肠道菌群影响脑和行为的途径---“肠-脑轴”

梁淑文教授，解放军306医院消化科

人有各种喜好和疾病，最近有研究集中在肠道菌群，认为它控制了我们的大脑！研究者认为，肠道菌群通过肠-脑轴影响脑和行为.肠-脑轴是肠和脑之间的信息交流系统,由免疫、迷走神经和神经内分泌途径构成，来控制人体对食物的喜好。肠道是一个奇妙的、独特的王国，这些我们本身以外的菌群们，正在支配着我们的饮食、情绪。当然，对这一切你也并非无力抵抗。改变肠道菌群新陈代谢，需要摄入富含双歧杆菌等益生菌的酸奶，补充低聚果糖、低聚半乳糖等益生元增殖益生菌外。

肠道菌群数量众多、种类丰富,以人类为例,肠道内定植的细菌数量约为1013～1014,超过人体细胞总数的10倍,所编码的基因至少是人类基因组的150倍.人类的编码基因大概有26600,在数量上远少于其他物种,比如水稻有46000个编码基因,这和我们人类在生理、情感以及行为上的复杂性形成了鲜明对比,被称之为基因组的复杂性难题(genome-complexity conundrum).人体有2个基因组,一个是我们从父母那里遗传来的人基因组,另一个是我们出生后进入人体的肠道共生微生物的基因组,称为“微生物组”,也称“元基因组”.在长期的共生中,人类和肠道菌群在基因水平上形成了人类-肠道菌群的基因复合体,使得人类的基因复杂性远超过了水稻等其他物种,因为研究表明人类转录组所含的4026600个mRNA中约有4×106个mRNA来自于肠道菌群.这种基因水平上的交流在功能上体现为肠道菌群广泛参与宿主的各项生理活动.多项研究表明,肠道菌群和胃肠道、肝脏、皮肤和中枢系统等器官具有密切的交流,并参与营养物质的消化和吸收、神经发育和传递以及免疫等活动.从人类基因组计划中我们看到,对人类遗传信息的解读并未掌握人类健康以及疾病治疗的关键,因为人类对与我们共生的数量庞大的肠道菌群还不甚了解.我们应该重新思考并认识到人类健康和疾病治疗的关键可能在于肠道菌群.美国国立卫生研究院(NIH)于2007年启动的“人类微生物组计划”意在帮助人类在健康评估与监测,以及慢性病的早期诊断与治疗等方面取得突破性进展.目前已有研究发现,肠道菌群失调很可能是导致肥胖、高血压和糖尿病等代谢疾病,以及抑郁、焦虑和认知功能下降等精神心理疾病的重要原因.

一个成年人肠道内定植的菌群估计超过10000种其中厚壁菌门和拟杆菌门是人类肠道菌群中占有数量优势的2个主要的菌门,其次数量较多的还包括变形菌门、放线菌门、梭杆菌门和疣微菌门.肠道菌群的初始定植发生在出生时,来自于婴儿通过产道时接触的复杂菌群.因此出生后的一段时间内,肠道菌群的构成具有明显的母系特征,大约一年后才逐渐转变为个体化的结构.影响肠道菌群构成的一个重要因素就是饮食结构.例如,高脂或高蛋白的食物促进拟杆菌的增殖,而普雷沃菌属数量的增加则需要高碳水化合物的饮食.肠道菌群的构成在正常情况下处于动态平衡中,互相制约、共存共荣.然而,肠道菌群失调会增加疾病的易感性.感染、疾病以及抗生素等都可能破坏肠道菌群的平衡,从而对宿主健康产生不良影响.例如,由于饮食结构改变、免疫抵抗力降低以及炎症状态增加等因素,老年人的肠道菌群构成与青年人相比发生显著改变,且直接与其健康状况相关.肠道菌群在调节胃肠道运动、促进消化吸收和提高免疫力等方面的作用早已被人熟知:肠道菌群在肠道黏膜表面形成一道保护性的生物屏障,抑制病原菌的过度增殖和病毒感染;促进先天免疫和获得性免疫的发育和维护免疫系统的正常功能;调节胃肠道运动,直接或间接参与3大营养物质的能量代谢,参与维生素的合成,影响脂肪的吸收和分布等.而近十几年来,越来越多的研究开始关注肠道菌群对脑功能的影响.已有研究表明,肠道菌群参与调控脑发育、应激反应、焦虑、抑郁、认知功能等中枢神经系统活动.肠道菌群、肠道和脑这3者间进行着密切的信息交流,使得我们对行为和情绪的调控方式有了全新和更全面的认识.肠道菌群是机体的重要组成部分,肠道菌群的作用不仅局限于胃肠道,而且可以通过肠-脑轴的3条途径(免疫、神经内分泌和迷走神经途径)形成肠道菌群-肠-脑轴,能够对脑功能和行为产生重大的影响.

研究人员早已发现肠道菌群能够调节肠道运动和分泌,分解食物中的大分子复合多糖,参与营养物质的消化和吸收,维持肠上皮屏障的完整性,促进并维护免疫系统的正常发育和活动等.肠道菌群调控脑和行为的研究成果来自于多个方面,包括肠道神经系统、神经影像学、肠道菌群和宿主的相互作用,以及肠道菌群-肠-脑轴.这些研究结果表明,肠道菌群通过肠-脑轴影响脑和行为.肠-脑轴是肠和脑之间的信息交流系统,由免疫、迷走神经和神经内分泌途径构成.

