肠道菌群与药物成瘾及相关神经精神疾病关系的研究进展

陈志杰，李 婵，周玉婷，朱 晨，李汉成，霍楚莹，罗超华，莫志贤

(南方医科大学中医药学院中药药理学教研室，广东 广州 510515)

目前，药物成瘾已成为当今世界性的社会问题和严重的公共卫生问题，在全世界范围内造成了巨大的经济和社会负担。近年来，国内外研究人员从中枢神经系统的分子、核团、脑区等多个层面来解析成瘾和复吸的原因，并取得了一些令人瞩目的进展，如脑源性神经营养因子(brain-derived neurophic factor, BDNF)在成瘾中的差异化作用、成瘾过程中沉默突触的形成和成熟、成瘾的表观遗传学作用、非编码RNA和外泌体对药物依赖的调控等。但在药物成瘾治疗研究方面仍处于瓶颈阶段，目前仍然缺乏有效降低复发率的治疗措施，成瘾传统治疗仍有较大局限性和副作用，不能有效降低成瘾者的心理渴求。药物美沙酮、复方丁丙诺啡等虽然已经广泛应用于临床，但美沙酮具有成瘾风险，对新型毒品如苯丙胺类滥用治疗无效；丁丙诺啡具有封顶效应等，限制了药物治疗作用的有效发挥。因此，研制新型抗成瘾药物和寻找新的治疗方法仍是解决成瘾问题值得期待的有效途径之一。

人体肠道菌群是一个复杂庞大的生态系统，肠道菌群总数量大约是人体细胞总数的10倍，它们与宿主存在着共生关系，共同维护宿主的生理平衡[1]。研究发现，哺乳动物大脑和肠道间存在双向信息交流，这种在不同层次上将胃肠道与中枢神经系统联系起来的神经-内分泌网络被称为肠-脑轴，包括中枢神经系统、自主神经系统、肠道内神经系统、神经内分泌系统、免疫系统等结构。大脑可通过此轴影响胃肠功能，胃肠活动也可经此轴对中枢神经产生影响，以实现胃肠道与大脑之间紧密连接的双向神经体液交流。肠道菌群与大脑之间可通过肠-脑轴进行沟通，并调节大脑的发育和改变宿主的行为。因此，De Palma等[2]将肠道菌群和中枢神经系统间的相互作用命名为“微生物-肠-脑轴”。随着肠道微生物在神经精神系统疾病中的重要作用不断被揭示，肠道菌群成为当前脑科学研究的热点课题。已有研究表明，肠道菌群参与调控大脑发育、应激、焦虑、抑郁、认知等中枢神经系统活动[3-5]。此外，肠道菌群能影响人类的欲望及情绪，菌群可以通过改变迷走神经的神经信号，改变味觉受体，产生毒素使机体感觉不好，或者释放奖励类化学信号使机体感觉良好，以操纵机体行为和情绪的改变[6]，而行为和情绪变化对毒品成瘾至关重要，应激、焦虑、抑郁等则是成瘾发展的风险因素。因此，正确理解肠道菌群对宿主的影响，能使我们对行为和情绪的调控方式有全新和全面的认识，对于防治神经精神性疾病，干预药物成瘾的发生、发展都具有重要指导意义。本文就近年来肠道菌群与药物成瘾，及其相关神经精神疾病之间关系的研究进展做一综述。

