肠易激综合征肠道菌群失调与脑-肠轴调节紊乱的相关性*

尹晓岚 王凤云 田亚欣 段园志 唐旭东

中国中医科学院西苑医院脾胃病科(100091)

肠易激综合征肠道菌群失调与脑-肠轴调节紊乱的相关性*

尹晓岚 王凤云 田亚欣 段园志 唐旭东#

中国中医科学院西苑医院脾胃病科(100091)

肠易激综合征(IBS)是一种临床较为常见的功能性胃肠病。目前针对IBS发病机制的研究多集中于遗传易感性、社会心理应激、内脏高敏感、脑-肠轴调节紊乱、肠道菌群失调、肠道黏膜免疫异常等方面。本文就IBS肠道菌群失调与脑-肠轴调节紊乱的关系作一综述。

肠易激综合征； 肠道菌群； 脑-肠轴

肠易激综合征(irritable bowel syndrome, IBS)是以反复腹痛或腹部不适为主伴排便习惯改变的一类功能性胃肠病[1]。IBS的发病率可达10%～20%，以女性为主，可明显降低患者的生活质量[2]。目前IBS发病机制的研究多集中于遗传易感性、社会心理应激、内脏高敏感、脑-肠轴调节紊乱、肠道菌群失调等方面。由于症状诊断的局限性，部分患者的症状是在肠道急性感染后逐渐出现并持续反复发作，称之为感染后IBS(post-infectious IBS, PI-IBS)，其往往存在肠道低度炎症，与肠道黏膜免疫机制密切相关[3-4]。

继Whitehead等[5]发现IBS患者直乙状结肠对球囊扩张较普通人更为敏感，提出了外周存在某种机制调节肠道壁受体的敏感性假说后，越来越多的学者开始关注脑-肠轴的作用，大量研究已证实中枢神经系统(central nervous system, CNS)与胃肠道的双向活动在肠道运动、吸收、分泌等中起有重要作用[6]。随着人类微生物组计划(HMP)和人体肠道元基因组计划(MetaHIT)的启动，肠道菌群在胃肠道正常生理活动中的作用逐渐引起重视。本文就IBS肠道菌群失调与脑-肠轴调节紊乱的相关性作一综述。

一、IBS与肠道菌群失调的相关性研究

肠道菌群失调与IBS的发病密切相关，目前的研究集中于小肠细菌过度生长(small intestinal bacterial overgrowth, SIBO)和肠道菌群多样性改变对IBS的影响。

1. IBS与SIBO：目前对IBS是否一定存在SIBO仍有争议，主要原因为诊断手段的不一致、结果判读的不准确性以及缺乏统一的临床诊断标准。呼气试验和小肠液细菌培养是目前主要的检测手段。乳果糖氢呼气试验(LHBT)诊断IBS患者SIBO的阳性率为10%～84%[7]，但易产生假阳性结果。此外，由于部分IBS患者体内存在产甲烷古菌，可通过将氢气转换为甲烷导致呼气试验结果出现假阴性。李宁宁等[8]通过LHBT结合甲烷呼气试验检测IBS患者和健康人，结果显示IBS组的SIBO阳性率显著高于对照组，呼气中甲烷浓度与氢气浓度呈显著线性相关，但检测甲烷对非便秘型IBS患者SIBO的补充价值有限。Shah等[9]的meta分析认为呼气试验结果阳性并不能明确SIBO的存在，异常的发酵时间和呼气动态测试仅表明IBS患者肠道内菌群的异常分布。

