肠道-器官轴的研究进展

崔新梦，高兴华

(中国药科大学药物科学研究院，江苏 南京 211198)

人体的各个器官并不是孤立存在且单独发挥作用的。2000多年前，古希腊医生希波克拉底认为：“所有疾病源于肠道”，这个宣言尽管并不完全正确，却一直影响着后世的研究[1]。东晋时期，我国医学家葛洪在《肘后备急方》中记载着“野葛芋毒、山中毒菌欲死者：并饮粪汁一升，即活”。肠道不仅是重要的消化器官，也是人体最大的免疫器官，通过复杂的神经-免疫-内分泌网络与多种器官相互作用，形成类似于“轴”的关系，即肠道-器官轴。因此，研究肠道-器官轴的作用机制对肠道和相关器官疾病的治疗都至关重要。人类微生物组计划和人类肠道宏基因组计划等的实施促使肠道微生物领域快速发展，研究表明，肠道微生物及其代谢产物在肠道-器官轴中具有重要的作用[2]。本篇文章简要介绍了肠道微生物在肠道稳态中扮演的角色，总结了肠道-器官轴的研究进展，最后展望了未来相关研究的方向。

1 肠道微生物

肠道是人体最大的微生态系统，定植的微生物包括真菌、细菌、病毒和古生菌，目前研究最多的是细菌。从人类粪便中分离的微生物至少有2 776种，分为厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门、疣微菌门、梭杆菌门，其中拟杆菌门和厚壁菌门为优势菌群[3]。肠道微生物与宿主共同进化了数亿年，二者相互依存。肠道微生物在宿主的许多生命过程中发挥了重要作用，包括：促进宿主免疫系统的成熟；防止病原体过度生长；调控宿主的细胞增殖和血管生成；影响肠道的内分泌功能和神经信号通路；为宿主提供能量来源；合成维生素和神经递质等多种物质；代谢胆汁酸；消除外源性毒素[4]。其中，肠道微生物的代谢物在人类的健康和疾病中起着重要作用。肠道微生物既可以代谢进入肠道的外源性食物，也能代谢内源性的化合物，其产生的代谢物可以与宿主细胞相互作用。短链脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)是目前研究较多的肠道微生物代谢物，主要由乙酸、丙酸和丁酸组成，由肠道微生物发酵未消化或部分消化的膳食纤维产生，是肠上皮细胞的重要能源，能增强肠道黏液屏障和上皮屏障的功能并调节肠道的免疫应答[5]。SCFAs还可以到达其他器官(如脑和肺等)，它们直接或间接地作用于抗原提呈细胞，减轻炎症反应[5]。

肠道微生物定植在肠道黏液层，黏液为其提供营养物质和附着位点并且将微生物与宿主分隔开。正常情况下，肠道微生物的数量和组成是相对恒定的，但是不健康的饮食、环境和药物等因素会造成微生物的紊乱。黏液屏障、上皮屏障和免疫屏障共同构成肠道屏障，与肠道微生物共同维持肠道稳态。肠道稳态的破坏能引起炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)、肠易激综合征(irritable bowel syndrome，IBS)和结直肠癌等多种疾病。例如溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)，UC是IBD的一种，肠道的黏液屏障被破坏，致病菌侵入肠道固有层，活化抗原提呈细胞，促进炎性细胞因子的释放，进而激活T细胞并加剧对肠上皮的破坏，产生慢性炎症和组织损伤[6]。此外，肠道屏障能够防止肠道内的有害物质(如病原菌和毒素)进入血液循环和其他器官[7]。

2 肠道-器官轴

2.1 肠-脑轴 肠-脑轴是肠和脑之间双向交流的系统，肠道对脑部功能起重要作用，反之亦然。过去的15年中，随着微生物学的快速发展，许多临床前研究表明微生物群会对宿主的行为产生相当大的影响，因此研究人员对肠-脑轴的研究转向微生物-肠-脑轴[8]。微生物-肠-脑轴通过免疫、神经、内分泌等途径发生双向互作，包括：自主神经系统(autonomic nervous system，ANS)、肠神经系统(enteric nervous system，ENS)、免疫系统和神经免疫、肠内分泌信号转导、神经递质、支链氨基酸(branched chain amino acids，BCAAs)、胆汁酸代谢物、SCFAs、下丘脑-垂体-肾上腺轴、肽聚糖。ENS几乎调控肠道的所有功能，是肠-脑轴的重要组成部分。当肠道微生物的组成或代谢产物发生改变时，肠上皮细胞可以迅速感知变化，并通过内分泌系统以及免疫系统等将信号传递给ENS，进而将信号传递给脑，并参与情绪和认知的调控。反之，ENS可以通过ANS和内分泌途径接受来自脑的信号，并调节肠道的消化等功能[9]。

