肠道菌群与农药中毒神经毒性相关性研究进展

马苏缀 周宁

肠道菌群通常被称作人体的第9 大系统以及第2 大基因组，其种类有500 多种，约为人体细胞数量的10 倍，所编码的基因总和大约是人体基因组的150 倍左右，因此被认为是人体的另一个“器官”［1］。肠道菌群包括细菌、病毒和真菌等，其中98%为细菌。人体肠道菌群的产生开始于胎儿期的母体子宫，后随着年龄的增长，肠道菌群不断变化并持续维持着与内外环境的动态平衡。近年来随着基因测序的兴起，人类肠道菌群已鉴定出细菌的几十个门，均受宿主遗传影响，且随着时间和环境的变化而变化。研究表明，多种因素都影响着肠道菌群的种类、数量和比例［2］。急性中毒（Acute Poisoning，AP）是指通过皮肤、黏膜、呼吸道、消化道等一种或多种途径在短时间内与毒物发生接触，并与体液、组织发生反应，导致宿主体内环境失衡，器官功能紊乱，乃至全身损伤。AP 类型多样且病情变化迅速，其农药中毒在急诊科较为常见，且农药中毒的神经毒性作用对人类的预后危害极大。越来越多的研究表明AP 可影响肠道菌群，进而通过MGBA 导致神经毒性作用，从而影响预后的发展，这就是为什么评估毒理学的风险时必须将肠道菌群视为一个危险因素。因此本文就肠道菌群在肠-脑轴间的作用机制及对不同农药中毒类型的神经毒性的研究进展作一综述。

1 菌群-肠-脑轴

研究表明，肠道菌群主要通过MGBA 影响神经毒性作用。 MGBA 由中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）、自主神经系统（Autonomic Nervous System，ANS）和肠神经系统（Enteric Nervous System，ENS）以及神经内分泌、神经免疫和菌群组成。CNS 由大脑和脊髓组成，它是宿主体内的最高指挥中心；ANS 又分为交感神经和副交感神经，主要负责控制宿主体内的腺体和器官；ENS 是周围神经系统的一个分支，直接控制着胃肠系统的运动、血流、代谢和激素分泌，并且包括两个神经节神经丛［3］。MGBA 还以双向方式导致肠道和大脑之间的复杂相互作用［4］，CNS和菌群之间的通路途径包括迷走神经刺激神经递质、激素或者菌群代谢物（如短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids，SCFAs）），从而导致对ENS 信号传导的刺激。此外，SCFAs还可穿过血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）的血流从肠道转移到大脑［5］。动物研究表明，肠道菌群失衡可调节大脑免疫、代谢状态和神经功能［6，7］。为了更好地理解此途径是如何发生的，本文主要从免疫通路来探讨这种相互作用。

1.1 免疫通路

在大脑和肠道之间，ENS 和HPA 保持着动态平衡，但是与这两者直接相互作用的关键中介是免疫系统。肠道本身即是一个免疫器官，因为它提供了一个物理屏障，内部充满了先天和后天免疫细胞。其可以防御病原体，并将其与外部生态环境分开。肠道菌群有助于免疫系统的成熟：微生物相关分子模式是它在免疫系统中的呈现方式。其中之一是脂多糖，它激活或刺激树突状细胞和巨噬细胞［8］。激活免疫系统产生炎性细胞因子，如白介素-6（Interleukins 6，IL-6）和白介素-8（IL-8），这些细胞因子可以作用于传入神经，也可以穿过BBB，与小胶质细胞相互作用。小胶质细胞是形成CNS 免疫系统的神经胶质细胞，主要存在于大脑中。其主要功能是通过吞噬作用消除死亡的神经元和其他细胞碎片，起到促炎作用。迷走神经已被证明可以激活小胶质细胞，因为迷走神经信号是由某些肠道细菌介导的T 淋巴细胞诱导所必需的［9］。肠道菌群稳定小胶质细胞的另一种信号通路是SCFAs。SCFAs 是结肠中最丰富的代谢产物，肠道菌群产生SCFAs，其通过转运蛋白和受体进入肠上皮，并随后进入循环，以参与体内的调节［10］。此外也有研究表明，当肠道菌群受到干扰时，SCFAs 可能通过血液循环途径影响神经系统疾病的发展［11］，因此大量证据表明SCFAs 在神经炎症反应中起重要作用，这些SCFAs 具有抑制IL-6 和IL-8 等细胞因子的能力，从而发挥抗炎作用［12］。肠道中SCFAs 的减少与克罗恩病或者溃疡性结肠炎等疾病有关，也与神经退行性变有关，这些均表明，肠道菌群的平衡在调节宿主的炎症反应中起着至关重要的作用。