1 肠道菌群与神经精神疾病的关系

1.1肠道菌群与抑郁症抑郁症是一种常见的危及生命并且高度复发的疾病，也是世界范围内致残的主要来源。尽管抗抑郁药物广泛用于治疗抑郁症状，但30%～40%的患者对当前的药物治疗策略没有反应[7]。Jiang等[8]分析了46例抑郁症患者[29例活动性抑郁症(active-major depressive disorder, A-MDD)和17例反应性抑郁症(reactive-major depressive disorder , R-MDD)]和30例健康对照(healthy control, HC)的粪便样本。与HC组相比，A-MDD组和R-MDD组中的拟杆菌、变形杆菌和放线菌的水平明显增加，而厚壁菌则明显减少。另外，MDD组的肠杆菌科和另枝菌属(Alistipes)水平增加，粪杆菌属(Faecalibacterium)降低，其中粪杆菌属与抑郁症状严重程度之间呈负相关。这些发现使得能够更好地理解抑郁症患者中粪便微生物群组成的变化。Kelly等[9]分别从抑郁症患者和健康对照者的粪便中制备微生物群，并将其移植到微生物群缺陷大鼠模型中，通过观察比较发现，抑郁症与肠道微生物群落丰富性和多样性减少有关，其中与健康对照组相比，抑郁症患者肠道内普雷沃菌科(Prevotellaceae)和普氏菌属(Prevotella)明显减少。抑郁症患者粪便中的微生物群能诱导大鼠产生抑郁症的行为和生理学特征，包括快感缺乏和焦虑样行为，以及色氨酸代谢的改变。Zheng等[10]研究肠道菌群与重度抑郁症(major depressive disorder, MDD)的关系，首先使用16S rRNA基因测序，对58名MDD患者和63名健康对照的肠道微生物群落进行分析比较，以厚壁菌(Firmicutes)、放线菌(Actinobacteria)、拟杆菌(Bacteroidete)的相对丰度变化为特征，发现MDD组与健康对照组存在明显差异；然后进行粪便微生物群移植，发现与健康对照组相比，来自MDD患者的微生物能使无菌小鼠产生抑郁样行为；对含有“抑郁症微生物群”的小鼠进行宏基因组学和代谢组学分析，以检查肠道微生物群如何影响宿主代谢，发现其微生物基因表达和宿主代谢发生紊乱，如碳水化合物和氨基酸代谢。该研究表明，肠道微生物组的生态失调，可能通过宿主代谢介导的途径，在抑郁样行为的发展中起作用。

1.2肠道菌群与自闭症自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder, ASD)是一种严重的神经发育疾病，其特征是刻板行为、语言发育障碍和社会交往方面的缺陷。自闭症患者常常存在胃肠道症状，如腹痛、腹泻、便秘等，并通常伴随肠道菌群改变，其中放线菌属和拟杆菌属丰度明显提高[11]。Hsiao等[3]研究发现，小鼠模型中胃肠道屏障缺陷和微生物群的改变，能引起ASD；口服人类共生菌脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)能纠正肠道的通透性、改变微生物的组成，并改善与ASD相关的沟通障碍、刻板、焦虑样行为和感觉运动行为缺陷。这些发现支持ASD的肠道微生物群-脑连接，并提示肠道的益生菌将成为自闭症的行为症状的潜在治疗方式。

1.3肠道菌群与阿尔茨海默病(Alzheimer′sdisease,AD) AD是最常见的神经退行性疾病。现代研究表明[12]，AD主要是由两个因素引起的疾病：一是神经纤维缠结(neurofibrillary tangle, NFT)，主要由tau蛋白引起；另一种是由β-淀粉样蛋白(amyloid protein β, Aβ)引起的，使大脑细胞外产生老年斑和脑血管淀粉样变性。目前认为主要由这两种因素导致神经元退化或死亡，促使AD的发生。近年来，关于肠道菌群和AD的研究逐渐被报道。Zhang等[13]比较了严格控制的无特定病原体条件下，不同年龄的野生型和AD模型小鼠的粪便微生物组和粪便短链脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)组成，并且还对肠道结构进行了微观研究。结果表明，AD小鼠的微生物群组成和多样性受到干扰，并且AD小鼠中SCFAs水平降低，预测超过30种代谢途径的改变，这可能与AD小鼠肠中的淀粉样蛋白沉积和超微结构异常有关。这些发现表明，AD病理改变可能不仅直接影响脑功能，而且还可以改变肠道淀粉样蛋白沉积，并诱导肠道微生物群的改变，从而降低SCFAs水平，加剧认知缺陷。严重的淀粉样变性和斑块局部神经炎症是AD的关键病理特征。有临床研究报道[14-15]，服用双歧杆菌、乳酸菌可调节肠道菌群的微生态，改善AD患者的认知能力，其机制可能与肠道菌群能够产生外源性聚胺有关。聚胺不仅能够抑制炎症因子产生，还具有抗氧化作用。肠道微生物可以调节色氨酸的代谢，进一步影响体内5-羟色胺的含量，代谢产物促进肠内分泌细胞分泌血清素，从而调节AD神经递质的平衡。这些研究数据可能支持肠道微生物群的作用，并提示AD治疗干预的新途径。