肠-脑轴的早期研究主要集中在胃肠道的消化功能[10]和脑部产生的饱足感[11]，但是目前的研究越来越集中于肠和脑的双向交流对高阶认知和心理的作用[12]。肠-脑轴的异常导致许多病理生理性的后果，包括肠道功能紊乱[13]和行为的改变[14]。因此，靶向肠-脑轴既可能治疗抑郁、自闭症、阿尔兹海默病和帕金森综合征等脑部疾病，也可能改善IBD和IBS等肠道疾病。Chen等[15]利用多组学分析了UC患者中焦虑/抑郁与肠道菌群的关系。50%以上的UC患者同时患有焦虑/抑郁，并且焦虑/抑郁的UC患者菌群丰度和多样性较低，乳杆菌和肠球菌属增加，普氏菌和毛螺菌属减少。此外，其血清中2-脱氧-D-核糖、L-哌啶酸及免疫球蛋白等代谢产物减少。给予2-脱氧-D-核糖和L-哌啶酸可以显著减少结肠炎小鼠的抑郁样行为并改善其炎症反应[15]。目前，临床上也取得初步进展。一项双盲随机对照试验对35名活动性UC患者进行了8周的口服冻干粪菌移植(fecal microbiota transplantation，FMT)胶囊干预，结果显示FMT可显著诱导UC患者无皮质类固醇的临床、内镜下及组织学的缓解，且持续治疗56周后仍可维持缓解[16]。

2.2 肠-肝轴 肠-肝轴是肠道及其微生物与肝脏的双向交流互作，受饮食、遗传和环境的影响，并通过胆管、门静脉和体循环实现。一方面，肝脏将合成的胆汁酸和免疫球蛋白A(immunoglobulin A，IgA)等生物活性介质通过胆管运输到肠腔；另一方面，肠道中次级胆汁酸等机体/微生物的代谢产物和病原相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)可经门静脉转运到肝脏并调节肝脏的功能。此外，肠道中游离脂肪酸、胆碱代谢物和乙醇代谢物等可通过体循环运输到肝脏[17]。胆汁酸的肝肠循环是肠道和肝脏互作的关键因素[18]。胆汁酸通过核法尼酯X受体(farnesoid X receptor，FXR)和G蛋白偶联胆汁酸受体1(G protein-coupled bile acid receptor 1，Gpbar1或TGR5)调控机体的代谢通路和炎症反应，其中FXR是调控脂质和葡萄糖代谢的核心通路，并且参与维持肠道稳态[19]。肠道菌群与胆汁酸双向互作，胆汁酸通过塑造机体肠道免疫和部分内源性抗菌特性影响肠道菌群的组成；肠道菌群可以将胆汁酸代谢为次级胆汁酸，因此肠道菌群组成的改变会打破机体初级胆汁酸与次级胆汁酸的平衡，进而促进肝脏疾病的进展[20]。正常情况下，肠道屏障能有效阻止肠道微生物及其代谢产生的有害物质进入肝脏，而当肠道屏障受损时，肠道内的有害物质会入侵肝脏并参与肝脏疾病的发生和发展[21]。

肝脏疾病影响着全世界数百万人。随着生活水平的提高，非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)和酒精性肝病(alcoholic liver disease，ALD)等代谢性肝病的患病率逐年上升，最终导致肝硬化和肝癌病例增多[22]。肠-肝轴的紊乱在肝脏疾病的发展过程中发挥重要作用。在NAFLD和ALD中，酒精或高脂饮食(high fat diet，HFD)通过诱导肠道微生物组成的改变导致肠道中次级胆汁酸、PAMPs、乙醇及其代谢产物的增加以及SCFAs的减少。次级胆汁酸的上调抑制肠道FXR信号通路，导致抗菌肽合成减少、肠道屏障紊乱、肝脏中初级胆汁酸的合成增加[7]。肠道中乙醇的增加以及SCFAs的减少都会促使抗菌肽合成减少、肠道上皮屏障紊乱，进而导致肠道通透性增加，经门静脉入肝的PAMPs增加。PAMPs的增加一方面通过激活肠道免疫细胞并促进炎性细胞因子的释放引起肠道炎症，进一步破坏肠道上皮屏障；另一方面导致肝脏炎症，促进肝脏疾病的进展[23]。此外，Duan等[24]发现了酒精伤肝的新机制，ALD患者的肝脏中库普弗细胞(Kupffer cells)比例下降导致其表达的免疫球蛋白超家族补体受体(complement receptor of immunoglobulin superfamily，CRIg)下调，CRIg的缺陷削弱了肝脏对来自肠道的致病共生菌的清除能力，从而促进ALD的进展。

