从蜜蜂肠道菌群到“脑病肠治”之遐想

楼泽亮，胡福良

（1.浙江大学药学院药物制剂1801 班，浙江 杭州 310058；2.浙江大学动物科学学院，浙江 杭州 310058）

1 引言

在人类农业文明的发展过程中，蜜蜂起着举足轻重的作用。作为全球范围内数量最大的授粉昆虫，蜜蜂的有效授粉对植物的生长繁殖有着重要作用，据调查显示，全球接近1/3 的农作物产量依赖于授粉昆虫和动物，且每年全球直接源于昆虫（其中主要为蜜蜂）授粉创造的价值预估有1 530 亿欧元[1]，占全世界总农业生产经济收入的9.5%[1]。

但是，近些年来蜜蜂的健康受到了极大的威胁，最引人注目的是2006年在美国开始发生的蜂群崩溃综合征（简称CCD），上万群蜂出现空巢的现象，工蜂损失率高达1/3[2]。导致CCD 发生的具体原因到目前为止仍无可知晓，但蜜蜂所受到生存环境的压力，如蜜蜂的生境破碎化以及外来物种的入侵会使CCD 情况更严重已经是板上钉钉。现如今，保护蜜蜂是迫在眉睫之事。

如何保护蜜蜂，如何防治蜜蜂疾病，一直以来是养蜂人最关注的话题。蜜蜂作为一种营社会性群体生活的昆虫，相比于独居性昆虫，其肠道微生物具有一定的独特性。近些年来，随着蜜蜂肠道微生物研究的逐步深入，越来越多的人将目光聚焦到探索肠道微生物与蜜蜂宿主的健康和疾病发生机制上[4]，期待从肠道微生物的角度解决蜜蜂疾病。而与蜜蜂相同的是，人类作为营社会性群体生活的生物，人类肠道中所共生的菌群也对人体的健康状态有着一定程度的影响，这很好地提示了“脑病肠治”可能会是治疗中枢系统退行性疾病的突破口。

2 蜜蜂肠道

2.1 肠道结构

顾名思义，生长、繁殖、衰老等一系列生命活动都发生在肠道中的菌群称之为肠道菌群。蜜蜂肠道的结构直接影响着肠道菌群的组成以及分布，同时肠道菌群的组成与分布也体现着蜜蜂肠道各个部分的功能。根据蜜蜂肠道不同部分的胚胎起源以及执行的功能，可以将肠道分为前肠、中肠以及后肠3 部分。前肠可以分为咽、食管、蜜囊和前胃，由胚胎期外胚层的前端内陷而来，主要担负着摄食功能[5]；中肠位于腹腔的前中部，呈现“S”型，由胚胎期的内胚层演化而来，与其他昆虫相比，蜜蜂的中肠相对比较发达，主要功能是通过肠壁细胞分泌具有活性的酶来消化和吸收摄入的食物；后肠由小肠以及直肠组成，由胚胎期外胚层的后端内陷而来，其主要是吸收水分以及贮藏和排出机体代谢产物。经研究发现，蜜蜂的肠道菌群主要集中在后肠[5]。

2.2 肠道菌群

蜜蜂肠道菌群组成并不复杂，仅由少数的核心菌种组成。早期研究发现，工蜂的肠道中主要分布着9 种细菌，占蜜蜂个体肠道总菌量的95%～99%。其中有5 种菌出现在几乎所有的蜜蜂个体中，称之为蜜蜂肠道的核心菌群，包括2 种革兰氏阴性菌：Snodgrassella alvi和Gilliamella apicola，以及3 种革兰氏阳性菌：LactobacillusFirm-4、Firm-5 和Bifidobacterium。除核心菌群外，另外4 种菌在蜜蜂肠道内的数量不多并且分布不均，包括Frischella perrara、Bartonella apis、Parasaccharibacter apium和葡糖杆菌属（Gluconobacter）中特定的一个种类群“Alpha 2.1”[2]。

5 种核心菌群以及4 种相对较少的菌群在蜜蜂肠道的不同部位分布是不均匀的，各个部位都有自己的优势菌种。肠道菌群在前肠与中肠分布相对较少，在后肠分布相对较多，占成年工蜂总菌量的99%[2]。前肠与中肠细菌量较少也存在其合理之处：前肠的蜜囊部分是蜜蜂贮藏和运输喂养幼虫花蜜以及产生蜂蜜的部位，中肠主要是用来进行食物的消化以及营养物质的吸收。

