肠道菌群与神经免疫系统及神经退行性疾病的相关研究进展

曹原，曹展，高耀辉，蔚青，秦环龙

(同济大学附属第十人民医院 a.病理科，b.上海人体肠道菌群功能开发工程技术研究中心，c.胃肠外科，上海 200072)

肠道菌群是人体中最大的微生物库。肠道微生物对维持宿主体内免疫和神经系统的平衡有重要作用，包括病原体的清除、免疫系统的发展、中枢神经系统的调节等。阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)是一种不可逆、进行性且与年龄相关的神经退行性疾病，影响着全球4 000多万人[1]，是引起痴呆的最常见原因。AD给患者造成沉重的经济负担，但目前其潜在机制仍不完全清楚[2]。研究表明，肠道菌群代谢紊乱可能通过不同的途径促进AD的发生发展[3]。帕金森病(Parkinson′s disease,PD)是继AD后第二大常见的神经退行性疾病。PD的特征为α-突触素在大脑中积累以及运动和非运动症状。肠道菌群在调节PD及症状方面具有关键作用，口服特定的微生物代谢物可引起运动缺陷、小胶质细胞激活和α-突触素聚集[4]。上述研究表明，菌-肠-脑轴在神经退行性疾病发生发展过程中发挥重要作用，肠道菌群通过影响机体神经免疫系统而干预神经退行性疾病的发生发展。现就肠道菌群与神经免疫系统及神经退行性疾病的相互作用及机制进行综述。

1 菌-肠-脑轴

菌-肠-脑轴是指肠道菌群与肠道和大脑之间传入(刺激)和传出(反应)存在的沟通方式[5]。首先，肠道菌群由周围神经系统(如肠神经、迷走神经)发现并识别，这些神经系统与脑干形成专门的物理连接[5]。在切除迷走神经的结肠炎小鼠模型中，长双歧杆菌无法起到抗焦虑作用[6]。其次，肠道菌群可以通过合成一系列刺激神经分子(如乙酰胆碱、儿茶酚胺、γ-氨基丁酸、组胺、褪黑素和5-羟色胺)影响中枢神经系统的功能[7]。另外，肠道菌群可以通过影响周围的免疫细胞，将信号传递给大脑。如依赖梭状芽孢杆菌簇产生的短链脂肪酸或来自脆弱拟杆菌产生的多糖A能调节T细胞产生白细胞介素-10[8]。长链脂肪酸能促进肠道炎症效应T细胞的分化，短链脂肪酸可促进调节性T细胞的分化，并将信号传递给大脑[9]。

多种传递途径参与介导菌-肠-脑轴[10-11]。研究表明，肠道菌群产生的短链脂肪酸等代谢物通过介导肠道外在交感神经中cFos蛋白的表达，调控肠道交感神经的活性，而脑干感觉核团可以整合肠道的特定刺激[12]。来自细菌胞壁的肽聚糖片段可移位至大脑，激活大脑中的模式识别受体，对大脑发育和行为有潜在的关键调控作用[12]。菌群衍生的单链RNA通过激活阳离子通道Piezo1诱导肠道神经递质5-羟色胺的生成[13]。长期使用益生菌鼠李糖乳杆菌处理可导致中枢神经系统中γ-氨基丁酸受体表达的改变，减少焦虑、抑郁和应激反应[14]。肠道定植的蓝藻细菌产生的神经毒素[包括β-N-甲氨基-L-丙氨酸(β-N-methylamino-L-alanine,BMAA)、贝类毒素和类毒素-α]能进一步导致神经系统疾病，如肌萎缩性脊髓侧索硬化症、复杂的PD和AD[15]。

总之，肠道菌群与神经免疫系统及大脑具有密切沟通，肠道菌群通过一系列小分子，如菌群代谢产物(短链脂肪酸、γ-氨基丁酸、BMAA)，神经递质(包括乙酰胆碱、儿茶酚胺、组胺、褪黑素、5-羟色胺)，以及T细胞、巨噬细胞等免疫细胞及其细胞因子白细胞介素-17等作用于中枢神经系统。据此推测，在神经退行性疾病中，肠道菌群通过作用于肠道中的神经递质而调控免疫细胞分泌细胞因子，从而将信号传递给大脑。

2 肠道菌群与肠神经系统

2.1肠道菌群对肠道神经发育的影响 研究表明，无菌小鼠产后327 d如果肠道微生物群的多样性没有建立，则肠肌层的神经元较少[16]。此外，有证据表明，母体微生物源性因子和母体免疫系统参与子代的免疫和神经元稳态[17]。在发育的关键期，宿主与微生物的动态相互作用可能增加神经发育障碍的风险，并对神经功能产生长期影响[18]。