综上，靶向肠-肝轴为肝脏疾病提供了潜在的治疗策略。一项小鼠实验表明，口服嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansiamuciniphila)可以促进肠道的L-天冬氨酸向肝脏转运，肝脏L-天冬氨酸水平的增加可以促进脂质氧化并改善胆汁酸代谢障碍，从而逆转小鼠的NAFLD[25]。胰高血糖素样肽1(glucagon-like peptide 1，GLP-1)和胰高血糖素样肽2(glucagon-like peptide 2，GLP-2)是由肠道L细胞分泌的两种肠促胰素，GLP-1可以促进胰岛素的分泌并抑制食欲，GLP-2通过改善黏膜完整性和诱导肠上皮细胞再生从而降低肠道通透性，Kim等[26]的研究表明GLP-1/GLP-2受体的双重激动剂能显著改善饮食诱导非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis，NASH)小鼠的代谢紊乱、肝脏炎症和纤维化等表型。

2.3 肠-肺轴 微生物学的快速发展打破了以往人们对于“肺部无菌”的认知，健康人的肺部含有微生物群，并且肺部的微生态参与调节肺的正常生理功能[27]。研究表明，哮喘、慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)和肺癌等慢性肺部疾病与呼吸道微生物群失调有关，并且通常与胃肠道疾病同时发生[28]。同样，50%的IBD患者和33%的IBS患者有肺部炎症或功能受损，这种肠与肺之间的双向交流称为肠-肺轴[29]。肠和肺的交流主要是通过可溶性微生物组分和代谢物的循环运输。肠道的微生物组分如PAMPs与先天免疫系统的模式识别受体(如Toll-like receptors，TLR)相互作用并触发炎症反应，从而激活免疫系统[30]。Ichinohe等[31]的研究证实肠道TLR信号的激活可以促进肺部免疫系统的激活，他们对小鼠的直肠单次注射脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)，结果显示直肠TLR信号的激活可恢复抗生素治疗小鼠的肺部对流感病毒感染的免疫反应。此外，SCFAs可以经外周循环到达机体的远端器官，并在那里调节免疫细胞的发育[32]。一项在小鼠上的研究表明，喂食高纤维饮食的小鼠循环中的SCFAs水平增加，并对过敏性气道炎症起保护作用，而低纤维饮食的结果相反，口服丙酸盐可通过抑制树突状细胞(dendritic cells，DC细胞)介导的2型辅助性T细胞(T helper type 2 cell，TH2细胞)免疫紊乱从而治疗过敏性气道炎症[33]。除此之外，肠黏膜的固有免疫细胞可以经外周循环直接迁移到呼吸道，并参与呼吸道免疫稳态的维持。先天淋巴细胞(innate lymphoid cells，ILCs)，也被称作固有免疫细胞，驻留于黏膜表面，可增强免疫反应、保持黏膜完整性并维持组织稳态。Huang等[34]的研究证明白细胞介素25(interleukin-25，IL-25)或蠕虫诱导的炎症性ILC2以1-磷酸鞘氨醇(sphingosine 1-phosphate，S1P)依赖性的方式迁移到淋巴和血液循环中，最终在肺部积累，参与抵抗蠕虫感染并促进组织修复。

靶向肠-肺轴对于肺部疾病的治疗意义重大。研究表明，肠道微生物的紊乱与哮喘、COPD、肺癌和肺结核等多种肺部疾病相关[35]。目前，研究较多的是通过补充益生菌改善肺部疾病，肠道中的益生菌主要是乳酸杆菌属和双歧杆菌属，它们通过刺激抗体的生成、增加自然杀伤细胞(natural killer cell，NK细胞)的活性、促进γ干扰素(interferon-γ，IFN-γ)的释放在呼吸道病毒感染的小鼠模型中发挥保护作用，并且通过诱导产生调节性T细胞(regulatory cell，Treg细胞)减轻小鼠的哮喘症状[35]。此外，许多研究表明补充益生菌可以提高肺癌的治疗效果。如一项在Lewis肺癌小鼠模型上的研究表明，与单用顺铂的小鼠相比，用顺铂联合抗生素(antibiotics，ABX)治疗的小鼠肿瘤负荷大且存活率显著降低，ABX可以通过上调血管内皮生长因子A(vascular endothelial growth factor A，VEGFA)削弱顺铂的作用效果。相反，用顺铂联合乳酸杆菌治疗可以降低小鼠的肿瘤负荷并延长生存期，乳酸杆菌可以通过上调 IFN-γ、颗粒酶B和穿孔素的表达增强抗肿瘤效果[36]。Lee等[37]研究人员用多组学方法分析非小细胞肺癌(NSCLC)患者的粪便样本，结果显示两歧双歧杆菌(Bifidobacteriumbifidum，B.bifidum)在免疫治疗响应患者的样本中富集，随后他们在小鼠模型上证明特定的B.bifidum菌株与PD-1抑制剂联用可增强抗癌疗效。

