肠道菌群对慢性疲劳综合征中枢神经系统的调控机制

顾元嘉 谢芳芳 管 翀 王桂茂 成子己 张帅攀 郭光昕 姚 斐,

(1 上海中医药大学针灸推拿学院,上海,201203; 2 上海中医药大学附属市中医医院,上海,200071)

慢性疲劳综合征(Chronic Fatigue Syndrome,CFS)是以病理性疲劳、全身乏力、睡眠后精力无法恢复为特征的慢性、复杂的、多系统疾病[1]。据报道,欧洲CFS的患病率为0.1%～2.2%,中国CFS的总患病率则高达12.54%[2-3]。近年来,新型冠状病毒疫情给家庭乃至社会带来巨大的经济负担,而CFS样症状不仅成为新型冠状病毒感染患者的常见症状,CFS病理激活途径也与新型冠状病毒感染精神症状的激活途径相互重合[4]。因此CFS的发病机制受到更多学者的重视。

随着微生物-肠-脑轴理论的提出,更多的研究关注肠道菌群对中枢神经系统功能的影响。已有研究提供了CFS肠道菌群失调的证据[5],也有学者从脑-肠轴[6]、炎症[7]等角度阐述了肠道菌群失调与CFS的相关性,但肠道菌群失调对CFS中枢神经系统的影响,是否存在理论基础尚未进行系统的探讨。因此,本文旨在阐明影响CFS患者的肠道菌群以及菌群代谢物,从内毒素耐受、肠道屏障、肠道菌群代谢等角度揭示肠道菌群失调是CFS中枢神经系统异常的关键诱因,进一步了解CFS发病机制,为防治CFS提供新思路。

1 CFS肠道菌群失调特征

CFS肠道菌群失调表现为微生物多样性降低、致病菌比例增加,其呈现出有别于健康人群甚至肠易激综合征的肠道菌群结构特点。目前,公认的CFS“致病微生物”尚未明确,但多项研究揭示了CFS肠道菌群组成结构、多样性改变的特征:CFS患者肠道菌群在门水平上,厚壁菌门、放线菌门相对丰度降低,拟杆菌门、变形菌门相对丰度提高;在属水平上拟杆菌属、梭菌属、Pseudoflavonifractor属、Phascolarctobacterium属等菌属相对丰度提高,粪杆菌属、瘤胃球菌属、Roseburia属、Coprococcus属、Bacteroidesvulgatus属、双歧杆菌属等菌属相对丰度降低[5,8-9]。进一步分析肠道菌群相对丰度的改变与CFS临床症状的相关性表明,Pseudoflavonifractor属相对丰度增加、Coprococcus属相对丰度的降低与CFS患者情绪低落、动机减少有关,粪杆菌属、瘤胃球菌属、Roseburia属相对丰度的下降可能与CFS合并肠易激综合征关系密切,未分类的拟杆菌属相对丰度增加可能是没有并发症的CFS特异性标志物,肠道菌群多样性变化与CFS症状的同步变化显示肠道菌群失调参与CFS的发病过程。

2 肠道菌群失调与CFS脑区异常激活的相关性

近年来,CFS被视为是一种神经免疫疾病,疲劳、睡眠障碍、认知功能障碍、抑郁、焦虑等是CFS最显著临床表现,与相关脑区病理学改变密切相关。有研究提供了CFS患者脑区功能活动的改变,包括左海马旁回、双侧苍白球、前扣带回皮层、角回、额上回,这些脑区与记忆,运动,情绪、认知功能相关[10]。进一步研究表明CFS患者扣带皮层、海马、杏仁核、丘脑、中脑等区域存在小胶质细胞的过度激活,是CFS患者出现疼痛、认知、抑郁的内在病理改变[11]。

肠道菌群失调通过提高体内免疫因子参与CFS脑区异常激活[12]。一项通过脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)结合游泳应激造模的疲劳小鼠研究表明,小鼠间脑核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(Nucleotide-binding Oligomerization Domain-like Receptor Protein 3,NLRP3)、白细胞介素-1β(Interleukin-1β,IL-1β)、IL-6表达明显提高,其疲劳症状可归因于由NLRP3炎症小体所诱导中枢炎症[13],其他研究发现经LPS造模的CFS小鼠在前额皮层、海马CA3、下丘脑等脑区小胶质细胞的异常激活[14],而小胶质细胞的活化可诱导NLRP3炎症小体的产生,形成中枢神经系统炎症[15]。多数学者认为脑内细胞因子的升高通常与血液中细胞因子的升高有关。在肠道菌群失调时,LPS可释放入血以提高血清中细胞因子的分泌,LPS所诱导的肿瘤坏死因子-α(Tumor Necrosis Factor-α,TNF-α)、IL-1、IL-6等细胞因子可破坏损伤血脑屏障,使血液的细胞因子进入脑内,激活小胶质细胞、星形胶质细胞等神经胶质细胞[16],影响中枢神经系统。此外,LPS可通过诱导细胞因子的增加,结合Toll样受体(Toll Like Receptor,TLR),以激活下丘脑-垂体-肾上腺轴,调控前额叶皮层、海马等脑部区域[17-18]。