肠道微生物产生的信号能被模式识别受体识别，如Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)。TLR是一种进化保守的蛋白质，能够对微生物组分进行先天免疫识别，它们在神经发育的关键期发挥重要作用[19]。如在TLR2缺乏和微生物群落减少的小鼠中，神经胶质细胞源性神经营养因子的表达水平显著降低，而神经营养因子的使用可以改善肠神经系统缺陷，表明TLR-微生物通路对肠神经系统的发育和稳态的影响是通过间充质源性神经营养因子介导[18]。多种微生物因子(如短链脂肪酸、脂多糖)可以通过调节5-羟色胺的产生和有效性，促进肠神经系统功能的成熟。

无菌培养会影响小胶质细胞的成熟，而有复杂微生物群的成年无菌小鼠或用短链脂肪酸治疗的成年无菌小鼠小胶质细胞可恢复正常，无菌小鼠小胶质细胞的基因表达变化在成年无菌小鼠中较新生无菌小鼠中更明显[20]。无菌子代从胚胎开始，大脑小胶质细胞数量增加[19]。这些研究充分证明了微生物群调节小胶质细胞基因的表达、形态和功能，且这些影响在胚胎发育的早期出现。

2.2肠道菌群与肠神经系统的相互作用 有证据表明，肠道菌群对神经系统的影响包括介导炎症的产生、下丘脑-垂体-肾上腺轴和神经递质的调控[21]。肠道微生物群可以通过合成一系列刺激神经的分子(如乙酰胆碱、儿茶酚胺、γ-氨基丁酸、组胺、褪黑素和5-羟色胺)影响中枢神经系统的功能[7]。无菌小鼠和抗生素处理小鼠的社交活动减少，社交互动后多个脑区神经活动增加，而下丘脑室旁核中的促肾上腺皮质激素释放激素神经元能调节小鼠社交行为，其失活可逆转抗生素处理小鼠的社交障碍，而其激活可使肠道菌群正常小鼠出现社交障碍[22]。

肠神经系统功能障碍最常见的为巨结肠病。约30%的巨结肠病患者出现严重的肠道菌群失调，称为巨结肠相关的小肠结肠炎。微生物群的耗竭会导致肠神经元的兴奋性降低、运动程序发生改变以及延长肠道运输时间[23]。肠道神经回路具有监测肠道内腔状态并相应调节神经元活动的分子机制[24]。

3 肠道菌群与神经免疫系统

3.1肠道神经免疫系统 肠道内多种天然免疫细胞亚群能够与肠神经细胞相互作用。如肥大细胞来源的组胺和胰蛋白酶分别能激活肠肌层和黏膜下神经元，肽能神经元通过产生P物质、降钙素基因相关肽和血管活性肠肽调节肥大细胞[25]。肥大细胞蛋白酶也被证明可以裂解神经元P物质和血管活性肠肽，表明肥大细胞可以限制神经元的激活。同时，肠道神经元是共生微生物下游集落刺激因子1信号的主要来源。刺激迷走神经能激活肠基层巨噬细胞中的α7乙酰胆碱受体，α7乙酰胆碱受体可负性调节腺嘌呤核苷三磷酸诱导的钙反应[26]。鼠伤寒沙门菌感染期间，肠肌层中的外在交感神经元激活和去甲肾上腺素释放可以刺激肌层的巨噬细胞表达β2肾上腺素能受体[27]。上述研究表明，肠道中存在由微生物引起的肠道神经元与巨噬细胞的双向互作单位。

固有淋巴细胞(innate lymphoid cell,ILC)在肠黏膜屏障处大量存在，并与神经元细胞存在相互作用。如肠神经胶质细胞能控制肠的ILC3，成年小鼠肠内ILC3表达神经调节因子酪氨酸激酶受体，而具有神经调节因子酪氨酸激酶受体缺陷的小鼠白细胞介素-22生成减少，上皮反应活性降低，对柠檬酸杆菌感染的易感性增加；当检测到微生物存在时，神经胶质细胞以髓样分化因子88依赖的方式产生胶质源性神经营养因子家族配体[28]。因此，肠胶质细胞通过将微生物信号转化为神经营养因子来调节ILC3并维持肠道内稳态。除肠神经胶质细胞外，迷走神经源性信号也可调节ILC3对腹腔细菌感染的反应[29]。

3.2肠道菌群-神经免疫学说的分子机制 肠道的常驻细菌产生的代谢小分子可以扩散到大脑，对神经元细胞和常驻免疫细胞产生直接影响。膳食脂肪酸能够直接影响肠道中适应性免疫细胞的分化，导致中枢神经系统发生自身免疫性病变，长链脂肪酸能促进肠道炎症效应T细胞的分化，如辅助性T细胞1和产生白细胞介素-17的辅助性T细胞17，并加重实验小鼠自身免疫性脑脊髓炎，而短链脂肪酸可减轻自身免疫性脑脊髓炎[30]。