2.4 肠-心轴 冠心病是冠状动脉粥样硬化性心脏病的简称，特点是冠状动脉发生粥样硬化病变，导致血管壁硬化缺少弹性、血管管腔狭窄以致阻塞，严重者导致心肌缺血缺氧或坏死。因此，研究动脉粥样硬化的发病机制，把冠心病阻止在发生之前至关重要。近年来，越来越多的研究表明动脉粥样硬化的形成与肠道微生物有关。肠道微生物通过其代谢物影响动脉粥样硬化的进展，目前在心血管疾病中研究较多的肠道微生物代谢物包括丁酸盐(butyrate)、氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide，TMAO)、LPS和苯乙酰谷氨酰胺(phenylacetyl glutamine，PAGln)[38]。丁酸盐是结肠黏膜的主要能量来源，维持肠道屏障功能，并调控脂质、免疫、炎症、凋亡和吞噬等相关基因的表达来预防动脉粥样硬化的进展。多项研究表明动脉粥样硬化患者的肠道微生物发生紊乱，产生丁酸盐的细菌如RoseburiaIntestinalis和Faecalibacteriumprausnitzii的丰度下降[39-41]。丁酸盐的减少导致肠道通透性增加，进入心血管系统的TMAO、LPS和PAGln等有害代谢物增加，它们通过促进血小板聚集以及血栓形成、泡沫细胞形成、炎症反应和氧化应激等过程影响动脉粥样硬化的进程。膳食中的磷脂酰胆碱(卵磷脂)在肠道脂肪酶和肠道微生物的作用下形成三甲胺(trimethylamine，TMA)，TMA被黄素单加氧酶 (FMO)迅速氧化为TMAO，TMAO通过增强巨噬细胞中胆固醇的积累和动脉壁中泡沫细胞的形成促进动脉粥样硬化，无菌小鼠研究和人体横断面研究都表明TMAO是冠心病的潜在生物标志物[42]。PAGln是冠心病的另一种潜在生物标志物。Nemet等[43]的研究表明膳食中的苯丙氨酸(phenylalanine，Phe)由肠道微生物代谢为苯乙酸(phenylacetic acid，PAA)，PAA分别与宿主的谷氨酰胺(glutamine，Gln，人类首选)或甘氨酸(glycine，Gly，啮齿动物首选)结合产生PAGln和苯乙酰甘氨酸(PAGly)，PAGln通过G蛋白偶联受体(包括α2A、α2B和β2-肾上腺素受体)增强血小板活化相关的表型并促进血栓形成。因此，靶向肠-心轴为冠心病等心血管疾病的防治提供了新策略。

2.5 肠-皮轴 皮肤和肠道在结构和功能上有许多共同特点，它们都是血管密集且神经支配丰富的器官，具有重要的免疫和神经内分泌作用，两个器官都有上皮细胞构成的第一道防线，以及先天免疫系统构成的第二道防线，此外他们都含有许多共生微生物，这对免疫系统的发育和机体稳态的维持至关重要，这些相似性推动了肠道和皮肤相互作用的研究，许多研究表明，肠道和皮肤之间也存在双向联系，研究人员称其为肠-皮轴[44]。10%～25%的胃肠道疾病患者会出现银屑病和皮肤溃疡等皮肤病，而许多皮肤病患者也表现出肠道微生物群的紊乱[45]。目前，肠-皮轴的机制还不明确。现有研究表明肠道菌群失调导致肠道免疫细胞的过度激活和促炎细胞因子的释放增加，随后引起肠道和皮肤的炎症。此外，肠道通透性增加导致肠道微生物及其代谢产物直接通过血液循环迁移到皮肤，进一步促进皮肤的炎症，或者减少皮肤角蛋白的合成并影响表皮细胞的分化[46]。口服益生菌可作为一种潜在的皮肤疾病治疗的策略。特应性皮炎(atopic dermatitis，AD)是一种慢性炎症性皮肤病，在全球范围内的成人和儿童中均具有高发病率，一项随机、双盲、安慰剂对照的临床试验中，80名轻度至重度AD患者接受益生菌复合物(L.plantarumPBS067、L.reuteriPBS072、L.rhamnosusLRH020)后，干燥、脱屑、红斑和瘙痒等皮肤症状得到改善[47]。银屑病又称牛皮癣，是一种全身性自身免疫炎症性皮肤疾病，IBD是其并发症[48]，一项为期12周的随机、双盲、安慰剂对照的临床试验中，口服益生菌复合物(Bifidobacteriumlongum、Bifidobacteriumlactis、Lactobacillusrhamnosus)组有66.7%的患者银屑病的面积和严重程度指数减少，而对照组为42%，研究结束后6个月的随访结果显示，摄入益生菌复合物的银屑病患者复发风险较低[49]。