肠道菌群失调通过影响神经递质代谢参与CFS脑区功能活动病理学改变进程。CFS微生物组学研究发现了一系列诱导CFS特征出现的代谢产物异常,包括脂肪酸、维生素、氨基酸等,其中谷氨酸、精氨琥珀酸、维生素B6,维生素E是最可能区别正常人与CFS的代谢产物,在CFS患者中谷氨酸、精氨琥珀酸、维生素B6水平上升,维生素E水平下降,这些代谢产物的异常改变可诱导5-羟色胺、γ-氨基丁酸、一氧化氮等神经递质的显著增加,而这些物质已被认为与CFS神经炎症、中枢敏化密切相关[5,8]。

3 肠道菌群对免疫因子及神经递质的调控机制

近10年来,体内免疫因子提高以及神经递质改变一直被视为CFS中枢神经系统异常的探索重点。肠道菌群作为定居于肠道的外来微生物,对中枢神经系统的调控是由免疫因子及神经递质所介导。而肠道菌群对免疫因子及神经递质的调控与内毒素耐受、肠道屏障、肠道菌群代谢密切相关。

3.1 肠道菌群失调对内毒素耐受的影响 内毒素耐受是机体组织细胞对LPS的低反应或无反应现象,可以防止了机体存在的不必要免疫损伤,是肠道组织细胞与肠道菌群共存的关键,也是健康人群向CFS转变的重要机制。在健康人群中,粪便中的LPS主要来自于拟杆菌属,尤其是Bacteroides Ovatus、Bacteroides Uniformis、Bacteroides Vulgatus分泌的LPS占主导地位,而通过来源于拟杆菌属的LPS刺激人类外周血单核细胞并未观察到TNF-α、IL-1β、IL-6增加,表明LPS可能通过抑制核因子κB(Nuclear Factor Kappa-B,NF-κB)通路发挥免疫抑制作用[19]。在一项细胞试验中,通过大肠杆菌来源的LPS以及金黄葡萄球菌来源的磷壁酸反复刺激骨髓来源树突状细胞(Dendritic Cell,DC)同样抑制炎症介质表达,而这一过程可能与IL-10、IL-12等免疫调节因子参与有关[20]。这些研究表明不同种属的细菌表达的LPS具有不同的生物学作用,而近期一项研究证实了这种差异的存在:脂质A,O抗原是LPS的组分,在基因水平上可观察到变异,这导致LPS化学修饰数量可能存在差异,影响LPS对TLR4的刺激作用,如:拟杆菌属可抑制NF-κB通路、而变形菌门可激活NF-κB通路[21]。有趣的是来源于派尔集结淋巴结、肠系膜淋巴结、脾脏的DC对肠道菌群表现出不同的免疫应答效应如:大肠杆菌可诱导不同类型的DC表达IL-6,而IL-10仅在脾脏来源DC中被诱导过度表达[21],这种高度特异化可能对肠道内毒素耐受发挥重要作用。可见,肠道菌群失调改变会诱导内毒素耐受性改变,促使致炎性LPS释放增多,这与从炎症角度探索CFS肠道菌群多样性的研究结果一致。

3.2 肠道菌群失调对肠道屏障的影响 肠道屏障是抵抗肠腔内致病性抗原入侵人体的防御结构,具有预防感染、炎症的作用。肠道菌群作为肠道屏障的构成部分,影响肠道屏障结构功能。双歧杆菌、瘤胃球菌等共生菌通过外膜蛋白、凝集素、黏附素、胶囊和附属物与黏液或上皮细胞表面的聚糖相互作用,黏附于肠腔黏液层以及黏膜上皮细胞表面,并通过代谢黏蛋白聚糖使黏液降解,促进菌群自身的生长、繁殖,防止致病菌群在肠道定植[23-24],而肠道菌群细胞壁的组分LPS、肽聚糖,刺激肠道细胞上的TLR,促进黏蛋白2的分泌[25],使黏液层增厚防止致病菌与肠上皮细胞的直接接触;肠道菌群代谢产物也影响肠道屏障结构和功能:短链脂肪酸,经结肠细胞吸收后可作为合成分泌黏蛋白2的能源[23],普氏粪杆菌、梭菌属、粪杆菌等菌群通过丁酸盐诱导肠道上皮细胞闭锁小带蛋白的表达、抑制组蛋白去乙酰化酶促进肌动蛋白结合蛋白突触足蛋白表达等途径维持肠道上皮细胞紧密连接[26-27]。