Mathur等[10]将792名受试者依据呼气试验结果分为正常组、氢呼气试验阳性组(H+)、甲烷呼气试验阳性组(M+)以及甲烷和氢呼气试验阳性组(M+/H+)，发现各组年龄的差异有统计学意义，而性别无明显差异，若将年龄因素作为一个混杂变量后，结果显示M+/H+组的体重指数和体脂率较其余组别更高(P<0.05)，提示LHBT结合甲烷呼气试验的结果与体重和体脂率存在相关性。此外，一项横截面研究[11]表明，将受试者根据年龄和体重指数分组，组间LHBT阳性结果无明显差异；在女性受试者中，随着年龄的增高，LHBT阳性率逐渐增高，而在男性受试者中的结果则相反，表明LHBT结果与性别和年龄存在相关性。因此，呼气试验虽然在临床上广泛使用，但因影响因素众多，其对SIBO的诊断具有一定局限性，故SIBO的检测手段尚需进一步改良和发展。

2. IBS与肠道菌群多样性改变：2002年HMP研究发现正常人同一个体不同生境(如口腔、肠道、阴道等)微生物菌落存在差异，不同个体相同生境的微生物菌落数量和结构亦大不相同，虽然菌群分布存在多样性，但宏基因组研究揭示不同个体的代谢通路较为稳定一致[12]。IBS患者的肠道菌群结构、数量、分布与正常人均存在差异。Codling等[13]发现IBS患者肠道菌群的多样性低于正常人，可能是SIBO抑制结直肠细菌多样性或肠道低度炎症反应所致。该研究还发现IBS患者肠道内菌群与肠黏膜菌群的组成无明显差异，表明IBS对不同生位态的菌群组成无影响，但与正常人相比，IBS患者肠道内菌群的组成有所改变。Noor等[14]比较IBS患者和正常人肠道菌群多样性和结构变化发现，正常组的条带数显著高于IBS组，提示IBS组肠道内特定优势菌属种类较正常组可能减少或缺失；此外，正常组多样性指数显著高于IBS组，进一步证实IBS组患者肠道微生物多样性(包括种类和丰度)较正常组有所降低。相似性分析结果表明对照组中位相似系数显著高于IBS组，说明IBS患者肠道优势菌属较正常组发生了明显生物学差异。Hynönen等[15]的研究在腹泻型IBS患者肠道中发现了一类丰度极高、严格厌氧的新型菌种，其16S rRNA序列与Ruminococcustorques和Ruminococcuslactaris存在94%的相似度，初步提示这种菌属可能是IBS患者出现腹泻的重要因素。目前由于临床诊断方法、检测手段和患者如年龄、性别、人种的不同，尚未发现IBS肠道菌群改变的特异性生物学标记物[16]。

二、肠道菌群与脑-肠轴的双向调节

脑-肠轴在胃肠道与消化系统之间起双向调节的作用，肠道内多种微生物与脑-肠轴存在重要交互关系，两者相互影响、联系，共同参与调控胃肠道神经、内分泌、免疫功能，维持消化道内稳态。因此，可将CNS、自主神经系统(autonomic nervous system, ANS)、肠神经系统、消化道和肠道菌群视为一个整体。信号在脑-肠-菌轴中的转导包括传入纤维投射至CNS和传出纤维投射至肠壁平滑肌细胞，这种双向作用关系组成了下-上调节(down-top)和上-下调节(top-down)体系[17]。

