肠道微生物群：大脑的守护者

摘要

介绍

据估计，肠道微生物群的集体基因组包含的基因比人类基因组更多(Xu和Gordon，2003年). 肠道微生物群功能多样，参与碳水化合物代谢、纤维降解和免疫维护。此外，肠道微生物群还参与调节神经生理调节行为，如压力、孤独症、疼痛和多发性硬化症(Cryan和Dinan，2012年). 肠道微生物群通过免疫、内分泌和神经途径调节神经生理行为(Collins等人，2012年). 现在很明显，肠-脑沟通是双向的。一方面，微生物群落的变化影响行为。另一方面，行为的扰动改变了肠道微生物群的组成(Collins and Bercik，2009年). 然而，微生物群落受到许多环境因素和宿主相关因素（生理状态；Lozupone等人，2012年). 因为肠道微生物群组成的变化与行为和认知的改变有关(Cryan和Dinan，2012年)，一个健康的微生物群落对于微生物群-肠道-大脑轴的正常调节至关重要。在调节轴的潜在因素中，微生物代谢物可能是主要的介质(Cryan和Dinan，2012年). 在这篇综述中，我们讨论了微生物对大脑健康的调节以及宿主-微生物相互作用在调节各种神经生理行为方面的潜力的最新研究，强调了肠道微生物作为“和平卫士”在调节大脑控制功能和行为方面的作用。

肠道微生物群和导致微生物群组成变化的因素

经非培养方法鉴定，肠道中含有1000多种细菌(拉吉利奇·斯托亚诺维奇和德沃斯，2014年). 厚壁菌和拟杆菌是主要的门(Collins等人，2012年). 肠道微生物群的分布显示了两个人的时空变化(Eckburg等人，2005年;Yatsunenko等人，2012年)和啮齿动物(Gu等人，2013年;Maurice等人，2015年). 尽管如此，具有代谢和/或免疫调节能力的不同微生物定植于肠道，在微生物内部或肠道微生物群与宿主之间产生复杂的相互作用网络。微生物群落的复杂性及其多样性、稳定性和弹性使肠道微生物群能够很容易地适应肠道环境(Lozupone等人，2012年). 典型的互惠互动是肠道中的纤维降解。纤维降解是通过与宿主的共生相互作用发生的，宿主的消化系统本身没有这种功能(Velasquez-Manoff，2015年). 为了补充这种不足，肠道微生物使用糖苷水解酶和多糖裂解酶将纤维降解为短链脂肪酸，而这些酸对宿主有益(El Kaoutari等人，2013年). 复原能力也是肠道微生物群的一个重要特性。某些微生物群成员去磷酸化脂多糖（LPS）的能力对于微生物群在炎症诱导的紊乱中的恢复能力至关重要(Cullen等人，2015年).

“组学”的最新进展扩大了我们对肠道微生物群多种功能的认识。在肠道微生物群中，一些成员，例如乳酸杆菌和双歧杆菌物种，被广泛用作益生菌以促进肠道内稳态(Bron等人，2012年). 其他，如某种肠道细菌(Derrien等人，2008年)和拟杆菌(Marcobal等人，2011年)，以其在粘蛋白降解中的作用而闻名。显然，肠道微生物群在肠道内适应良好，具有不同的功能。这些功能的识别和澄清为操纵微生物群以维持体内平衡提供了基础，并有助于制定针对疾病的治疗目标。

基因型、饮食、炎症和喂养时间等多种因素影响微生物群落(图​图11)，如下所述。以基因型为例，不同遗传背景的近交系小鼠盲肠腔内肠道微生物群的组成不同(Campbell等人，2012年). 众所周知，饮食会影响肠道微生物群的组成。我们发现高蛋白饮食改变了大鼠的结肠微生物群(Mu等人，2016年). 在猪模型中，猪繁殖(Yang等人，2014a)淀粉量的饮食差异(Sun等人，2015年)影响肠道微生物群的组成。其他使用猪模型的研究表明，来自不同部位（如管腔和上皮壁）的肠道微生物群的组成以及它们利用氨基酸的能力各不相同(Dai等人，2013年;Yang等人，2014b). 病原体感染也会改变微生物群落。柠檬酸杆菌感染增加了小鼠结肠中肠杆菌科的丰度(Lupp等人，2007年). 最近的一项研究表明，喂食模式改变了小鼠肠道微生物群的每日周期组成(Zarrinpar等人，2014年). 这些事实表明，多种变量影响肠道微生物群的组成。此外，上述因素也会影响肠道功能、肠神经系统（ENS）功能和中枢神经系统（CNS）功能。