相关的动物研究则提供了肠道菌群调控宿主行为的直接证据.目前调控肠道菌群的实验方法主要有无菌饲养、肠道病原菌感染、抗生素处理和服用益生菌.研究发现,与正常动物相比,肠道菌群发生改变的动物(无菌动物、肠道病原菌感染以及被抗生素和益生菌处理过的动物)在行为(焦虑、抑郁和认知行为等)和神经生化上发生了明显的改变.例如,无菌动物具有过度的应激反应、空间记忆能力下降,以及相关脑区脑源性神经营养因子(BDNF)、5-HT和谷氨酸受体(NR)的表达异常;抗生素处理则增加了小鼠在明暗箱测试中的探索行为、减少了穿梭的潜伏期以及提高了海马和杏仁核中BDNF的水平;肠道柠檬酸杆菌感染会导致小鼠的焦虑行为和迷走神经节c-FOS蛋白表达的增加;益生菌鼠李糖乳杆菌可以改善应激小鼠的焦虑和抑郁行为,并恢复伽马氨基丁酸(GABA)A和GABAB受体在海马、下丘脑、杏仁核和前额叶的正常表达水平.另一方面的证据来自于肠道菌群失调引发的疾病.首先,由于参与调控肠和脑的活动,肠道菌群失调可能导致肠-脑疾病.人类常见的肠-脑疾病包括肠易激综合征(IBS)、炎性肠道疾病(IBD)和肝性脑病(HE).这类疾病不仅具有明显的肠道症状(如排便异常、消化不良、腹痛、腹胀和肠道炎症等),同时还伴有焦虑、抑郁和认知功能减退等神经精神症状.已有大量的研究发现,肠-脑疾病患者的肠道菌群发生了显著改变,且肠道菌群失调会导致动物出现类似于人类的肠-脑疾病.此外,肠道菌群失调还可能导致中枢神经系统(CNS)疾病.相关研究发现,肠道菌群失调很可能是导致多发性硬化症、精神分裂、慢性疲劳综合征、阿尔兹海默症和帕金森症等的重要原因.因此,对于肠道菌群失调导致的心理和精神异常,调节和恢复正常肠道菌群的疗法可能更直接和安全有效.服用益生菌被认为是促进心理健康的潜在有效措施,因为它是肠道内的有益微生物,有利于改善胃肠道环境和维护肠道菌群平衡,常见的有乳酸菌和双歧杆菌.动物和临床研究的结果表明,益生菌能够降低焦虑和抑郁、提高认知能力,改善自闭症、多发性硬化症、阿尔兹海默症和帕金森症等,有益于人类的心理健康.

肠道菌群影响宿主行为的途径:肠-脑轴

由于肠道内定植的肠道菌群数量庞大和构成复杂,肠道淋巴组织含有的免疫细胞占整个机体免疫细胞的70%~80%.正常情况下,免疫系统能区分共生菌和病原菌,对共生菌免疫耐受而对病原菌产生免疫反应.这种免疫区分是通过肠上皮细胞的信号传导来实现的:特化的肠上皮细胞——微皱细胞能将菌群的信息通过转吞胞作用传递给淋巴集结中的抗原提呈细胞;同时,固有层的突触细胞直接在肠上皮细胞的紧密连接间伸出突触来接收肠腔内的菌群信号.这2种信号传导细胞上均有多种Tolllike受体(TLRs)的表达,不同的TLRs识别不同肠道菌的信号,即细菌相关的分子结构(MAMPs),比如TLR2识别革兰氏阳性菌的肽聚糖, TLR4结合革兰氏阴性菌的脂多糖以及TLR5识别革兰氏阳性和阴性菌的鞭毛蛋白. TLRs和MAMPs的结合激活免疫系统,释放细胞因子等免疫活性物质,引起对共生菌的免疫耐受而对病原菌进行免疫清除.免疫学家们早就认识到肠道菌群维护和促进免疫系统的正常活动和发育,而免疫系统对中枢神经系统活动具有重要影响.由此,肠道菌群可以通过免疫途径影响脑功能,主要包括以下3种方式:一是肠道菌群诱导产生的细胞因子进入循环系统,通过血脑屏障上的转运系统进入脑,直接对脑的活动和功能产生影响;二是脑室周器和脉络丛中的巨噬样细胞上也有TLRs表达,能对循环系统中肠道菌群的MAMPs产生应答并释放细胞因子.由于室周器在血脑屏障的外面,释放的细胞因子以自由扩散的方式进入大脑,对脑的活动产生影响;三是血管周的巨噬细胞和脑小血管的上皮细胞上表达的IL-1受体能直接和循环系统中肠道菌群产生的IL-1结合,产生前列腺素E2,调节脑的活动和功能.动物研究的结果支持肠道菌群通过免疫途径调控脑的活动.无菌动物是研究肠道菌群如何通过免疫途径影响脑活动的一个很好的模型动物.无菌动物没有肠道菌群,且免疫系统发育不成熟. Sudo等人发现,与正常动物相比,无菌动物表现出过度的应激反应;而当无菌动物肠道内定植正常菌群后,免疫系统发育良好且应激反应恢复正常.此外,另一个常用的方法是肠道病原菌感染,因为肠道病原菌本身是肠道菌群的组成部分,且其感染会导致肠道菌群发生改变. Bercik等人发现,鼠鞭毛虫感染会导致小鼠的结肠炎、血液中促炎细胞因子(包括肿瘤坏死因子(TNF)α和干扰素(INF)γ)的浓度升高,并出现焦虑行为;而抗炎药物降低感染小鼠结肠炎和促炎细胞因子浓度的同时改善了焦虑行为.除了免疫途径,肠道菌群还可以通过其他途径调控中枢活动和行为.比如,在Bercik等人进行的研究中,服用益生菌长双歧杆菌虽然对感染小鼠血液中的促炎细胞因子水平没有影响,但能够显著改善焦虑行为.

