统，并受到免疫系统的影响［9］。肠道微生物群是调节外周免疫系统发育及功能的关键因素［1］，微生物群影响外周免疫细胞的激活，外周免疫细胞调节对神经炎症、自身免疫及神经发生的反应。微生物代谢产物短链脂肪酸是小胶质细胞成熟和功能的关键因素，小胶质细胞是大脑中的组织巨噬细胞，是中枢神经系统最丰富的固有免疫细胞，参与抗原呈递、吞噬和调节炎症［16］。由于小胶质细胞的微生物群依赖性，所以微生物群也对中枢神经系统产生影响［17］。免疫系统在大脑和肠道之间的动态平衡中起着重要的中介作用。肠道本身是一个重要的免疫器官，在外源性病原体和体内环境之间提供防御屏障。肠道相关淋巴组织形成人体最大的免疫器官。肠道常驻微生物群和关键免疫信号之间的相互作用主要涉及炎症体信号通路、I 型干扰素（Interferon-I，IFN-I）信号通路和NF-κB信号通路［18］。

3. 1 炎症体信号通路 炎症小体是一种先天性免疫信号复合物，在受到各种病原微生物或胞内危险信号时被激活［18］。Caspase 家族是一类半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶，能特异性切割目标蛋白的天冬氨酸残基，调控细胞凋亡和炎症反应。其中，Caspase-1 在细胞质以无活性的酶原形式存在，细胞受到刺激后装配形成炎症体，招募Caspase-1 酶原聚集，形成局部高浓度后发生自体水解，生成有活性的Caspase-1。活化的Caspase-1 切割IL-1β 前体和IL-18 前体，最终产生具有生物活性的IL-1β 和IL-18。研究发现，释放的IL-18 有助于肠道内稳态，并在结肠炎中发挥保护作用。NLRP6 炎症体信号在肠道微生物群的调节中起着重要作用。在NLRP6 缺陷时，肠道微环境中微生物定植菌群发生改变。炎症体介导的失调影响许多疾病，例如重度抑郁症通常与炎症小体激活和促炎细胞因子如IL-1β、IL-6 和IL-18 水平升高有关。通过抑制Caspase-1 可以减轻炎症和焦虑样行为，并调节胃肠道微生物群的组成。所以，这些结果都表明了肠道微生物群通过炎症信号调节炎症反应。

3. 2 IFN-I 信号通路 IFN-I 是一种细胞因子蛋白，在先天性和适应性免疫反应以及维持宿主体内平衡中起着重要作用。宿主细胞内模式识别受体识别病原相关分子模式后，免疫细胞产生IFN-I。内源性IFN-I 的产生依赖于模式识别受体的激活，包括TLRs、核苷酸结合域、富含亮氨酸重复序列的基因家族和RIG-I 样受体等，它们在启动宿主对各种病毒、细菌或肿瘤成分的反应中起着重要作用。TLR激活后，招募衔接分子髓细胞分化主要反应蛋白（Myeloid differentiation primary response protein，MyD88），与下游因子相互作用激活NF-κB信号通路。研究［19］表明，IFN-I在宿主不同的条件下可表现出积极或消极的免疫调节作用，可调节细胞生长并诱导多种癌症细胞的凋亡。然而，IFN-I对炎症性肠病不仅没有治疗作用，甚至可能使其恶化。IFN-I在微生物调节中具有一定的作用，梭状芽孢杆菌产生的代谢物可以通过增强IFN-I信号来保护实验小鼠免受流感侵袭；宿主IFN-I还可以影响肠道微生物群落的组成，这表明微生物群落和IFN-I信号之间存在双向作用。

3. 3 NF-κB 信号通路 NF-κB 转录因子家族有助于固有免疫和适应性免疫反应以及免疫系统的维持［20］。NLRC5 的K63 位动态泛素化可调节NF-κB信号形成动态炎症反应。肠道微生物群成分改变可以调节固有免疫，尤其是NF-κB信号，导致各种炎症性疾病。比如，空肠弯曲杆菌通过分泌细胞因子刺激不同的免疫细胞，导致NF-κB 激活而侵袭肠道微生物群。微生物群和NF-κB信号之间的相互作用与中枢神经系统炎症有关。例如抗菌药物治疗引起的肠道菌群紊乱，导致脑源性神经营养因子在海马中的表达受到抑制，NF-κB 激活导致动物模型发生严重的神经炎症和焦虑样行为，而乳酸杆菌的使用则可以减轻中枢神经系统的炎症及焦虑相关症状。

综上所述，沿肠道BGM 轴的双向沟通是微生物群和宿主之间协同作用的一个基本方面，通过此轴调节宿主的行为和功能。该轴是涉及多个系统的庞大网络，允许肠道微生物和大脑之间的双向通信，对维持机体胃肠道、中枢神经和微生物系统的内环境平衡至关重要。微生物群、肠道和中枢神经系统之间存在双向交流，主要涉及神经、免疫、内分泌途径，并且这些途径是相互影响的。从肠道微生物群到脑的信号交流主要通过神经免疫和神经内分泌机制发生，通常涉及迷走神经。中枢神经系统通过与微生物受体相互作用的内分泌介质的管腔分泌直接影响肠道微生物群，通常涉及儿茶酚胺；也可以通过自主神经系统间接调节肠道环境，改变微生物群的群落结构和功能。在肠道内，微生物群可以影响肠道屏障的完整性，也可以产生神经活性化合物与循环系统和宿主免疫系统相互作用，并与大脑形成双向联系。应激可激活HPA 轴和交感神经系统，调节神经免疫信号反应，进而影响肠道屏障的完整性。激素、免疫介质和神经递质等可激活肠神经系统的神经细胞和迷走神经的传入通路，从而改变肠道环境和微生物群的结构和组成。目前许多关于微生物群-肠-脑轴的问题仍然没有答案。比如，虽然胃肠道神经免疫相互作用的发现表明肠神经系统参与了黏膜免疫发育，但微生物群对这些免疫变化的影响在很大程度上仍然未知。YISSACHAR 等最近的一项研究利用了肠道器官培养系统，并表明肠道细菌可以调节肠道的神经免疫环境［21］，然而，神经成分是否足以或必须进行这种调节尚不清楚。另外，很多的肠道微生物行为调节的研究只是在动物模型中有相关描述，应用于人体还需要进一步验证。近年来，人们普遍认识到BGM 轴的重要性，并且该轴功能障碍会导致多种疾病，大量研究正在探索BGM轴的生理作用，期待从这个视角为多种疾病寻找干预或治疗靶点。