1. 下-上调节：肠道菌群可通过肠黏膜上皮细胞、受体介导的信号转导通路，甚至肠黏膜通透性增高时细菌对固有层的直接刺激进行下-上调节[18]。肠道内分布的传入神经元主要分为两大类：一类是外源性传入神经元，包括脊髓初级传入神经元和迷走神经初级传入神经元；另一类是内在初级传入神经元(IPANs)。肠道机械性刺激如牵拉、压力和侧切力的改变可直接激活外源性初级传入神经元和IPANs，而肠道菌群可通过刺激集合淋巴小结、肠道上皮细胞或肠道固有层中的中间细胞(包括肠道内分泌细胞和肠嗜铬细胞)产生各种信号分子如脑-肠肽和胺类物质等作用于外源性初级传入神经元胞体上的特异性受体而发挥作用[19]。值得注意的是，肠道菌群除直接刺激与之相邻的肠上皮细胞、免疫细胞或神经细胞，还可通过释放某些特定的信号分子如肠道菌群代谢产物、病原体相关分子模式和细菌相关分子模式刺激远位器官[20]。目前尚未发现IPANs与外源性传入神经元有直接的突触连接，IPANs将信号传递至肠肌间神经节，而外源性初级传入神经元则在肠肌间神经节周围形成网状结构，其可与脊髓背角板层Ⅰ上的背角神经元和迷走神经孤束核神经元胞体形成突触联系。孤束核接受迷走神经输出信号上传至脑桥头端背外侧小脑上脚的臂旁核并发出纤维投射至岛叶[21]。肠道菌群代谢产物既可通过上述通路发挥作用，也可进入血液循环作用于全身。但其对宿主的潜在效应目前尚未明确。然而，病原体相关分子模式和危险信号相关分子模式的激活在肠道菌群对CNS的刺激过程中起有重要作用，主要包括脂多糖(LPS)和肽聚糖，可分别激活Toll样受体4(TLR4)和NOD1或NOD2。LPS可通过激活NOD1从肠道进入血液中，影响骨髓中性粒细胞生长以增强机体抵抗细菌感染的能力；而LPS携带肠道菌群发出的信号穿透黏膜间屏障，一方面可直接进入血液循环作用于CNS；另一方面可通过激活肠黏膜免疫系统产生相关细胞因子，通过上述通路(激活外源性传入神经元)到达臂旁核以影响CNS[20]。

2. 上-下调节：脑-肠轴可看作是一类等级明确、分层递进的内稳态反应体系。大脑对消化道的经典调控主要通过多种平行下行通路，除交感神经和迷走神经ANS两大分支外，还包括下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴、参与调节肠道相关淋巴组织的交感-肾上腺轴以及调节脊髓反射和背角兴奋性的下行单胺能投射通路。在大脑情感中枢和内脏感觉中枢的调控下，内侧额前皮质区接受外侧额前皮质和额眶叶皮质区的信号投射，后者可整合包括与消化道相关的摄食行为、内脏疼痛等感觉信号，将信号输入至岛叶和前扣带回皮质。然后经由两个重要的皮质下中枢下丘脑和杏仁核将信号整合后，一方面传递至中脑导水管周围灰质，后者又将信号传输至延髓腹外侧和延髓腹内侧的自主神经效应区，参与ANS信号转导；另一方面则可输出至垂体参与神经内分泌调节。此外，前扣带回皮质还可直接通过前膝部发出纤维投射至导水管周围灰质，或投射至迷走神经脊髓背角运动核直接作用于肠神经系统[21-22]。因此，上-下调节是由于大脑面对环境刺激时，产生无论正面/负面情绪，对原先肠道发出的信号产生的回忆，包括内源性疼痛信号记忆，进而通过下行信号转导通路调节胃肠动力、分泌、肠黏膜通透性和信号分子的肠腔内释放而影响肠道菌群[18]。

