微生物-肠-脑轴：中枢神经疾病新的治疗思路

综述 | Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol.：微生物-肠-脑轴：中枢神经疾病新的治疗思路

原创 逍遥君 微生态 今天

论文ID

原名：Microbiota-gut-brain axis: new therapeutic opportunities

译名：中枢神经疾病新的治疗思路——微生物-肠-脑轴

期刊：Annual review of pharmacology and toxicology

IF：11.25

发表时间：2019.09

通讯作者：John F Cryan

作者单位：科克大学APC爱尔兰微生物组&解剖学和神经科学系

综述框架

综述内容

1 微生物-肠-脑轴1.1 肠道微生物就饥饿和饱腹感信号的中枢控制而言，双向肠-脑交流的存在似乎确实存在。并且，随着研究的深入，这种交流更广泛地涉及认知、社会行为、恐惧表达和应激反应。包括可与胃肠道疾病和功能性胃肠道疾病（不存在明显胃肠道病理学但具有较高心理成分的疾病）相关，并可导致重度胃肠道不适。此外，急性和慢性应激、焦虑和抑郁均受到肠道微生物特征的影响。该领域的大多数学者认为肠道的定植主要发生在出生时，通过剖腹产分娩的婴儿的肠道菌群与阴道分娩非常不同，前者包含存在于皮肤和分娩室的微生物，并且这些婴儿的双歧杆菌、拟杆菌和乳酸杆菌定植较低。后者的特征更接近于母体阴道微生物组。在出生后的前两年内，剖腹产婴儿的肠道微生物组特征变得更接近经阴道分娩婴儿；然而，不同微生物定植的功能效应可能持续存在，并被假定与儿童肥胖和哮喘的相对风险增加相关。再者，生命早期肠道菌群的组成进一步也受到多种因素的影响，包括产前抗生素使用、母乳喂养、出生后第一年的生长和地理的影响。在整个生命过程中，肠道微生物组的组成进一步受到饮食、地理、运动水平、抗生素和其他药物的影响（图1）。饮食在肠道微生物组的组成和多样性中发挥巨大作用，改变饮食会诱发肠道微生物谱的快速变化。比如，地中海饮食与特定的肠道微生物特征和许多有益的健康影响相关；不良饮食（包括西方风格的饮食）对肠道微生物组的有害影响与代谢综合征患病率的上升有关。 图1 影响肠道菌群特征的因素。多种因素可能在整个生命周期中积极和消极地影响肠道菌群谱的组成和多样性。
 1.2 微生物-肠-脑轴通讯背后的信号机制微生物-肠-脑轴的信号可通过多种机制发生。肠道微生物可以产生生物活性肽，包括神经递质、次级胆汁酸的转化、短链脂肪酸（SCFAs）、支链氨基酸和肠道激素。SCFA（包括醋酸盐、丁酸盐、丙酸盐和乳酸盐）可进入循环系统，并可能通过该途径向大脑发出信号。微生物也可以介导色氨酸的代谢，从而在某些情况下调节5-羟色胺信号。多巴胺、去甲肾上腺素、GABA和乙酰胆碱也可由肠道微生物合成。肠壁由肠神经系统（ENS）支配，主要负责肠道运动，这可以被神经递质和SCFA靶向调控。此外，微生物含有微生物相关的分子模式，可被ENS中的toll样受体识别。事实上，免疫信号是微生物-肠-脑信号发生的重要机制。肠道中还含有密集的免疫细胞，这些细胞在肠道上皮粘液层的物理屏障之后，提供了抵御病原体的第二道防线。肠道菌群可影响促炎和抗炎细胞因子的产生，进而可通过循环系统向大脑发出信号。迷走神经与微生物-肠-脑轴信号传导密切相关，是肠道和大脑之间交流的关键模式之一。迷走神经切断术是一种外科手术，常用于治疗消化性溃疡病，被报道其与发生帕金森病的风险降低相关。此外，在一项临床研究中，鼠李糖乳杆菌的许多有益作用在迷走神经切断术后被消除，这在一定程度上表明了微生物-肠-脑轴的存在，及迷走神经的关键作用。最近，利用光遗传学刺激证明了中枢神经系统存在迷走神经肠-脑轴通路。并且证明，肠内分泌细胞释放的谷氨酸可激活这些迷走神经的传入。 2 脑部疾病的肠道微生物特征改变2.1 应激应激在改变微生物-肠-脑轴中发挥重要作用。