肠道微生物能够调节宿主免疫的关键方面。无菌小鼠存在多种免疫异常，包括盲肠肿大、次级淋巴样发育失败、抗体反应受损、T细胞和B细胞数量减少以及细胞因子产生缺陷。此外，肠道微生物群能一定程度上影响适应性和固有免疫。短链脂肪酸可以促进外周体内诱导的调节性T细胞分化[8]。迷走神经可通过微生物和神经信号调节饱腹感、压力和情绪的信号通路[31-32]。这些数据表明，肠道菌群可以定性和定量地改变宿主免疫反应，微生物可以改变T细胞的分化。

幼年时期微生物和免疫的相互作用与神经系统的发展相关，可影响神经退行性疾病和神经精神类疾病，如AD和重度抑郁症[19]。早期生活中的抗生素暴露和肠道微生物组的改变可减轻成人皮质和海马中β淀粉样蛋白的负担。此外，产前和产后早期应激动物模型显示，应激导致的乳酸菌减少与应激引起的免疫和行为异常相关，而这些异常与焦虑和抑郁相关[33]。

全基因组转录谱显示，无菌小鼠杏仁核的神经元活性增强，而免疫系统相关基因下调[34]。此外，无菌小鼠的杏仁核增大可能与杏仁核神经元亚群的树突状肥大有关，而海马神经元则出现树突状萎缩[35]。随着无菌小鼠杏仁核和前额皮质中微RNA表达谱的改变，转录后基因表达也被证明由肠道菌群调控[36]。这些研究表明，微生物通过与神经免疫系统的相互作用对神经系统疾病产生影响。

4 肠道菌群对神经退行性疾病的影响

4.1肠道菌群参与神经退行性疾病的发展 有证据支持肠道菌群参与AD的发展和恶化[37]。人类肠道微生物组通过产生促炎细胞因子和细菌代谢物影响AD的神经炎症，这些因子和代谢物可以进入循环并到达大脑，作用于神经免疫细胞群[38]。肠道菌群群落多样性可以调节宿主的固有免疫并影响β淀粉样蛋白的沉积[39]。肠道菌群的成分对AD进展，如脑容量减少、脑室增大和皮质变薄等已确定的脑结构标志物产生影响。肠道菌群代谢紊乱和衰老与肠道通透性增加有关，并可能导致AD的发生[40]。肠道菌群产物包括BMAA、脂多糖和肠道菌群衍生的淀粉样蛋白。BMAA是肠道蓝藻菌产生的神经毒素之一，长期暴露于BMAA可引发神经退行性改变，包括脑神经纤维缠结和淀粉样蛋白[15]。AD患者大脑中β淀粉样蛋白和血管周围存在脂多糖，且脂多糖在体外增强了β淀粉样蛋白纤维的形成[41]。肠道菌群代谢紊乱可能通过不同的途径促进AD的发生发展[3]。饲养在无菌条件下的APPPS1转基因小鼠的淀粉样变和小胶质细胞增生明显减少，表明在没有肠道微生物群的情况下，AD的病理情况较轻，这支持了肠道微生物群在AD病理中起关键作用的假设[42]。有动物实验显示，16月龄AD小鼠的粪菌可成功定殖于抗生素处理后的3月龄AD小鼠肠道内，且后者脑组织中的β淀粉样蛋白显著增加[43]。三甲胺N-氧化物和短链脂肪酸等细菌代谢物可能在AD病变的发展中发挥作用[44]。

研究表明，肠杆菌科的丰度与PD的严重程度呈正相关[45]。PD患者的大肠埃希菌和血清脂多糖水平升高，表明PD患者肠道通透性与肠道内毒素暴露相关[46]。肠道菌群在调节PD和症状方面具有关键作用，抗生素治疗可改善PD中α-突触素的表达，而口服特定的微生物代谢物则会影响运动行为、小胶质细胞的激活和α-突触素的聚集[4]。此外，预测功能分析强调在PD患者的粪便样本中涉及脂多糖生物合成的基因表达增加，这可能与周围和中心炎症有关[46]。另一项研究发现，PD患者中阿克曼菌、乳酸杆菌、双歧杆菌丰度增加，钩毛藻科丰度减少[47]。

4.2肠道菌群优化改善神经退行性疾病 肠道菌群在控制复杂的大脑功能中发挥作用，有益菌可通过调控肠道环境来延缓认知能力的下降[48]。研究表明，C57BL/6小鼠的正常肠道菌群和柠檬酸杆菌在应激诱导后导致识别和工作记忆受损[6]。相反，正常肠道菌群添加乳酸双歧杆菌和发酵乳杆菌可以改善糖尿病样Wister大鼠的空间记忆，改善记忆障碍[49]。迷走神经刺激可减轻神经炎症，恢复脂多糖诱导的认知衰退，并调节小胶质细胞活性[50]。在老年人和AD患者中，白细胞介素-5、白细胞介素-6、白细胞介素-1β、白细胞介素-8和肿瘤坏死因子-α等表达上调，而益生菌可以降低这些促炎细胞因子的表达水平[51]。研究发现，补充含双歧杆菌的发酵乳产品4周可激活大脑中参与情绪和感觉中央控制的特定区域[52]。