在CFS患者中,肠道菌群失调是肠道屏障功能障碍、炎症介质水平升高的关键诱因。肠道菌群失调诱导黏液层、肠道上皮细胞紧密连接等结构改变,破坏肠道屏障。随着肠道屏障功能障碍,病变之前所分隔的潜在致病微生物穿过肠道屏障与肠道组织细胞相接,其病原体相关分子模式通过结合模式识别受体启动炎症反应,促进TNF-α、IL-1β、IL-6等炎症介质的高表达[28]。而这些炎症介质可进一步破坏肠道屏障的结构,如:TNF通过增加大分子通量使肠道通透性增加,TNF受体1介导肠道上皮死亡等途径,破坏肠道屏障,诱导微生物依赖性炎症的形成[29]。肠道炎性环境的形成使单核细胞募集增加并影响循环系统来源的单核细胞向Ly6C-MHCII+巨噬细胞分化出现异常,改变巨噬细胞分化表型高表达CX3CR1int,这种改变使本应发挥肠道屏障保护作用的巨噬细胞成为炎症介质的重要来源,形成慢性炎症[30],造成肠道屏障的持续破坏。总之,肠道菌群失调所诱导的肠道屏障功能障碍促使炎症介质释放并产生局部炎症,同时这种炎症效应也进一步破坏肠道屏障,扩大炎症效应,这不仅是CFS免疫异常形成的内在机制,也是造成某些CFS患者由初期感染转向慢性迁延不愈的关键机制。

3.3 肠道菌群失调与肠道菌群代谢紊乱 肠道菌群代谢是神经递质产生的关键环节。碳水化合物、蛋白质、脂肪等营养素经消化液、消化酶、肠道菌群消化代谢后在小肠形成葡萄糖、脂肪酸、氨基酸,其中大部分可被肠细胞吸收代谢,而一些未完全消化的营养素通过位于大肠的肠道菌群尤其是位于结肠的肠道菌群进行代谢,这些营养素可经肠道菌群进一步利用以维持细菌生存、繁殖,并形成短链脂肪酸、一氧化氮、吲哚类化合物等代谢产物[31-32]。肠道菌群也可以合成或促进肠道吸收氨基酸、维生素,在提供人体必需氨基酸和维生素的同时参与色氨酸、谷氨酸等氨基酸的进一步代谢,产生5-羟色胺、γ-氨基丁酸等神经递质[33-34]。

此外,肠道菌群代谢同样参与免疫调控。胆汁酸和胆汁酸衍生物代谢紊乱是CFS患者肠道菌群失调所诱导的最显著的特征之一[5]。拟杆菌属、梭状芽孢杆菌属等厌氧菌可产生胆汁盐水解酶(Bile Salt Hydrolase,BSH),将结合胆汁酸水解成游离形式,并通过分泌胆固醇7α-羟化酶促进未结合的初级胆汁酸向次级胆汁酸转变[35]。经肠道菌群代谢后的胆汁酸可直接诱导T细胞的分化,通过调控调节性T细胞、辅助性T细胞17的平衡,改变免疫炎症的发生与否[36]。此外,胆汁酸代谢紊乱可增加病毒、致病菌感染。据报道,黑麦芽孢杆菌的丰度降低可影响BSH分泌、活性,BSH活性的高低与霍乱弧菌的易感性正比,而通过移植健康的肠道菌群可有效抵抗霍乱弧菌在肠道的定植并降低其毒理作用,防止腹泻的发生[37];一项探索肠道菌群增强哺乳动物肠道病毒感染的机制研究表明,在诺如病毒感染的过程中,肠道菌群在小肠近端和肠道远端区域发挥作用相反,共生菌通过增强胆汁酸所诱导的Ⅲ型干扰素,抑制近端肠道感染,并通过Ⅲ型干扰素非依赖性增强远端肠道感染[38]。

4 小结

肠道菌群失调是CFS发生发展的关键诱因,其通过改变内毒素耐受、破坏肠道屏障、改变肠道菌群代谢等机制,促使免疫因子及神经递质的异常改变,诱导CFS相关脑区激活。肠道菌群失调在CFS的诱导作用不仅阐明了CFS神经功能异常、免疫功能受损、胃肠道功能紊乱等多个系统病变同时存在的难题,而且提供了从系统生物学角度探索CFS发病机制的可行性方案。但肠道菌群与CFS相互作用的研究尚处于起步阶段,研究数量较少,相关肠道菌群研究结果存在差异较大,一致性较差等问题,高质量的临床研究和机制研究相对缺乏。因此,进一步以肠道菌群研究为中心,以基因组学、代谢组学、神经影像学等涉及多个系统的检测方式为技术支撑,将有利于提供更加全面、深入地认识CFS。CFS肠道菌群研究将带来探索CFS神经、免疫功能异常作用机制新视角,同时也为临床CFS治疗提供参考。