急性应激可直接激活HPA轴，以便对应激源做出适当反应；然而，长期、慢性应激可引起HPA轴激活紊乱。有大量证据描述了包括啮齿类动物和非人灵长类动物在内的几种宿主中应激诱导的微生物-肠-脑轴的改变。此外，通过抗生素、缺乏母乳喂养、剖腹产、感染、暴露于应激和其他环境因素，以及宿主遗传改变生命早期微生物特征，可影响应激相关的生理和行为。许多研究描述了肠易激综合征（IBS）的肠道微生物特征的改变。除后期婴儿胃肠道症状和过敏反应外，有产前应激的女性也会导致婴儿肠道微生物特征改变。通过不良生活习惯暴露于压力和焦虑也会影响压力相关的抑郁状态，其肠道菌群特征目前也在研究。 2.2 重度抑郁症大量研究表明，重度抑郁症（MDD）患者与健康对照组相比肠道微生物特征改变，粪便微生物丰富度降低。有研究通过粪菌移植使焦虑和抑郁表型在受试者中表现，这表明肠道菌群在MDD中发挥作用。最近一项对Flemish肠道菌群的大规模研究项目也确定了抑郁人群中肠道菌群特征存在差异，在去除抗抑郁药物的混杂效应后，差异仍然存在。但新发现是抑郁人群中不存在Coprococcus和Dialister，而它们在非抑郁人群中的存在与生活质量评分呈正相关。这些发现表明肠道微生物在调节精神疾病中发挥重要作用。 2.3 帕金森病目前大量研究均描述了患PD的患者肠道微生物特征会改变。在PD患者的病情发展过程中包括与肠道相关的症状（主要是便秘），因而有学者假设PD的发生始于肠道。事实上，从PD患者到PD小鼠模型的粪菌移植均导致运动缺陷和神经炎症，这为肠道菌群与PD相关提供了证据。流行病学研究表明，接受迷走神经切断术治疗消化性溃疡病的个体随着年龄增长发生PD的风险降低，说明肠道菌群诱导PD的发生可能与微生物-肠-脑信号的传导有关。此外，最近的一项荟萃分析也已经确定根除幽门螺杆菌在改善PD症状方面有明显的获益。 2.4 阿尔茨海默病AD也被认为与肠道微生物特征改变相关，在极轻度至轻度AD患者中发现肠道菌群的丰富度和多样性降低，厚壁菌门：拟杆菌门比率发生改变，这些症状在肥胖的研究中广泛存在，因而表明AD和2型糖尿病（T2DM）之间可能存在联系。与认知功能正常的老年人相比，AD患者和轻度认知障碍患者血清中次级胆汁酸（由肠道菌群从初级胆汁酸代谢而来）的水平出现差异。此外，肠道微生物特征的改变与老年人的认知障碍以及淀粉样蛋白-β负荷相关。 2.5 其他脑部疾病关于精神分裂症与肠道菌群相关的研究较少，但精神分裂症确实存在肠道合并症的并发症。也有证据初步表明，白色念珠菌的存在与精神分裂症男性患者精神症状变差相关。最近的一项研究描述了特定的分类群，包括Veillonellaceae和Lachnospiraceae，它们与精神分裂症严重程度相关。此外，从这些精神分裂症患者到无菌小鼠的粪菌移植除了改变谷氨酸盐信号外，还在动物中引起精神分裂症表型。孤独症谱系障碍（ASD）患者经常也表现出肠道相关合并症。几项研究描述了ASD儿童肠道微生物谱的改变，发现有益菌（特别是双歧杆菌）丰度的降低。此外，研究还发现了梭状芽孢杆菌（一种潜在致病菌属）的丰度增加。在一项短期研究中，万古霉素（一种广谱抗生素）治疗导致行为症状的阳性改变，进一步强调了肠道微生物特征异常改变在ASD中的作用。此外，在一项研究中，将健康个体的肠道微生物纳入ASD患者，可使ASD患者中肠道合并症和行为均得到改善。在一项研究中，将健康个体的肠道微生物纳入ASD患者，可使ASD患者中肠道合并症和。行为均得到改善 3 针对微生物-肠道-脑轴的治疗考虑到肠道菌群在这些大脑相关疾病中发挥作用的新证据，那么通过改变肠道菌群靶向介导大脑的手段就不足为奇了。“精神生物质”一词由Dinan等人于2013年提出，是一类新型精神药物，被定义为“当摄入足量时，对精神疾病患者产生健康获益的活生物体”。此后，该定义被扩展至包括“对大脑的影响是细菌介导的任何外源性影响”。因此，心理生物制剂可以包括一系列影响微生物-肠脑轴信号的物质，包括益生菌、益生元、合生元和后生元（图2）。这些物质可以通过补充剂、功能性食物和改善饮食摄入来提供。 图2 潜在的心理生物制剂。包括益生菌、活生物治疗药、益生元、合生元、副益生菌、益生素、发酵食品等。