三、IBS与脑-肠-菌轴调节紊乱

大脑内的神经网络中，皮质-边缘系统-脑桥系统对消化道内稳态的调节与情感控制密切相关，被称为情感运动系统(EMS)，可参与调控胃肠道自主运动、神经内分泌和疼痛调节。IBS患者常存在焦虑、抑郁等异常心理状态，常被认为是一类身心紊乱性疾病，与EMS调节紊乱密切相关。近来有研究[23]运用功能性磁共振成像发现IBS患者意识、疼痛调节区和躯体感受区(左侧额上回、右侧海马、右侧额中回、同侧中央后回、右侧颞极)的静息态低频振幅降低，而左扣带回内侧和左距状沟低频振幅增高，全功能连续性分析提示扣带回与额皮质间功能连接增强。另有研究[24]表明女性IBS患者双侧额上回、双侧岛叶、双侧杏仁核、双侧海马、双侧眶额叶中回、左侧扣带回、左侧齿状回、脑干和左侧壳核处灰质容积较正常人减小，而左侧中央后回灰质容积较正常人增大。因此，EMS中的内源性疼痛调节区域和中枢感觉放大区域被认为是IBS大脑网络结构出现异常的中心位置。从CNS到ANS，疼痛感受神经元位于背根神经节中，其可发出神经末端穿过肠道肌层、黏膜下层、黏膜层以感受肠腔内压力、pH值改变以及细菌产物、免疫细胞释放物质的产生等肠道内环境的变化[25]。另一方面，肠道菌群可参与EMS异常的调节。2004年Sudo等[26]即发现无菌(GF)小鼠较无特定病原体(SPF)小鼠ACTH和皮质酮水平增高，且脑源性神经营养因子表达明显减少，当早期给予SPF小鼠粪便定植肠道菌群可明显改善HPA轴高激活状态，说明共生菌可影响出生后小鼠HPA轴的应激反应。目前有观点认为肠道菌群可能作为一种内分泌组织，在应激反应中起关键的调控作用。

肠黏膜单层柱状上皮细胞是宿主结缔组织与肠道微生物之间的天然生理屏障，是防止肠道微生物向内侵袭的第一道防线。对于人体而言，肠道菌群可分为潜在的致病菌和有益的共生菌，因此黏膜免疫系统需对肠道共生菌的免疫耐受和致病菌的免疫激活具备精密的调节作用，而PI-IBS患者多数存在肠道低度炎症，可能与这种免疫稳态的破坏相关[4]。肠道共生菌对于肠道免疫系统至关重要，其可通过参与维持促炎和抑炎T细胞的平衡，保持肠道内稳态。GF小鼠是一种具备不发达肠道免疫系统的动物模型，其固有层内CD4+细胞和IgA明显减少，集合淋巴结发育不完善。已有研究发现向GF小鼠肠道内植入脆弱拟杆菌、节丝状菌、梭状菌属等肠道共生菌，可增加肠道固有层内Tregs细胞、Th17细胞等免疫细胞数量，在结肠炎模型中抑制自免疫反应过度激活[27]。分子机制研究发现固有免疫细胞的模式识别受体可识别不同致病菌，包括TLR、NODs或NaLPs等，如IBS不同亚群患者存在不同TLR家族蛋白受体的异常表达，而最终又可通过增加一系列致炎因子IL-8、IL-1β表达启动细胞内信号通路[28]。因此，肠道菌群结构改变如共生菌的减少和致病菌的增加可激活肠道免疫反应。此外，肠道炎症与脑-肠轴调节异常相关。Ghia等[29]发现结肠炎小鼠经治疗后再次诱导抑郁可激活炎症反应，考虑与烟碱型乙酰胆碱受体α7亚基缺失有关，胆碱能抑制功能受损，巨噬细胞分泌促炎因子，引发抑郁诱导型结肠炎。Barouei等[30]的研究利用Wistar大鼠制备IBS模型，造模前给予母鼠益生菌，可改善造模后子鼠HPA轴的异常激活，减少肠道免疫反应。因此，肠道菌群与脑-免疫-肠轴可能存在联系，但目前脑-肠-菌轴失调与PI-IBS低度炎症的相关机制研究尚欠缺。

四、结语

IBS对症治疗如止痉、膨胀剂、止泻、抗抑郁、行为指导等的疗效不佳，评价等级仅为B级；而5-HT4受体激动剂替加色罗和5-HT3受体激动剂阿洛司琼评价等级可达A级，提示针对发病机制的治疗手段才能取得最优的效果[31]。肠道菌群失调是IBS发病机制之一，但临床上益生菌、益生元和非吸收类抗菌药物的总体有效率并非最优[7]。随着对脑-肠-菌轴研究的深入，可认为其紊乱是IBS发病机制中的重要环节，恢复脑-肠-菌轴正常调节状态对IBS的治疗具有重要意义。然而脑-肠-菌轴的调节机制极其复杂，涉及多个通路、信号分子的异常激活表达，其生物学基础尚未完全明确。进一步深入探讨脑-肠-菌轴的异常调节在IBS发病中的作用对于发现新的药物作用靶点从而提高IBS的疗效可提供强有力的佐证。

1 Drossman DA. The functional gastrointestinal disorders and the Rome Ⅲ process[J]. Gastroenterology, 2006, 130 (5): 1377-1390.