细菌对神经作用途径1：神经内分泌途径

肠道共有20多种肠内分泌细胞,它们构成了人体最大的内分泌器官.接收刺激后,肠内分泌细胞通过内分泌和旁分泌的方式影响中枢神经系统活动.内分泌传递是指肠内分泌细胞释放的神经内分泌物质进入循环系统并最终作用于下丘脑及其相关脑区;旁分泌传递则是神经内分泌物通过作用于迷走神经影响中枢神经系统的活动.内分泌传递的一个重要组成部分是下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴.当受到应激时, HAP轴释放皮质醇,皮质醇能够调控肠道免疫细胞的活动和细胞因子的释放、影响肠道的渗透性和屏障功能以及改变肠道菌群的结构.相反地,肠道菌群也能够调节HPA轴的活动,对脑的活动产生影响.

细菌对神经作用途径2：迷走神经途径

根据神经元所在的位置,支配肠道的神经可以分为2类:一类是外在神经,包括脊髓和迷走传入神经;另一类是内在神经,肠道神经元发出的神经.在肠道,内在神经的数量约为1亿,而外在神经的数量大概有5000.外在和内在神经间不仅形成多条反射回路来维持肠道的正常活动和调节肠道对刺激的反应,外在神经还通过和脊髓背角第一层的神经元以及迷走神经的孤束核胞体形成突触,将肠道的多种信息传递到大脑.根据迷走神经上分布受体的不同,可以将迷走神经分为3类,不同类型的迷走神经传递不同的肠道信息到达大脑.第1类是机械敏感型的迷走神经,这类迷走神经支配肠系膜、肠纵环肌以及接近肠道的卡哈尔间质细胞.由于神经末端上有机械敏感通道的分布,这类迷走神经对胃肠道的扩张、收缩以及运动很敏感.但是,在正常情况下机械敏感型迷走神经对机械刺激没有反应,只有当肠道炎症发生时这些神经才具有机械敏感性.第2类是化学敏感型的迷走神经,这类迷走神经上有食欲受体分布且神经末端和肠内分泌细胞接触,能对肠内分泌细胞分泌的促食欲和厌食神经肽产生反应,调节中枢的摄食行为.

不同肠道菌可能对肠-脑轴产生不同的影响.无菌小鼠分别服用益生菌婴儿双歧杆菌、致病性大肠杆菌和非致病性大肠杆菌后,下丘脑室旁核(PVN)中表达c-Fos的神经元数量显著增多(迷走神经途径).而在这3种肠道菌中,致病性大肠杆菌引发的PVN神经元活动的增强最为明显,并伴有血液中促炎细胞因子明显地增多(免疫途径)和HPA轴活动的增强(神经内分泌途径);相比之下,益生菌和非致病性大肠杆菌虽能激活PVN神经元的活动,但引发的HPA轴活动的增强持续时间较短,且对系统性免疫反应没有影响.

细菌对神经作用途径3：肠道菌群调如何控宿主的行为？

在动物研究中可以使用不同的实验方法改变肠道菌群(肠道病原菌感染,给予抗生素或益生菌)甚至完全去除肠道菌群(无菌动物),然后观察这些肠道菌群发生改变的动物相对于正常动物在脑活动和行为上的变化,能够得到肠道菌群调控宿主行为的直接证据.