目前，较多的研究集中于肠-皮轴对皮肤疾病的影响，有关皮肤对肠道影响的研究并不多。但是，一项最新的在小鼠上的研究初步探索了皮肤炎症性疾病影响IBD的机制，皮肤炎症导致细胞外透明质酸(hyaluronic acid，HA)的降解增加，降解的HA片段可以通过循环系统进入肠道，在肠道中诱导成纤维细胞向脂肪细胞分化，进而加剧葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎[50]。

2.6 肠-脂肪轴 超重和肥胖，统称为“体重过重”，定义为异常或过多的脂肪堆积，导致许多慢性疾病并降低预期寿命。自1970年代以来，世界范围内超重的流行率一直在增加[51]。由于生活方式的改变，如摄入的高热量食物增加以及体育运动减少等，中国已经变成了世界上肥胖人口最多的国家之一[52]。目前，减肥药市场的选择屈指可数，大多数药物副作用大。研究表明，肠道微生物的紊乱与肥胖等代谢性疾病相关，说明肠道和脂肪之间也存在双向联系，即肠-脂肪轴[53]。哺乳动物体内有两种脂肪，白色脂肪组织(white adipose tissue，WAT)将体内多余能量以脂肪的形式储存起来，棕色脂肪组织(brown adipose tissue，BAT)通过线粒体中的解偶联蛋白1(UCP1)将食物中的能量转化为热能。铁是人体必需的微量元素，对机体代谢稳态的维持至关重要，研究表明转铁蛋白受体(transferrin receptor 1，Tfrc)介导的铁摄取是BAT和WAT的发育和成熟所必需的，在小鼠的脂肪组织中特异性敲除Tfrc可以降低脂肪细胞的铁水平，抑制肠道对脂质的吸收和转运，最终改善HFD诱导的小鼠肥胖和代谢紊乱[54]。肠道微生物的数量和组成在机体的能量消耗和脂肪产热过程中发挥着重要作用，间歇性禁食、卡路里限制和寒冷会导致肠道微生物的组成发生变化，从而促进WAT褐变并增强BAT活性[55]。研究表明，HFD诱导的肥胖小鼠的WAT中miR-181家族(一种microRNAs)的表达上调，从而抑制能量消耗并促进脂肪积累、胰岛素抵抗和WAT炎症，而肠道菌群的色氨酸衍生代谢物吲哚可抑制miR-181，从而改善小鼠的食源性肥胖和胰岛素抵抗[56]。人参等传统中药已广泛用于治疗各种疾病，Quan等[57]的研究表明人参提取物(GE)能够诱导粪肠球菌(Enterococcusfaecalis)产生肉豆蔻油酸(myristoleic acid，MA)，MA是一种长链不饱和脂肪酸，通过促进BAT的活性来增加能量消耗并显著改善小鼠的肥胖症状。因此，靶向肠-脂肪轴成为肥胖的治疗策略。

3 总结与展望

综上所述，肠道-器官轴与多种器官疾病的发生和发展有关。因此，肠道-器官轴这一概念的提出是从一个全新的方面对人体各器官的疾病进行解释，靶向肠道-器官轴为肠道及脑、肝、肺等其他器官的疾病都提供了新的治疗策略。目前大多的研究集中于肠道微生物及其代谢产物在肠道-器官轴中发挥的作用，但其中的机制还不十分明确。此外，虽然FMT和益生菌等治疗手段在临床前和部分临床试验中取得了一定的效果，但是这些临床试验多为小样本试验，而且饮食和环境等因素对肠道微生物的影响也会对治疗造成干扰。因此，未来肠道-器官轴需要从相关性研究转向更深入的机制研究，而且基于肠道微生物的治疗策略需要更大规模的临床试验以及进一步的机制研究。