 3.1 益生菌：活生物治疗药物益生菌被定义为“足量给药时对宿主具有健康益处的活微生物”。现在有大量的研究显示了多种益生菌菌株在消除临床前模型中的应激、抑郁和焦虑样行为方面的益处，此外还有大量的成功的人类研究。并不是所有的益生菌都具有大脑有益的作用。益生菌一般不会驻留在肠道中，即益生菌制剂需要每天食用才能维持积极作用。一般而言，益生菌是食品的成分或作为食品补充剂递送。新一代益生菌，包括在美国正式认定为活生物治疗药物的益生菌和没有使用史但可能有健康益处的益生菌，可能通过更传统的药物途径而不是通过食物递送递送发挥有益作用。 3.1.1 精神病相关研究大量研究证明益生菌在改善情绪和抑郁状态方面有一定的疗效。其中，使用含有干酪乳杆菌的饮料治疗可改善老年人的情绪评分，在基线时情绪评分最低的参与者中观察到的获益最大。最近的一项研究进一步描述了植物乳杆菌在压力但其他方面健康的成人中的多种益处，包括减轻压力和焦虑措施以及改善记忆和认知的多个方面，增强5-羟色胺能信号，以及减少皮质醇和促炎性细胞因子。在一个难治性抑郁症队列中，益生菌也被作为与抗抑郁药物联合使用的潜在辅助治疗，在一项研究中显示出一定的利用前景。另一方面，一些研究未能显示补充益生菌对MDD患者在改善抑郁评分方面的任何益处，这表明并非所有的益生菌都具有改善精神疾病的生物活性。 3.1.2 神经学相关研究使用益生菌干预试图改善AD导致的一些认知缺陷的研究数量有限。在一项此类RCT中，在乳饮料中使用多菌株益生菌（嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、双歧杆菌、发酵乳杆菌）导致患者精神状态检查评分改善。然而，在同一组的另一项RCT中，使用其他乳酸杆菌和双歧杆菌菌株，在重度AD队列中未观察到认知改善，这一结果再次强调了不同菌株在改善疾病方面的差异，并强调需要明确治疗干预疾病进展的最佳时间。某些益生菌菌株在改善ASD临床前模型的行为和神经化学扰动方面显示出希望。人类对益生菌在ASD中应用的研究尚处于起步阶段，重点是改善肠道相关合并症。 3.2 益生元通过将活的微生物——益生菌引入系统，试图直接调节肠道菌群已经做了很多工作。然而，这种方法存在许多技术和运用难题。这些问题包括如何确保益生菌在pH水平改变的环境中生存，从胃酸到碱性胆盐环境，再到肠道中能够发挥潜在治疗作用的位置；发酵的难易程度以及批量生产的连续性和一致性问题等。另外，靶向有益的宿主微生物群，促进这类微生物的富集是目前最常用的一种治疗手段。益生元被定义为“被赋予健康益处的宿主微生物选择性利用的底物”。在大多数情况下，益生元由菊粉、低聚果糖、低聚半乳糖（GOSs）和抗性淀粉等纤维组成，这些纤维在小肠中不能被吸收，被肠道微生物选择性发酵。益生元存在于各种各样的水果、蔬菜和谷物中。益生元也存在于人乳中（人乳寡糖）。与使用单菌株或多菌株益生菌相比，使用益生元干预的优势在于可能能够更全面地改善肠道微生物状态。 3.3 合生元合生元是益生菌和益生元的组合，由于益生元的引入进而提高益生菌的生存能力，可提供可发酵纤维的来源以及作为一般益生元。在轻度至中度MDD中，由GOS和双菌株益生菌（L. helveticus和B. longum）组成的合生元导致抑郁评分降低，并对色氨酸信号传导产生积极影响。最近的一项初步研究表明，使用合生元（婴儿双歧杆菌加寡糖）在改善一些与ASD相关的肠道相关合并症方面具有一定的前景。 3.4 益生素益生素是一种非活性实体，是细菌发酵的代谢产物，包括生物活性物质，如SCFA。最近描述了肠道微生物组和SCFA对代谢特征和疾病的影响。关于脑健康，临床前研究描述了SCFA复方制剂（醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐的混合物）给予心理社会应激小鼠的抗焦虑作用。