2 Canavan C, West J, Card T. The epidemiology of irritable bowel syndrome[J]. Clin Epidemiol, 2014, 6: 71-80.

3 石卉，万军，刘文徽，等. 感染后肠易激综合征与非感染后肠易激综合征临床差异分析[J]. 中华内科杂志, 2015, 54 (4): 326-329.

4 Thabane M, Marshall JK. Post-infectious irritable bowel syndrome[J]. World J Gastroenterol, 2009, 15 (29): 3591-3596.

5 Whitehead WE, Holtkotter B, Enck P, et al. Tolerance for rectosigmoid distention in irritable bowel syndrome[J]. Gastroenterology, 1990, 98 (5 Pt 1): 1187-1192.

6 Camilleri M, Di Lorenzo C. Brain-gut axis: from basic understanding to treatment of IBS and related disorders[J]. J Pediatr Gastroenterol Nutr, 2012, 54 (4): 446-453.

7 Pimentel M, Lezcano S. Irritable bowel syndrome: Bacterial overgrowth -- what’s known and what to do[J]. Curr Treat Options Gastroenterol, 2007, 10 (4): 328-337.

8 李宁宁，王智凤，费贵军，等. 氢气结合甲烷气呼气试验检测肠易激综合征患者小肠细菌过度生长[J]. 胃肠病学和肝病学杂志, 2015, 24 (6): 683-687.

9 Shah ED, Basseri RJ, Chong K, et al. Abnormal breath testing in IBS: a meta-analysis[J]. Dig Dis Sci, 2010, 55 (9): 2441-2449.

10 Mathur R, Amichai M, Chua KS, et al. Methane and hydrogen positivity on breath test is associated with greater body mass index and body fat[J]. J Clin Endocrinol Metab, 2013, 98 (4): E698-E702.

11 Newberry C, Tierney A, Pickett-Blakely O. Lactulose hydrogen breath test result is associated with age and gender[J]. Biomed Res Int, 2016, 2016: 1064029.

12 Human Microbiome Project Consortium. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome[J]. Nature, 2012, 486 (7402): 207-214.

13 Codling C, O’Mahony L, Shanahan F, et al. A molecular analysis of fecal and mucosal bacterial communities in irritable bowel syndrome[J]. Dig Dis Sci, 2010, 55 (2): 392-397.

14 Noor SO, Ridgway K, Scovell L, et al. Ulcerative colitis and irritable bowel patients exhibit distinct abnormalities of the gut microbiota[J]. BMC Gastroenterol, 2010, 10: 134.

15 Hynönen U, Rasinkangas P, Satokari R, et al. Isolation and whole genome sequencing of aRuminococcus-like bacterium, associated with irritable bowel syndrome[J]. Anaerobe, 2016, 39: 60-67.

16 De Palma G, Collins SM, Bercik P. The microbiota-gut-brain axis in functional gastrointestinal disorders[J]. Gut Microbes, 2014, 5 (3): 419-429.

17 Slim M, Calandre EP, Rico-Villademoros F. An insight into the gastrointestinal component of fibromyalgia: clinical manifestations and potential underlying mechanisms[J]. Rheumatol Int, 2015, 35 (3): 433-444.

18 Rhee SH, Pothoulakis C, Mayer EA. Principles and clinical implications of the brain-gut-enteric microbiota axis[J]. Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 2009, 6 (5): 306-314.