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图1

驱动肠道微生物群变化的因素可能会影响大脑功能。抗生素和益生菌治疗是针对微生物的干预措施。

肠道微生物群对肠道和中枢神经系统发育至关重要

肠道微生物群作为大脑维持和平者的主要证据是肠道微生物群调节神经系统发育的发现。事实上，肠道微生物群调节大鼠和小鼠出生后和成年后ENS的发育(杜邦等人，1965年;Neufeld等人，2013年;柯林斯等人，2014年). ENS控制肠道运动并向CNS发送信号。无菌（GF）小鼠空肠和回肠的肌间神经丛与特异性无致病（SPF）小鼠相比异常。这种异常与神经密度和每个神经节神经元胞体数量减少有关，而出生后第3天氮能神经元数量增加(柯林斯等人，2014年). 此外，肠道微生物群也可能影响肠神经胶质细胞。肠神经胶质细胞是ENS的重要组成部分，在肠-脑轴中起连接作用(Collins等人，2012年). 回肠中的肠道微生物群能够调节小鼠肠粘膜中胶质细胞的初始定植和稳态流动(Kabouridis等人，2015年). 与正常小鼠相比，GF小鼠肠粘膜胶质细胞的平均数量和密度显著减少(Kabouridis等人，2015年). 这一发现表明，微生物群和微生物产物可能通过肠神经胶质细胞影响胃肠道稳态。此外，至少在回肠中，肠神经胶质细胞将微生物线索与宿主的神经系统联系起来。然而，还需要进一步研究来确定肠神经胶质细胞与异常肠道疾病或神经精神疾病之间关系的性质。

肠道微生物群还可以调节肠道神经元的存活和胃肠运动，可能是通过其被类收费受体识别。抗生素耗尽肠道微生物群导致ENS异常，同时降低胶质细胞源性神经营养因子（GDNF；Brun等人，2013年). 另一项研究表明，GF小鼠、野生型小鼠肠道微生物群减少Tlr4号机组-缺陷小鼠胃肠动力延迟，氮能神经元数量减少(Anitha等人，2012年). 然而，LPS治疗通过TLR4-核因子-κB途径促进肠神经元的存活(Anitha等人，2012年). 因此，TLR4介导的肠道神经元和微生物群之间的相互作用可能对ENS的功能很重要。

值得注意的是，肠道微生物群还调节小鼠血脑屏障的通透性。GF小鼠在额叶皮层、纹状体和海马中occludin和claudin-5的表达低于SPF小鼠(Branister等人，2014年). 紧密连接的完整性对于维持血脑屏障功能至关重要。在GF小鼠中，通过酪丁酸梭菌或拟杆菌与对照组GF小鼠相比，丁酸钠治疗小鼠通过上调紧密连接蛋白降低血脑屏障的通透性(Branister等人，2014年). 这些结果表明，肠道微生物群或微生物产物可能对建立正常的血脑屏障通透性至关重要。

肠道微生物参与行为调节

GF模型为研究肠道菌群如何调节行为提供了一种直接的方法(Cryan和O'Mahony，2011年). 与SPF啮齿动物相比，GF啮齿动物的下丘脑促肾上腺皮质激素释放因子（CRF）基因表达上调，而急性应激后循环皮质酮浓度升高(Sudo等人，2004年;Clarke等人，2013年;Crumeyrolle-Arias等人，2014年). 这些变化导致下丘脑-垂体-肾上腺轴活性升高。实际上，GF啮齿动物和SPF啮齿动物通常用于比较焦虑反应。然而，结果显示出一些差异。