Akbari等[53]评估了益生菌在AD患者中的作用，发现每天补充200 mg富含嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、双歧杆菌和乳酸菌酵母的牛奶，持续12周后，受试者简易智力状态检查量表评分明显优于补充无额外添加上述菌种的牛奶。AD的新药GV-971(甘露特纳)通过抑制肠道菌群失调和相关苯丙氨酸/异亮氨酸的积累来减轻神经炎症，从而改善认知功能。

有研究证实，天然抗氧化剂多酚可能改变肠道菌群，这为多酚在轻度认知障碍、AD前驱期或AD早期患者中的应用开辟了新领域[52]。脑源性神经营养因子由肠道菌群产生，在PD患者中减少，增加合成脑源性神经营养因子的微生物组分能够减轻PD的症状并减缓其进展[54]。在另一项强迫游泳任务的研究中，补充罗伊乳杆菌可改善应激动物行为障碍[55]。目前有关肠道菌群改善神经退行性疾病的研究正在开展，通过菌群治疗PD患者的认知障碍可能是未来的研究方向。

5 菌-肠-脑轴与神经退行性疾病起源的假说

研究发现，路易体病可能通过逆行运输传播到不同的大脑区域。路易体病的病理学特征首次出现在肠道的神经元中(阶段1)，其出现远早于中脑的多巴胺能神经元改变和明显的PD症状的发生(阶段3)，且阶段1出现后可能需要很长时间才会出现阶段3[56]。病理学症状从外周通过迷走神经进入脑干，然后沿上行路径到达黑质，随后到达大脑皮质。无论是在体外培养的细胞中还是在PD动物模型的大脑中路易体病的病理学特征都可以从一个细胞传播到另一个细胞。

有运动功能障碍的PD患者中脑多巴胺神经元会出现α-突触素的聚集。研究发现，在α-突触素转基因小鼠和野生型小鼠的大脑中注射α-突触素后，α-突触素可以沿神经束传播[57]。将预制的α-突触素注射到十二指肠和幽门肌层后，α-突触素首先出现在运动背核，然后在后脑的尾部分，随后出现在杏仁基地外侧核、中缝背核、黑质致密部[58]。随着α-突触素的传递，多巴胺能神经元的丢失以及运动和非运动症状也被陆续观察到。PD患者大脑溶解产物中的α-突触素被胃肠道摄取后，通过长距离的逆向传输沿着迷走神经从肠道到达大脑[56]。耳干迷走神经切开术和α-突触素缺乏症则会阻止α-突触素从肠道向大脑传递，并会减少相关神经退行性改变[58]。这些研究表明，α-突触素聚合可能起源于周围组织，然后通过自主神经纤维传递到大脑。

有研究将荧光标记的β淀粉样蛋白注射到小鼠的肠道中，这些蛋白质转移到肠道的神经系统，1年后，在与AD认知缺陷有关的大脑部位发现了这些错误折叠的蛋白质，包括影响记忆的海马体，且这些动物均出现了认知障碍[59]。表明大脑中神经退行性改变可能起源于肠道。

综上所述，通过肠道菌群及其代谢产物的刺激作用，肠道中的神经细胞(胶质细胞、胆碱能神经元等)整合免疫细胞(包括巨噬细胞、单核细胞、ILC等)，产生一系列的神经递质和细胞因子等小分子。这些小分子可以通过直接或间接的途径将信号传递给大脑，并最终导致神经退行性疾病的发生发展，菌-肠-脑轴与神经退行性疾病起源的假说图见图1。

图1 菌-肠-脑轴与神经退行性疾病起源的假说图

6 结 语

肠道菌群能够通过多种途径影响大脑的功能，且肠道菌群对肠道神经系统、神经免疫系统和神经退行性疾病具有重要作用。迷走神经能够直接联系肠神经系统和中枢神经系统。此外，微生物可以通过调节神经免疫系统的发育和功能来影响神经退行性疾病(如AD、PD)。虽然这些疾病的病理生理等分子机制尚不完全清楚，但菌-肠-脑轴可以通过神经免疫系统影响神经退行性疾病的发生发展。对菌-肠-脑轴深入的研究有助于明确神经退行性疾病的发生发展过程。肠道菌群通过影响机体神经系统和免疫系统改变大脑功能，进一步干预神经退行性疾病的发展进程。未来，可以通过改善肠道菌群的微生态调节肠道神经免疫系统的功能，这有望成为治疗和预防神经退行性疾病的有效措施。