1.4肠道菌群与帕金森病(Parkinson′sdisease,PD) PD是一种常见的神经退行性疾病，通常影响运动系统，但也与运动性唾液、便秘、抑郁症、睡眠障碍、冷漠、幻觉、痴呆等非运动症状复合症相关。Scheperjans等[16]发表了关于PD中肠道微生物群组成变化及其与临床表型之间关系的研究报告。他们发现与正常对照组相比，PD患者中Prevotellaceae菌家族的丰度有所降低。作为共生物的Prevotellaceae菌参与肠黏膜层黏蛋白合成及通过纤维发酵产生神经活性SCFAs。因此，Prevotellaceae菌丰度减少可以导致黏蛋白合成减少和肠道通透性增加，导致局部和全身更容易暴露于细菌抗原和内毒素之中，这又会引发或维持结肠中过度的α突触核蛋白表达，甚至促进其错误折叠，引起PD；同时在小鼠疾病模型和PD患者中，能观察到肠道通透性的改变[17]。PD患者非运动症状包括抑郁、焦虑、淡漠等精神异常症状，已有大量临床或动物研究证明，抑郁、焦虑等精神疾病存在微生物-肠-脑轴调节异常，并且益生菌治疗后可得到一定改善。遗憾的是，直接使用益生菌治疗PD的报道尚不多见。

目前，大多数动物实验已经研究了肠道菌群在情绪焦虑症模型中的作用，但重要的是，药物滥用和情绪焦虑症在人群中是高度共存的[18]。肠道菌群在神经精神疾病上的突破，给我们研究治疗药物成瘾提供了一种思路。

2 肠道菌群与药物成瘾的关系

2.1肠道菌群与酒精依赖Leclercq等[19]研究发现，酒精依赖心理状况与胃肠功能障碍相关，进一步研究发现，这与肠道微生物失调、肠道通透性密切联系，具体表现在与酒精依赖患者的抑郁、焦虑和酒精渴求严重程度相关联，酒精依赖患者戒断过程中肠道菌群构成发生改变。给予大鼠腹腔注射抗生素后，肠道菌群发生改变，并且能改善酒精戒断症状[20]。Xiao等[21]利用慢性酒精中毒和戒断的小鼠模型，研究酒精摄入是否能引起肠道菌群组成改变以及酒精戒断引起的焦虑和行为改变。研究发现，酒精的摄入没有改变细菌的丰度，但改变了肠道菌群的组成；将酒精中毒和戒断小鼠的肠道菌群移植到正常小鼠，能使正常小鼠产生酒精戒断引起的焦虑行为。进一步研究发现，与酒精成瘾相关的BDNF、促肾上腺皮质激素释放激素Ⅰ 型受体(corticotropin releasing hormone receptor 1, CRHR1)和μ阿片受体基因1(μ-opioid receptor gene 1, OPRM1)的基因表达也通过移植来自酒精暴露供体的肠道微生物而改变。结果表明，肠道菌群组成的改变可能有助于改善酒精戒断引起的焦虑。Peterson等[22]建立了新的酗酒动物模型，采用不依赖于直接给肠道施用物质的方法，用乙醇蒸汽使小鼠产生酒精依赖，避免了酒精直接对肠道菌群产生的影响。将成年♂C57BL/6J小鼠暴露于慢性间歇气化乙醇(chronic intermittent vapourized ethanol, CIE)或空气(对照)饲养4周。在暴露结束后，收集粪便样品，进行16S rRNA测序和生物信息学分析。结果表明，CIE暴露明显改变小鼠的肠道微生物群，在CIE小鼠和对照之间观察到Alistipes属的明显增加，梭菌属IV与XIVb、Dorea和粪球菌Coprococcus明显降低。乙醇蒸汽的作用表明，在胃肠系统之外施用的其他滥用物质可潜在地改变肠道微生物群。当前酒精依赖的内在机制并未完全阐明，肠道微生物在酒精依赖上的研究受到广泛关注，这也将可能成为解决酒精依赖的途径。