19 Keita AV, Söderholm JD. The intestinal barrier and its regulation by neuroimmune factors[J]. Neurogastroenterol Motil, 2010, 22 (7): 718-733.

20 Holzer P, Farzi A. Neuropeptides and the microbiota-gut-brain axis[J]. Adv Exp Med Biol, 2014, 817: 195-219.

21 Mayer EA. Gut feelings: the emerging biology of gut-brain communication[J]. Nat Rev Neurosci, 2011, 12 (8): 453-466.

22 Mayer EA. The neurobiology of stress and gastrointestinal disease[J]. Gut, 2000, 47 (6): 861-869.

23 Ma X, Li S, Tian J, et al. Altered brain spontaneous activity and connectivity network in irritable bowel syndrome patients: A resting-state fMRI study[J]. Clin Neurophysiol, 2015, 126 (6): 1190-1197.

24 Labus JS, Dinov ID, Jiang Z, et al. Irritable bowel syndrome in female patients is associated with alterations in structural brain networks[J]. Pain, 2014, 155 (1): 137-149.

25 Moloney RD, Johnson AC, O’Mahony SM, et al. Stress and the microbiota-gut-brain axis in visceral pain: Relevance to irritable bowel syndrome[J]. CNS Neurosci Ther, 2016, 22 (2): 102-117.

26 Sudo N, Chida Y, Aiba Y, et al. Postnatal microbial colonization programs the hypothalamic-pituitary-adrenal system for stress response in mice[J]. J Physiol, 2004, 558 (Pt 1): 263-275.

27 Rogier R, Koenders MI, Abdollahi-Roodsaz S. Toll-like receptor mediated modulation of T cell response by commensal intestinal microbiota as a trigger for autoimmune arthritis[J]. J Immunol Res, 2015, 2015: 527696.

28 Belmonte L, Beutheu Youmba S, Bertiaux-Vanda⊇le N, et al. Role of toll like receptors in irritable bowel syndrome: differential mucosal immune activation according to the disease subtype[J]. PLoS One, 2012, 7 (8): e42777.

29 Ghia JE, Blennerhassett P, Deng Y, et al. Reactivation of inflammatory bowel disease in a mouse model of depression[J]. Gastroenterology, 2009, 136 (7): 2280-2288. e1-e4.

30 Barouei J, Moussavi M, Hodgson DM. Effect of maternal probiotic intervention on HPA axis, immunity and gut microbiota in a rat model of irritable bowel syndrome[J]. PLoS One, 2012, 7 (10): e46051.

31 American College of Gastroenterology Functional Gastrointestinal Disorders Task Froce. Evidence-based position statement on the management of irritable bowel syndrome in North America[J]. Am J Gastroenterol, 2002, 97 (11 Suppl): S1-S5.

(2016-04-14收稿；2016-05-04修回)

Correlation between Dysbiosis of Intestinal Microbiota and Dysregulation of Brain-gut Axis in Irritable Bowel Syndrome

YINXiaolan,WANGFengyun,TIANYaxin,DUANYuanzhi,TANGXudong.

DepartmentofGastroenterology,XiyuanHospitalofChinaAcademyofChineseMedicalScience,Beijing(100091)

TANG Xudong, Email: txdly@sina.com

Irritable bowel syndrome (IBS) is a common functional gastrointestinal disease, relevant investigations on pathogenesis of IBS mainly focus on genetic susceptibility, social psychological stress, visceral hypersensitivity, dysregulation of brain-gut axis, dysbiosis of intestinal flora, and dysimmunity of intestinal mucosa. This article reviewed the correlation between dysbiosis of intestinal microbiota and dysregulation of brain-gut axis in IBS.

Irritable Bowel Syndrome; Intestinal Microbiota; Brain-Gut Axis

10.3969/j.issn.1008-7125.2017.01.014

*本课题为“十二五”国家科技支撑计划基金资助项目(No.2013BAI02B05)

#本文通信作者，Email: txdly@sina.com