无菌动物是评估肠道菌群对宿主脑活动影响的常用动物模型,是指不能检出任何活的微生物的动物.无菌动物饲养在无菌的环境中,防止出生时产道菌群在肠道的定植及以后生活中接触任何活的微生物.与肠道内定植正常菌群的动物相比,无菌动物的神经生化和相关行为均发生了显著改变.与无菌动物相比,肠道内定植多形拟杆菌小鼠的突触囊泡-相关蛋白33(参与突触神经传导的一种蛋白)的mRNA表达量增加了2~5倍. Sudo等人比较了无菌动物和限菌(SPF,无特定病原菌)级动物对束缚应激的反应,认为肠道菌群在下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴的发育和应激反应的调控中发挥了重要作用.与正常动物相比,成年无菌动物束缚后表现出异常高的促肾上腺皮质激素和皮质酮激素水平;而肠道内定植来自于正常动物粪便的菌群后,无菌动物对应激的异常反应得到改善.有趣的是,接种正常菌群的时间越早,对应激的反应越趋于正常.当无菌母鼠在生产前接种正常菌群时,它的后代成年后对应激的反应表现为完全正常,这说明肠道菌群参与了中枢神经系统发育关键期的调控.此外,与正常动物相比,无菌动物脑源性神经营养因子(BDNF,参与神经元生长和存活的神经营养因子)以及谷氨酸受体2A(NR2A)在皮质和海马的表达减少.而最近的另一项研究则发现无菌动物海马Bdnf的mRNA表达增加,而杏仁核5-ht1a受体和Nr2b的mRNA表达减少.肠道菌群还调控5-HT系统,与正常菌群动物相比,无菌小鼠海马中5-HT和其代谢物5-HIAA的水平升高,血浆中5-HT的前体物质色氨酸的浓度增多;无菌小鼠在断奶后定植正常肠道菌群虽然对海马5-HT和5-HIAA的浓度没有影响,但可以恢复血浆色氨酸的正常水平.这些神经生化物质的失调可能导致动物的行为异常,因为BDNF, 5-HT和NR表达的异常将引发焦虑等行为.支持这一观点的研究表明,在评估认知能力的新颖物体识别和T迷宫的测试中,无菌动物的非空间记忆和工作记忆受到损伤.此外,最近的一项研究利用不同种类的小鼠具有不同生理、行为和肠道菌群构成的特点,设计了一系列肠道菌群移植的实验,并得出肠道菌群调控宿主行为的结论.当无菌的BALB/c和NIH Swiss小鼠接种来自同种小鼠的肠道菌群后,其行为和同种小鼠的行为相似;当接种来自不同种小鼠的肠道菌群后,其行为则变得和肠道菌群来源小鼠的行为类似,说明供体小鼠的肠道菌群直接决定了受体小鼠的行为.有趣的是,有研究发现,无菌小鼠与对照组相比,血浆中皮质酮浓度升高且在高架十字和明暗箱测试中的焦虑行为明显减少.这个结果有些使人感到疑惑,因为过度的HPA轴活动应该伴随着焦虑行为的增多,且无菌动物的异常行为应该增多.目前还不是很清楚无菌动物表现出低焦虑水平的原因,但与对照相比,无菌动物相关脑区焦虑行为相关的基因表达发生了明显的改变,比如海马Bdnf和5-HTIA受体mRNA的表达,以及杏仁核Nr2b mRNA的表达.进一步的研究发现,在幼年期(出生的3周内)定植正常肠道菌群能够改善无菌小鼠的低水平焦虑行为.而成年期(出生10周以后)的肠道菌群定植却对无菌小鼠的焦虑行为没有影响.因此,低水平的焦虑行为可能是无菌动物异常行为的表现.然而在另一项研究中, Gareau等人并没有观察到无菌小鼠和正常小鼠在焦虑行为上的差异.无菌小鼠与正常小鼠相比,它们在明暗箱测试中的穿梭次数和待在明箱中的时间没有显著差异.无菌动物在不同研究中表现出的不同焦虑行为可能和研究中使用的不同小鼠种类、性别以及采用的行为测试方法有关,因为相关研究发现这些因素都可能对焦虑行为的测试结果产生影响

抗生素处理动物

抗生素处理是另一种常用于评估肠道菌群对宿主行为影响的方法,因为抗生素会导致肠道菌群结构发生改变.研究表明,新霉素和杆菌肽的联合使用会造成NIH Swiss小鼠肠道活动和功能的广泛改变:肠道菌群失调(乳酸菌属和拟杆菌属数量显著下降,肠杆菌数量增多),肠道MPO酶(炎性细胞活动的指标,表示肠道炎症的程度)水平小幅升高,免疫活性P物质(肠壁内的感觉神经递质)水平升高,以及内脏运动感知反应(结直肠扩张后的腹壁收缩反应,广泛用于测定内脏痛觉感知)增强.当给予这些小鼠干酪乳杆菌灌胃治疗后,抗生素引发的肠道炎症、神经递质改变和内脏痛觉过敏均得到明显改善. P物质可能在肠道菌群对行为的调控中发挥了重要作用.研究表明,肠道菌群改变将增加P物质水平和导致焦虑行为,而P物质的小幅增加即可引发焦虑和抑郁行为.此外, Bercik等人发现相同的抗生素制剂不仅导致BALB/c小鼠的肠道菌群失调,还改变了小鼠的行为和中枢神经系统的活动,比如增加了小鼠在明暗箱测试中的探索行为,减少了穿梭的潜伏期和提高了海马和杏仁核中BDNF的水平.值得注意的是,该实验中抗生素对肠道和脑功能的影响并非是由于抗生素非特异的系统性副作用引起的,而是通过作用于肠道菌群来实现的,因为注射抗生素和无菌小鼠口服抗生素均不影响肠道炎性反应和行

肠道病原菌感染动物

除了引发肠道菌群失调、肠道炎症、运动和分泌活动异常以及黏膜损伤等病理改变外,越来越多的究开始关注肠道病原菌对脑功能和行为的影响.肠道病原菌本身是肠道菌群的组成部分,且其感染会导致肠道菌群发生改变.最近的一项研究发现,感染鼠鞭毛虫小鼠的焦虑行为增多,海马BdnfmRNA的表达减少,血浆犬尿氨酸/色氨酸的比值升高,血浆中促炎细胞因子(TNF-α和INF-γ)的浓度增加.接下来,研究者对感染的小鼠进行多种治疗处理,探讨肠道菌群影响宿主行为的机制.感染前进行迷走神经切断并没有防止焦虑行为出现,说明感染导致的行为异常不是由迷走神经介导的.给予抗炎制剂(依那西普和布地奈德)能恢复感染小鼠的正常行为,减少血浆炎性细胞因子浓度和降低色氨酸的代谢水平,但没有影响海马Bdnf mRNA的表达.给予感染小鼠服用长双歧杆菌也能够恢复正常行为,同时恢复海马Bdnf mRNA的正常表达,但不影响细胞因子的浓度和色氨酸的代谢水平.抗炎药物和益生菌都能调节肠道菌群,虽然两者对小鼠神经生化物质的影响不尽相同,但都改善了小鼠感染后的焦虑行为,说明肠道菌群可能通过多条途径调控行为.肠道菌群影响行为的研究中较常使用的另一种肠道病原菌是鼠类柠檬酸杆菌(一种定植于结肠,能引起鼠类暂时性结肠炎的病原菌).鼠类柠檬酸杆菌的感染会导致大鼠肠道菌群失调,厚壁菌门、拟杆菌门、肠杆菌和直肠真杆菌的数量增多,血清皮质酮水平升高(HPA轴活动增加),认知能力下降,海马BDNF和c-FOS的表达降低;而乳酸菌干预可以防止以上改变的发生.不同于鼠鞭毛虫的感染,研究发现柠檬酸杆菌感染引发的行为改变是经由迷走神经途径传递的,因为在另一项研究中发现,在柠檬酸杆菌的感染初期(7~8 h)小鼠出现明显的焦虑行为和迷走神经节c-FOS蛋白的表达显著增加.不仅如此,还发现其他几种肠道病原菌对中枢神经系统和行为的影响也是通过迷走神经途径完成的.空肠弯曲杆菌感染1~2 d后,包括孤束核在内的脑干内脏感觉神经节的c-FOS表达增加;感染2 d后,调控应激反应的下丘脑室旁核的c-FOS表达增加.空肠弯曲杆菌感染的小鼠还表现出焦虑行为,且终纹底核(杏仁核的扩展恐惧系统)的c-FOS表达增加.此外,研究者发现鼠伤寒沙门氏菌的感染也能激活由肠道到脑的迷走神经.