同时，蜜蜂肠道菌群的组成以及各菌种的丰度也因蜜蜂个体的社会性差异而有所区别，例如，Firm-5 的丰度具有明显的级型特异性和分工特异性，其在雄蜂最高，其次是工蜂，最低的是蜂王[3]。

3 肠道菌群功能

蜜蜂肠道菌群功能的正常发挥维系着蜜蜂个体、群体的健康，其功能主要分为3 方面：促进新陈代谢、激活先天性免疫应答以及体现社会性分工。

3.1 促进新陈代谢

新陈代谢包含有2 方面的内容：同化作用以及异化作用，2 种作用在个体生长过程中时时刻刻都在发生。蜜蜂的肠道菌群与蜜蜂间存在着较为明显的生理界限，但研究证明肠道菌群通过自身的生命活动影响着宿主，即影响着蜜蜂机体的同化作用以及异化作用。

在最近的1 项实验中，研究者以无菌状态下的蜂蛹为实验材料，在实验室的无菌条件下进行羽化，一组幼虫喂食蔗糖溶液以及灭菌蜂花粉得到肠道不具有核心菌群的蜜蜂，另一组饲喂正常蜜蜂的肠道液得到具有正常核心菌群的蜜蜂。在2 组幼虫羽化为成虫后，追踪成虫的体重生长曲线以及生长速率，最终发现具有核心菌群的蜜蜂有更高的体重（15%～20%），并且生长速率也明显快于无菌蜜蜂。其原因之一是蜜蜂的肠道菌群能帮助蜜蜂消化难降解的成分[2]。蜜蜂的中肠是消化吸收营养物质的主要场所，而食物中部分成分难在中肠被消化，比如多种花粉成分。花粉细胞壁中含有大量难降解的多糖，而后肠中的肠道菌群能够大量编码水解多糖的酶类，从而帮助蜜蜂更好地利用花粉和花蜜中的营养成分[3]。肠道菌群将外界大分子成分降解为小分子成分，利于蜜蜂机体更好地吸收。

蜜蜂作为营群居性的社会性昆虫，其所受到的来自传染病的威胁是巨大的。蜜蜂群体也许可以凭借群体免疫，即蜜蜂社会中大部分个体对传染病产生抵抗力而继续繁衍生息，但更大程度上蜜蜂群体会遭遇灭顶之灾。因此，养蜂人必须找出有效的方法去干预传染病对于自家蜜蜂的影响，其中，通过药物干预去防治蜜蜂疾病会是较佳的选择。与人体一样，经过肠道给药的药物需要通过蜜蜂的肠道吸收而进入体内，在经历一系列体内过程后发挥药效。而在这之中，药物代谢影响着药物的起效快慢、作用时间以及作用强度。鉴于人的肠道菌群中的部分菌种在药物代谢的过程中发挥了一定的作用，因而联想到蜜蜂的肠道菌群可能也会在相应的药物代谢过程中起到促进或抑制的效果。虽然目前缺乏实验数据，但这一想法的实践有利于今后防治蜜蜂疾病的过程中精准用药以及联合用药。

3.2 激活先天性免疫应答

绝大多数引起蜜蜂疾病的病原物存在于蜜蜂的肠道中，如拟幼虫芽孢杆菌和蜂房球菌，分别诱发了欧洲幼虫腐臭病以及美洲幼虫腐臭病，使大量的蜜蜂幼虫死亡[6]。面对外来病原物时，正常的肠道菌群则会激活蜜蜂的先天性免疫应答，通过刺激蜜蜂产生防御素以及蜜蜂抗菌肽从而增强蜜蜂的免疫能力，减少被感染的风险。

通过抗生素干扰核心菌群从而降低菌种的多样性，实验发现不具备正常肠道菌群的蜜蜂受到致病菌侵染的可能性会大大提升，致死率升高，并且肠道内的致病菌群与正常菌群呈现负相关关系[6]。与此同时，蜜蜂机体对病原体的敏感程度以及免疫能力因其肠道菌群的组成差异而有所不同。