给予大鼠丙酸可导致孤独症样表型。在一项人体干预性研究中，使用菊粉-丙酸酯可增加结肠中的丙酸盐生成，进行脑成像以确定对食物图片评价任务的反应，结果显示，处理组纹状体中的预期奖赏反应减少。因此，可以通过补充此类生物活性来针对行为是合理的。肠道肽在影响行为方面具有明确的作用，在压力、焦虑和抑郁中也具有一定的作用。虽然技术问题可能阻碍直接使用肠肽作为肠-脑轴信号的干预，但靶向特定的微生物群以便调节特定的肠肽可能是一种有用的心理生物质疗法。 3.5 发酵食品发酵食品含有益生菌、益生元和细菌来源的生物活性物质。研究发现，发酵乳饮料在情绪处理和压力方面会带来积极的益处。一项在女性中进行的大队列、横断面研究发现，更健康的饮食模式与更好的一般健康评分相关，并降低了焦虑和抑郁结局的发生率。22项研究的荟萃分析也显示，随着地中海饮食依从性的增加，抑郁和认知障碍的风险降低，包括患AD的风险。最近发表的一项对14项观察性研究的荟萃分析描述了抑郁风险与坚持地中海饮食之间无显著相关性，但在人群中确实发现了与抑郁几率的相关性。这仍需要对富含潜在精神生物的饮食的益处进行更多的前瞻性饮食研究，以充分阐明关于压力、焦虑和抑郁结果的潜在益处。显然，人们对利用健康饮食对精神病人群的益处越来越感兴趣。地中海饮食包括许多富含精神生物的元素，特别是益生元。这种添加发酵食品和后生元等物品的饮食组合对微生物-肠脑轴信号的调节有益。这种饮食在减轻压力、焦虑和抑郁症状方面的潜在益处值得研究。 4 药物和微生物互相影响虽然抗生素治疗对肠道微生物组有较大的影响，但最近的多项研究强调了肠道微生物组研究中其他药物的潜在混杂效应。尤其是，一项关于T2DM的研究确定，二甲双胍（一种常用的降糖药物）是T2DM患者肠道菌群特征发生大部分改变的原因。质子泵抑制剂（PPI）对肠道菌群的影响已被充分描述。此外，多种非抗生素药物已被确定具有抗菌特性，包括几种精神药物，可能至少部分通过改变微生物特征或通过激活微生物-肠-脑轴信号发挥其有益或不良反应。总体而言，在任何关于药物在体内作用机制以及与有益或不良反应关系的研究中都需要考虑肠道菌群。可以利用肠道菌群在许多情况下提供新的治疗选择或限制其他情况下的代谢副作用，如抗精神病药物，肠道菌群甚至可能是某些药物在其他情况下疗效下降的原因。 5 潜在心理生物制剂的筛查筛选微生物组以鉴定其是否可调节神经的传导涉及一个与传统药物筛选非常不同的过程（图3）。第一步是新鲜粪便采样，将所得新鲜细菌铺板于特定琼脂培养基中，并挑取菌落。然后使用基因组测序鉴定菌株。虽然某些菌属的菌株已经被认为是安全的，但其他新的益生菌在被批准使用之前需要进行广泛的分析。 图3 筛选潜在的精神生物质治疗。从鉴定感兴趣的菌株开始，然后进行一组测试，以确定是否对微生物-肠-脑轴信号有积极影响。
 一旦选择了菌株，除了体外细胞试验外，它们还可用于一组试验，如酶试验，由此将目标细胞与不同浓度的益生菌候选物共同孵育。根据目标细胞类型，可监测细胞的生长、形态和抗炎细胞因子和其他生物活性（如SCFA、神经递质和激素）的生成。如果候选益生菌在这些因素中的任何一个方面表现出特殊的益处，那么益生菌可以用于临床前体内测试，并可以进行进一步的安全性分析。需要仔细考虑干预的时机和方式。通常会进行一组进一步的行为测试，以确定是否可以阐明任何抗焦虑或抗抑郁表型。 

结论

在大量的神经疾病中观察到的肠道菌群改变可能在症状表达中起因果作用，并且用于治疗这些疾病的许多药物可能对我们的肠道微生物的多样性有益或有害，这使得我们在研发、评价和选择药物治疗疾病时考虑更多的方面。此外，越来越多的证据表明肠道微生物中含有大量可改善宿主精神状态的菌株，那么对于其是否可作为益生菌的研究还需要进一步完善。当然，直接靶向肠道微生物组是新一代治疗的一个好的选择。微生物-肠-脑轴信号的靶向改变为许多心理和精神疾病辅助治疗提供了一个治疗机会。挖掘肠道微生物组中潜在的心理生物制剂可能为开发这些新的干预措施铺平道路。