益生菌给予动物

益生菌是指对宿主(人类和动物)有益的活性微生物. 1965年, Lilly和Stillwell将益生菌定义为:任何可以促进肠道菌种平衡,增加宿主健康效益的活的微生物.益生菌大体可以分为3类:乳酸菌、双歧杆菌和革兰氏阳性球菌.近十几年来,益生菌以其促进肠道菌群平衡的

有益作用成为肠道菌群-肠-脑轴领域的研究热点.研究表明益生菌有益于人类的情绪健康.研究数据显示,益生菌改善肠道环境、促进肠道菌群平衡、改善焦虑情绪、降低应激反应,有益于IBS患者的心理健康.在一项随机、双盲、安慰剂对照的研究中,健康被试服用益生菌(瑞士乳杆菌和长双歧杆菌的复合益生菌)或是安慰剂30 d后接受一系列的量表测试.焦虑、抑郁、认知功能和压力量表的测试结果表明,服用益生菌被试的心理状态要显著好于服用安慰剂的被试.在另一项随机、双盲、安慰剂对照的实验中,研究者们在实验前以及服用益生菌发酵的酸奶或是安慰剂3周后的10 d和20 d,对健康被试的情绪和认知功能进行了测试.结果发现,实验前高抑郁水平的被试在服用益生菌后,他们的情绪得到了显著改善.在一项初步临床研究中,服用干酪乳杆菌2个月相对于安慰剂可以显著改善慢性疲劳综合征患者的焦虑和抑郁情绪. Tillisch等人采用功能磁共振成像的方法检测了服用益生菌一个月对45名健康女性在情绪反应测试中脑活动的影响.结果表明,与对照组相比,益生菌(乳酸双歧杆菌、保加利亚乳杆菌和乳酸乳杆菌)显著降低了被试脑岛中部和后部的活动,说明改善了被试的情绪反应.虽然这方面的临床研究还处于初期阶段、数量不多,且研究对象主要是健康人群,还未直接评估益生菌改善焦虑和抑郁症等患者情绪的作用.但以上研究的结果表明,益生菌具有改善人类情绪和促进心理健康的巨大潜力.在今后,恢复正常肠道菌群的益生菌补充可能将成为治疗心理和精神疾病的安全有效疗法.

细菌对神经作用途径4：肠道菌群失调引发的疾病

由于肠道菌群维护肠道和脑的正常活动,肠道菌群失调则可能引发肠-脑异常甚至中枢神经系统(CNS)疾病.接下来,我们将讨论肠道菌群失调在肠-脑疾病和CNS疾病中发挥的作用.人类的肠-脑疾病主要有肠易激综合征(IBS)、炎性肠道疾病(IBD)和肝性脑病(HE),它们不仅具有明显的炎性和功能性肠道症状,还伴随有情绪和行为的异常,比如焦虑、抑郁和认知功能减退等.此外,大量的研究结果表明,肠道菌群失调可能是导致多发性硬化症、自闭症、慢性疲劳综合征、阿尔兹海默症等CNS疾病的重要原因.测定肠道菌群的构成已经成为人类疾病研究中的一个重要组成部分.