2 肠道菌群与有机磷农药中毒神经毒性的相关性

既往研究表明，有机磷农药中毒可引起神经毒性作用，其毒理化合物为有机磷酸酯杀虫剂，其中毒死蜱（Chlorpyrifos，CPF）是有机磷酸盐杀虫剂的一种，不可逆地抑制乙酰胆碱酯酶，导致昆虫神经系统崩溃。暴露于它会导致神经毒性。在一项体外研究中，Mendler 等人研究了农药是否可以通过调节粘膜相关恒定T 细胞（Mucosalassociated invariant T cells（MAIT 细胞））的方式影响免疫系统，从而影响肠道菌群。他们用50-200 μM 浓度的CPF 处理了青少年双歧杆菌，罗伊氏乳杆菌和大肠杆菌16 小时，结果发现在这三种菌株中，CPF 处理显著增加了大肠杆菌介导的MAIT 细胞活化，并且CPF 处理下大肠杆菌叶酸生物合成途径的蛋白质减少［13］。这表明大肠杆菌会导致酶的失调以及激活MAIT 细胞的代谢产物的积累，从而激活免疫系统，导致炎症反应的发生。此外，Réquilé 等人［14］在模拟肠道环境和肠粘膜的体外模型中暴露CPF，发现因CPF 暴露而减少最多的细菌种群是双歧杆菌，其次是乳酸杆菌。其中肠道中乳酸杆菌在SCFAs 的生产中起关键作用。可见CPF 可导致SCFAs 的减少，从而导致免疫通路中抗炎作用失调。可见有机磷农药中毒可通过影响菌群-肠-脑轴，进而影响其神经毒性作用。

3 肠道菌群与百草枯农药中毒神经毒性的相关性

百草枯农药中毒（Paraquat herbicide，PQ）被认为是一种潜在的神经毒性环境因子，并且是一种在累积寿命暴露和神经毒性风险增加之间具有剂量依赖性关系的除草剂。此前，关于PQ 的神经毒性作用，绝大多数研究都集中在神经元-神经胶质网络的调节上，最近有研究发现，PQ被认为是神经退行性疾病（Neurodegenerative Disorder，NDDs）的潜在环境风险因素之一，PQ 暴露引起的肠道菌群紊乱可能是NDDs 发生的最初环节［15］。肠道菌群组成和丰度的变化可以促进神经炎症反应并有助于NDDs 的发展。此外，PQ 暴露导致SCFAs 减少，从而影响MGBA［15］。因此，PQ 可通过免疫系统影响神经系统功能障碍，进而影响神经毒性作用。

目前，急性中毒的治疗方案缺少特异性，但其发病又常常很严重，尤其农药中毒的神经毒性作用对人类的影响危害极大。近年来的研究发现，肠道菌群在神经-免疫-内分泌连接中的双向作用，并且有足够的证据表明急性中毒与其相互作用。急性中毒可影响肠道菌群的组成，后者通过MGBA 影响神经毒性作用，进而影响中毒的预后，此外，益生元、益生菌或者粪菌移植能改变MGBA 屏障，使肠道菌群重塑。因此准确地了解肠道菌群对农药中毒神经毒性的作用机制，便可以帮助预防神经毒性作用。但MGBA 的复杂性和肠道菌群多样性及丰度的变化对未来的研究提出了重大挑战，尤其在农药中毒方面的研究值得进一步探索。