2.2肠道菌群与甲基苯丙胺(methylamphetamine,METH)依赖Ning等[23]研究了摄入METH对大鼠肠道菌群的影响。通过16S rRNA基因测序分析了METH诱导的条件位置偏好(conditioned place preference, CPP)大鼠的肠道微生物概况。结果发现，METH CPP组的粪便微生物多样性略高。METH CPP组中产生丙酸的分枝杆菌属(Phascolarctobacterium)减少，而瘤胃球菌属(Ruminococcaceae)、芽孢杆菌、梭菌和气单胞菌增多。短链脂肪酸分析结果显示，在METH给药大鼠的粪便中，丙酸的浓度降低。这可能与瘤胃球菌属的减少相关。在METH CPP组中，瘤胃球菌属丰度明显高于对照组，其丰度的升高可能与METH对认知损害过程有正相关。迄今为止，还没有系统地研究肠道菌群对药物成瘾的影响，该研究是首次研究服用冰毒和肠道菌群变化之间的关系。仍然需要进一步的临床和体内研究，以更好地了解肠道菌群与药物滥用之间的联系机制，但这些发现表明，使用METH会引起肠道菌群的改变，肠道微生物群的操控可能是治疗药物成瘾的一种合理方法。

2.3肠道菌群与可卡因依赖Volpe 等[24]比较了可卡因吸食者和非可卡因吸毒者肠道菌群的组成，发现与非可卡因吸食者相比，吸食者有更高丰度的拟杆菌和较低丰度的硬壁菌，吸食可卡因会引起肠道菌群的改变。在Kiraly等[25]的研究中，探索了肠道菌群对可卡因介导的行为的影响。为了确定肠道菌群的改变是否影响可卡因引起的行为变化和分子反应，在可卡因处理前，在成年♂小鼠饮用水中加入了由4种非可吸收抗生素组成的鸡尾酒饲喂，实验组小鼠的肠道菌群明显减少，但肠道菌群的减少并没有改变可卡因代谢或者血清皮质酮的水平，这避免了非实验因素引起可卡因行为改变的可能。为了评估肠道菌群的抗生素的减少如何影响可卡因的应答特性，研究者在抗生素组和对照组的小鼠中对可卡因进行了无偏向CPP实验和运动敏化的测试，实验结果表明，肠道菌群减少的动物表现出对可卡因应答的敏感性增强，并且对可重复使用可卡因的运动敏化作用的敏感性增强。此外，该研究还检测了实验组小鼠的万古霉素血清浓度，结果提示上述实验的行为效应是由于肠道菌群减少引起的，而不是由4种非可吸收抗生素组成的鸡尾酒引起的全身作用。进一步研究发现，补充菌群发酵产物的SCFAs能逆转抗生素诱导的行为表型。为了检查与可卡因改变的行为敏感性相关的分子变化，研究评估了伏隔核中许多基因靶标的转录物，发现这些行为改变与编码大脑奖赏回路中重要突触蛋白的多个转录物的适应性相关。这项研究首次证明了肠道菌群的改变会影响对滥用药物的行为反应。目前，肠道菌群与可卡因摄入相关的研究报道极少，上述报道提示，利用益生菌和细菌代谢物的研究来确定调节微生物组，以减少服用可卡因行为，具有巨大转化研究的潜力。

3 总结与展望

越来越多的研究聚焦于肠道菌群相关领域，关注人类与肠道微生物共生的相互调控机制。肠道菌群对人类的有益作用可能为我们治疗相关疾病提供重要思路。综上所述，一方面，肠道菌群在神经精神疾病方面的研究被大量报道，其中也包括一些临床研究，发现调控肠道菌群对神经精神疾病进行治疗已经成为可能。另一方面，肠道菌群与宿主的成瘾行为密切相关。虽然中枢神经系统及神经细胞仍然是毒品成瘾最重要的功能单位，但肠道菌群对中枢神经系统的影响及作用不容忽视。借鉴神经科学和精神病学领域以外的先进方法，转变传统神经科学和成瘾科学的研究模式，系统地研究肠道菌群对中枢神经系统的影响及其与药物成瘾的关系，将为揭示毒品成瘾以及相关神经精神疾病的生物学机制、发现新的药物作用靶点提供大量有价值的参考信息，同时也为开发新药、建立新的防治策略提供科学依据。目前，肠道菌群与药物成瘾之间关系的研究仍处于初始阶段，大量的研究工作仍需进行。值得注意的是，在药物成瘾的发生、发展中，成瘾行为与神经精神性疾病往往同时存在。这给予我们明确的提示，药物成瘾与许多神经精神性疾病可能存在相似的神经环路机构和分子生物学基础。今后，我们可以借鉴“微生物-肠-脑轴”的研究模式，对肠道菌群在药物成瘾中的作用进行深入研究，这或许能为药物成瘾研究开启新的契机, 推动毒瘾医学的创新发展。