肠易激综合征

肠易激综合征(IBS)是功能性的肠道疾病,这类疾病表现为慢性反复的可发生于胃肠道任何部位的疼痛和不适,但缺乏可以解释肠道功能不适的形态学病变. IBS患者除了肠道功能不适,还常伴有焦虑和抑郁的情绪症状.最近的一项临床调查研究表明,在接受调查的256位IBS患者中, 190人(74.2%)有焦虑和抑郁症状.一项跨度8年的对1641名门诊患者的调查研究也发现,焦虑和抑郁与IBS显著相关.总结IBS的症状主要包括:脑活动异常、肠道运动改变、内脏感知痛觉过敏、HPA轴对应激的反应过度、小肠细菌过度增殖(SIBO)、肠道低水平促炎反应和自主神经系统失调等,可以归纳为肠-脑活动的异常.因此,有研究者认为肠道菌群失调可能是导致IBS的原因,其可能的机理是肠道菌群失调引发非组织损伤的低水平炎症,进而造成肠道功能失调以及焦虑和抑郁等症状.支持这一观点的研究表明, IBS患者常表现出低水平炎症,而促炎细胞因子比如TNF-α, IL-6和INF-γ水平的升高可能引发抑郁症状.临床和流行病学的调查研究发现IBS患者往往会出现小肠细菌的过度增殖(SIBO),为肠道菌群失调引发IBS提供了证据. SIBO增加肠道产气,可能诱发IBS的肠道不适症状,包括腹部胀痛、胀气和肠道蠕动过快.此外,不少临床研究显示细菌性感染引发的胃肠炎是导致IBS的危险因素.约有1/3的细菌性感染(弯曲杆菌、沙门氏菌、痢疾型大肠杆菌,以及志贺氏菌等)的肠炎患者会在感染后发展成为慢性的胃肠道疾病,其中一部分患者会患上感染后IBS.进一步的证据来自于测定IBS患者肠道菌群构成的研究,已有大量的研究报道IBS患者的肠道菌群与健康人相比发生了变化.粪便肠道菌群培养法的结果表明,与健康人比较, IBS患者肠道的大肠杆菌群、乳酸菌和双歧杆菌显著减少,而需氧菌增加.另一项研究结果也发现,肠道菌群失调将会导致动物出现肠道不适和行为异常的IBS症状.小鼠服用而非注射抗生素后肠道菌群发生明显改变、P物质水平升高、肠道痛觉感知过敏、低水平炎症以及出现焦虑行为.

炎性肠道疾病炎性肠道疾病(IBD)

是伴随肠黏膜损伤的肠道炎症性疾病. IBD包括溃疡性肠炎(UC)和克罗恩病(CD),分别以肠道的溃疡性病变和弥漫性黏膜坏死为特征.许多证据表明IBD患者除了肠道病变,还伴有焦虑和抑郁的情绪症状.与对照组相比, IBD患者的交感和副交感神经活动异常,且这种神经活动的失调与焦虑行为相关.对照研究显示, IBD患者中焦虑和抑郁症的发病率显著增加

肝性脑病

肝性脑病(HE)是由慢性肝功能衰竭引起的脑功能失调的疾病,是一种复杂的神经精神异常的综合征,以严重的认知功能下降、精神障碍和运动失调为特征.随着病程的发展,患者还表现出睡眠障碍、人格特征改变、焦虑和抑郁等情绪症状、陷入昏迷甚至导致死亡.虽然HE是由慢性肝功能衰竭引发的,但肝脏和肠道之间存在由激素、细胞因子以及营养代谢物的信息交流构成的双向密切联系,且肠道菌群能够调节肝肠间信息传递物质的产生和释放,因此肠道菌群失调可能导致HE. Hoefert等人早在80多年前就首先提出慢性肝炎患者的肠道菌群发生改变.从那以后,越来越多的研究开始关注肠道菌群在HE中发挥的作用.最近的一项研究指出,小肠细菌过度增殖(SIBO)在肝硬化患者中普遍存在,且与肝病的严重程度相关.大量的临床和动物研究结果显示, HE患者的肠道菌群发生了改变. Liu等人首次报道了HE肝硬化患者的肠道菌群发生了显著改变,粪便中致病性大肠杆菌和葡萄球菌的数量增多;.由于HE患者肝脏代谢能力下降,无法清除这些有毒物质,造成血液中有毒物质浓度的升高,其中高血氨被认为是导致HE的重要原因.氨是具有神经毒性的小分子物质,容易透过脂膜被吸收而通过血脑屏障进入脑,对脑的结构和功能造成损害.虽然其他器官也产生氨气,但肠道菌群仍然是氨气产生的主要来源.在结肠中,肠道菌群代谢蛋白和尿素产生大量的氨气,其余在小肠产生,是细菌代谢谷氨酰胺的产物.目前治疗HE的常用制剂,比如抗生素和乳果糖,都直接或间接地作用于肠道菌群,以达到降低血氨的目的.因此,肠道菌群失调导致HE的一个有力证据是HE患者在接受抗生素或乳果糖治疗后情绪和认知功能得到改善.利福昔明是一种常用于治疗HE的临床非吸收类抗生素.在最近的一项双盲、安慰剂对照的临床研究中299名HE缓解期的患者被分为2组,分别服用安慰剂和利福昔明6个月(一天2次,每次550 mg).结果表明,利福昔明能显著降低HE的复发率,利福昔明组HE的复发率为22.1%,而安慰剂组的复发率为45.9%.乳果糖是另一种临床治疗HE的常用药物.一系列临床研究的结果肯定了乳果糖改善HE症状的作用,比如改善认知功能和提高生活质量等.