3.3 体现社会性分工

蜜蜂社会由3 种类型的蜂组成，分别为蜂王、工蜂以及雄蜂。三型蜂的遗传背景、食物结构和社会分工的明显差别决定了体内肠道菌群的区系结构的差异[3]。

蜜蜂的社会性主要体现在蜂王与工蜂之间的级型分化以及工蜂之间的劳动分工[3]。根据蜂王与工蜂级型分化的定义，蜂王与工蜂的遗传物质并无差异，均为含有相同遗传物质的二倍体个体，而其分化产生的原因是它们幼虫期间被喂养的食物种类与数量存在差异，因而可以理解为在幼虫期间不同食物诱导了蜂王与工蜂的分化，并且随之而来的是两者形态结构、生理功能以及社会功能上的明显差异[7]。由此可见，蜂王与工蜂的差异并非遗传物质造成的，而主要是营养差异导致的。蜂王与工蜂在肠道菌群中不同菌种的丰度差异，可能意味着蜜蜂的肠道菌群在幼虫时期对机体所摄入的营养物质产生相应效应，从而来调节蜜蜂的级型分化。最近有实验表明，蜜蜂肠道的Bifidobacterium asteroides能够刺激宿主产生一些保幼激素的类似物，而保幼激素对蜜蜂级型分化有重要调节作用[7]。

蜜蜂结束幼虫期羽化出房后，根据日龄以及身体调节开始从事不同的工作以及任务，比如筑巢、酿蜜、守卫以及清理蜂巢[13]。而在实际情况中，蜜蜂体内不同生物分子的表达的改变会影响蜜蜂的分工，包括工蜂的社会分工，例如，卵黄原蛋白能够抑制内勤蜂向采集蜂转变。肠道菌群通过影响蜜蜂机体内的软黄原蛋白以及生物胺含量可以调控蜜蜂的劳动分工。更有直接的实验显示不同劳动分工的工蜂肠道微生物的丰度存在差异，内勤蜂肠道的Firm-4 和Bifidobacteriaceae的丰度高于外勤蜂，Firm-5 在哺育蜂肠道的丰度明显高于采集蜂[8]。

4 “脑病肠治”之遐想

人也拥有自己的肠道菌群，只不过相比于蜜蜂，人的肠道菌群组成以及区系架构更为复杂。近些年来在医学领域，研究肠道菌群的稳态与人体健康之间的关系是兴起的话题，科学家与医生们旨在通过肠道菌群来预防、诊断以及治疗人类疾病。

脑是我们认识与发展世界最重要的工具，但由于我们对脑部的研究并没有那么全面以及深入，脑部疾病依旧是医学上的难题，比如阿尔茨海默病。而近期有研究发现，人的肠道菌群不仅能调控肠道活动，还影响着宿主的脑功能以及行为[9]，也就是“脑病”可能通过“肠治”。

虽然人体与蜜蜂之间存在着很大的差异，但这并不意味着这2 个物种间毫无联系。人类与蜜蜂存在的最大的共同点莫过于两者都拥有自己的社会环境，其中的每个个体都具有一定的社会性，而肠道菌群的产生与社会性有着密不可分的关系，因而我们可以尝试通过比较简单的蜜蜂肠道菌群与较为复杂的人类肠道菌群，从中找出相同与不同之处，给予肠道菌群与人体疾病之间的联系新的想法与思考。例如，蜜蜂的肠道菌群微环境的紊乱或者缺失会导致蜜蜂个体免疫能力以及新陈代谢水平下降，从而我们可以在无实验数据支持下联想到人类的肠道菌群可能也会影响机体的免疫以及代谢功能的正常发挥。顺着传统医学的思路，我们可能很难找到解决人类的脑部疾病的方法，但如果我们发散思维，将目光聚焦于脑与其他身体器官间的联系，比如肠道，运用系统性的方法去诊断以及治疗或许会开辟医学上新的大陆，比如“脑病肠治”。

阿尔茨海默病（AD）作为神经退行性疾病，虽然有很多假说去解释AD 的发病机制，但都没能得到比较准确的实验以及临床结果，比如较为流行的β-淀粉样蛋白级联假说[10]。最近有学者指出，肠道菌群微环境的紊乱驱动形成的炎症反应可能是导致AD 发生的源头[10]。肠道菌群主要是通过人体的肠-脑轴对神经系统或者大脑行为产生影响，其中的一种表现形式是肠道菌群的代谢产物产生一系列神经活性分子，如乙酰胆碱、儿茶酚胺以及γ-氨基丁酸等，而这些分子会降低肠道屏障的密度，同时促进神经性炎症的发生与血脑屏障的损伤，直接影响到宿主大脑的正常行为功能[10]。

虽然，现在越来越多的证据证明肠道菌群与人体的健康，特别是神经性疾病有着密切的关系，但目前科学仍停留在通过肠道菌群去辅助剖析“脑病”，通过肠道菌群去治疗“脑病”，由于实验数据以及临床试验的证据并不充分，因而“脑病肠治”依旧是一个任重道远的过程。