中枢神经系统(CNS)疾病

多发性硬化症(MS)是一种慢性的、炎症性的、脱髓鞘的中枢神经系统疾病,主要症状包括视觉障碍、肌肉无力、抑郁、严重疲劳、平衡障碍和认知损害等.多个研究肯定了肠道菌群在多发性硬化症中的重要性. Borody等人的研究发现,接受来自于健康人的粪便菌群能够显著改善MS患者的神经症状. Kerstin等人则发现,肠道菌群是引发中枢脱髓鞘病变的必要因素,因为复发缓解型硬化症的造模能够导致限菌小鼠自发脑脊髓炎,却对无菌小鼠没有影响;而该造模方法能够导致接种限菌小鼠肠道菌群的无菌小鼠自发脑脊髓炎.此外,初步的临床研究结果显示,益生菌可以有效地缓解MS的进程和改善患者的预后情况.西登哈姆氏舞蹈病是急性风湿热的神经症状表现,其主要临床特征是不自主的舞蹈动作,病变主要影响大脑皮层、基底节和小脑.已有研究发现,链球菌感染引发的对基底神经节的自身免疫反应可能是导致舞蹈病的原因.慢性疲劳综合征(CFS)是一种身体出现慢性疲劳征状的病症,具体定义是长期(连续6个月以上)原因不明的强度疲劳感觉或身体不适.除了持续的疲劳感, CFS患者会出现认知减退、睡眠障碍、食欲下降、焦虑和抑郁等神经心理症状.与健康人群相比, CFS患者的肠道菌群发生明显变化,比如大肠杆菌和双歧杆菌数量减少,以及肠球菌数量增多.而在急性发病期, CFS患者粪便菌群中白色念珠菌的数量显著增多. Logan等人也发现, CFS患者相对于健康人群,肠道的双歧杆菌显著减少而需氧菌增多,而乳酸菌能够显著改善CFS.类似地,一项研究检验了复合益生菌(干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌和乳酸双歧杆菌)对CFS患者症状和生理活动的影响.结果表明,服用益生菌四周显著改善了CFS患者的疲劳症状、健康状态和生理活动.另一项双盲、随机、安慰剂对照的研究表明,与安慰剂组相比,服用干酪乳杆菌两个月显著降低了CFS患者的焦虑和抑郁水平,并显著增加了肠道内乳酸菌和双歧杆菌的数量.自闭症被归类为一种由于神经系统失调而导致的发育障碍,不能进行正常的语言表达和社交活动,常做一些刻板和重复性的动作和行为.对大量同卵双胞胎的调查研究显示,遗传和环境因素是导致自闭症的重要原因,其中一个重要的环境因素就是肠道菌群失调.多个研究的结果表明,自闭症儿童普遍在3岁前曾过度服用抗生素,而抗生素会导致肠道菌群失调.已有大量研究报道自闭症患者的肠道菌群结构发生改变.有一项研究比较了自闭症儿童与正常儿童的肠道菌群构成,结果表明与正常儿童相比,自闭症儿童肠道菌群的多样性降低,且肠道内的普氏菌属、粪球菌属和韦荣球菌科的数量显著降低.研究者进一步考察了肠道症状、饮食构成和自闭症程度与肠道菌群改变的相关性.结果出人意料地发现,自闭症儿童肠道菌群多样性和数量的降低均与自闭症程度显著相关,而与肠道症状程度和饮食构成无关. Hsaio等人发现,自闭症模型小鼠不仅具有自闭症相关的行为,还出现了肠道渗透性增强和肠道菌群的改变,而人类肠道内共生的脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)能够恢复自闭症小鼠正常的肠道渗透性和肠道菌群结构,并改善其焦虑行为、交流行为、感觉运动行为和重复刻板行为.肠道菌群可能通过影响机体的代谢活动调控自闭症小鼠的行为,因为正常小鼠接受自闭症小鼠血浆中增高的代谢物后会出现明显的行为异常,而脆弱拟杆菌恢复代谢组正常活动的同时也改善了行为.肠道菌群的脂多糖是引发自闭症的另一个重要因素.革兰氏阴性病原菌脂多糖引发的炎性反应会增大血脑屏障的通透性,使得过度的汞在小脑累积,引发自闭症.此外, LPS还会导致谷胱甘肽水平的降低,增加儿童患自闭症和共济失调等精神疾病的风险,因为谷胱甘肽是中枢重要的抗氧化剂,能够去除重金属毒性.支持这一观点的研究表明,自闭症儿童肠道内革兰氏阴性的脱硫弧菌和普通拟杆菌数量显著增多.除此之外,革兰氏阳性的梭菌也被认为可能是引发自闭症的原因.梭菌释放外毒素和丙酸盐,而丙酸盐会导致大鼠出现自闭症行为.艰难梭状芽孢杆菌产生的甲酚会降解谷胱甘肽,加重自闭症.阿尔兹海默症(AD)又称老年痴呆或脑退化症,是一种持续性退行性神经功能障碍,病理改变主要为皮质弥漫性萎缩、沟回增宽、脑室扩大、神经元大量减少,并可见β淀粉样蛋白老年斑和神经原纤维结等病变.主要症状有语言障碍、知觉障碍(认识不能,失认症)、情感不稳、易怒、冷漠和疲倦等.肠道菌群产生的神经毒素可能是导致AD的原因之一.研究发现,肠道菌群中的蓝藻细菌和蓝绿藻等产生的神经毒性物质β-N-甲胺基-L-丙氨酸(丙烯酰胺,BMAA)通过激活NADA受_____体、引发氧化应激并降解谷胱甘肽将导致MS、AD和帕金森氏症的神经病变.肠道蓝藻细菌产生的其他神经毒素(比如类毒素和贝类毒素)可能也将引发退行性神经病变,尤其是当肠道渗透性增强的时候.此外,大量的研究发现,导致自闭症、焦虑、抑郁、AD和精神分裂等CNS疾病的危险因素有过度的自身免疫应答、出生前后受到病菌和病毒感染以及中枢自身免疫抗体增多,而肠道菌群可以通过调控宿主对致病微生物的免疫反应以及自身免疫应答,进而影响CNS疾病.相关的初步临床研究表明,益生菌可以有效地改善自闭症、焦虑、抑郁以及精神分裂症的症状和控制疾病的发展.

细菌对神经作用途径及展望

以上动物和临床研究的结果证明了肠道菌群-肠-脑轴的存在,并表明肠道菌群不仅调控生理活动,还通过肠-脑轴的免疫、神经内分泌和迷走神经途径影响宿主的行为.正常的肠道菌群保证宿主生理活动的正常进行并促进宿主的心理健康;而肠道菌群失调将造成肠道炎症、胃肠道功能不适和神经毒性代谢物的增多,并引发焦虑和抑郁症状、异常的应激反应和认知能力降低,可能是导致IBS、IBD和HE等肠-脑疾病,以及多发性硬化症、自闭症、慢性疲劳综合征和阿尔兹海默症等CNS疾病的原因之一.今后的研究应当着重于阐明肠道菌群调节肠-脑轴的机理,这能够帮助我们了解肠道菌群失调在IBS和阿尔兹海默症等疾病中的作用,更加全面深入地理解精神心理疾病的发病机制,拓展我们对脑活动调控机制的了解.理解肠道菌群调控宿主行为的功能对今后精神心理疾病的治疗具有重要意义.对于肠道菌群失调导致的中枢神经活动异常,调节和恢复正常肠道菌群的疗法可能更直接、更安全有效.目前临床上常用的作用于肠道菌群的药物主要有抗生素和乳果糖.临床治疗IBS的常用抗生素有新霉素和利福昔明,治疗IBD的抗生素主要包括灭滴灵和环丙沙星,治疗HE的药物主要有利福昔明和乳果糖.虽然它们在治疗IBS, IBD和HE中表现出了一定的有效性,但仍存在副作用大、疗效不稳定和依从性差等诸多不足,不是理想的治疗制剂.抗生素的抗菌特异性差,可能造成病原菌抗生素抗性的产生,且抗生素的使用会引发肠道菌群失调,加重甚至导致IBS和IBD;乳果糖疗效不稳定,在其维持治疗期间HE常常复发,且具有引发腹泻和水盐代谢紊乱的副作用以及加重肠梗阻和乳糖不耐症的风险.益生菌调节肠道菌群平衡,有利于宿主身心健康,被认为是治疗心理精神疾病的安全有效制剂.已有不少的研究报道了益生菌改善情绪和调节宿主行为的有益作用,且临床研究显示IBS, IBD和HE患者,以及自闭症、CFS, MS和AD患者服用益生菌后消化道症状、神经症状、焦虑抑郁情绪和认知能力得到改善,生活质量得到提高.这说明益生菌具有用于治疗肠-脑疾病和CNS疾病的良好前景,但仍有几个需要注意的问题.首先,益生菌改善情绪和行为的临床研究还需要加深机制的探讨.比如,在益生菌改善IBS的临床研究中,虽然已有大量的研究结果支持益生菌对IBS的改善作用,但其中不少研究只对益生菌的改善作用进行了观测,没有深入探讨益生菌改善作用的可能机制和对肠道菌群的影响,且这方面的研究结果并不一致,还存在着部分阴性结果的报道.有研究统计,在目前发表的益生菌改善IBS症状的研究中大约有3/4的研究得到了阳性结果,还有1/4是阴性结果.造成结果不一致的原因可能包括实验设计上的差异、IBS患者类型和性别的差异、使用益生菌种类和活力的差异、使用单一菌种和复合菌的差异以及益生菌服用次数和疗程的差异等,这些都是以后临床研究中需要考虑的问题.此外,忽视安慰剂对肠道菌群的影响也可能是导致阴性结果的重要原因之一.在2个相似的研究中,研究者们探讨了含有多种益生菌的酸奶(2个实验均采用了嗜酸乳杆菌和双歧杆菌的混合菌,浓度均为107 CFU/mL,服用8周)相对于不含益生菌的酸化牛奶,改善IBS症状的作用.虽然这2个研究得出的结论是益生菌对IBS没有显著的改善作用,因为酸化牛奶和酸奶对IBS的改善作用没有显著差异.但有趣的是,服用酸化牛奶和酸奶均显著地改善了IBS患者的症状.这2个研究均未对肠道菌群进行检测,而酸化牛奶本身会对肠道菌群产生影响,这可能是导致阴性结果的原因.相关研究表明,牛奶本身和酸性环境会对肠道菌群的构成产生重大影响,毕竟安慰剂组连续8周每天服用酸化牛奶400 mL.已有研究表明,革兰氏阳性杆菌普遍具有耐酸能力,且酸性环境能够显著增加革兰氏阳性的乳酸菌和双歧杆菌的数量,提示酸化牛奶改善IBS的作用可能是由于其增加了肠道内益生菌的数量.其次,需要认识到每个种类的益生菌都有其独特的性质,可能和宿主进行特异性的相互作用.某种益生菌具有调节宿主行为的有益作用,但不能由此进行推论认为其他种类的益生菌或是包含该菌的复合型益生菌也具有类似的作用.有研究者发现,甚至是同一种类不同菌株的益生菌的生理调节作用也是不相同的.再次,如今益生菌的应用中有一个越来越常见但似乎缺少充足科学论证的做法,那就是使用复合型的益生菌制剂.复合型益生菌包含了多种益生菌,与单种益生菌相比,可能的优势是能够融合各种益生菌的有益作用,其综合作用可能大于每种益生菌单独使用时的相加效应,能够发挥更广泛的有益作用.然而,还有一种可能性是多种益生菌的混合使用可能造成各个益生菌间的相互抑制和有益效果的相互抵消,导致总体有益作用的降低.目前这个问题似乎还没有引起足够重视,只有少数的研究比较了复合益生菌和单种益生菌的有效性因此,还没有足够的证据支持复合型益生菌的有益作用大于单种益生菌.