先前的研究表明，GF雌性瑞士小鼠的焦虑减轻(Neufeld等人，2011年;Clarke等人，2013年)和GF雄性NMRI小鼠(Heijtza等人，2011年)与SPF小鼠相比。相反，其他研究发现GF雄性F344大鼠的焦虑增加(Crumeyrolle-Arias等人，2014年)和GF BALB/c小鼠(Nishino等人，2013年). 一些因素，包括动物的方法和遗传背景，已经被提出来解释报告中的差异(Crumeyrolle-Arias等人，2014年). 关于遗传背景，F344大鼠和BALB/c小鼠可能在遗传上容易焦虑，而NMRI和瑞士小鼠可能不太容易焦虑(Crumeyrolle-Arias等人，2014年). 总之，这些发现表明，肠道微生物群会影响啮齿动物对压力引起的焦虑的敏感性。然而，上述对GF和SPF啮齿动物的一些研究并没有探索SPF组肠道微生物群的组成。研究也没有考虑不同菌株和饮食对肠道微生物群及其代谢产物功能能力的影响。

除了调节与压力相关的行为外，肠道微生物群还通过影响肠道激素的产生来调节食欲，这表明了微生物群-肠道-大脑轴的范式。食欲主要由肠-脑轴调节，肠-脑是通过平衡能量摄入和能量消耗来控制能量平衡的核心功能，从而维持能量储备(Abizaid等人，2006年;Morton等人，2006年). 众所周知，肠道激素可以调节食欲(墨菲和布鲁姆，2006年). 肠激素由肠内分泌细胞产生，从胃到远端结肠沿肠粘膜存在，约占肠粘膜细胞的1%(Vrieze等人，2010年).

肠道激素肽酪氨酸（PYY）和胰高血糖素样肽1（GLP-1）在肠道L细胞中产生并发挥厌食功能(墨菲和布鲁姆，2006年). PYY和GLP-1结合ENS神经末端的受体，并沿迷走神经向下丘脑-脑干网络传递营养信号，从而调节食欲(Rasoamanana等人，2012年). 膳食纤维降解和发酵产生的微生物产物，如醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐，影响PYY和GLP-1的生成。例如，乙酸和丁酸由G蛋白偶联受体GPR41和GPR43感应，然后诱导PYY和GLP-1(Cani等人，2013年). 结肠源性醋酸盐诱导下丘脑中原-β-黑素皮质素的上调和促食欲相关肽的下调，从而导致食欲抑制(Frost等人，2014年). 在健康人中，丙酸结肠给药增加血浆PYY和GLP-1水平，并降低食欲(钱伯斯等人，2014年).体外丙酸诱导原代培养人结肠细胞产生PYY和GLP-1(钱伯斯等人，2014年). 丙酸喂养还通过肠-脑神经回路激活肠道糖异生基因表达，而肠-脑神经元回路依赖于大鼠的GPR41信号(De Vadder等人，2014年). 虽然醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐可以影响肠道激素，但它们对神经功能的直接影响尚不清楚。对培养的PC12细胞的研究表明，丙酸盐和丁酸盐处理会影响儿茶酚胺能神经传递相关基因的表达(Nankova等人，2014年).

总之，文献表明，在食欲调节期间，微生物群落和微生物代谢产物都参与调节微生物群落-肠道-大脑轴。

肠道微生物操纵调节行为和认知功能

为了了解微生物群操作在治疗精神疾病方面的潜力，了解精神疾病如何改变肠道微生物群的组成是很重要的。了解肠道微生物群是否是精神疾病的致病因素也是至关重要的。如果是这样，受精神疾病影响的肠道微生物群的一些关键成员可能对恢复正常微生物群和行为具有治疗重要性。这些主题将按以下方式处理。

昼夜节律与肠道微生物群：双向调节

越来越多的研究表明昼夜节律和肠道微生物群之间的关系。生理昼夜节律调节日常活动，包括进食、激素分泌和代谢稳态(Liang等人，2015年). 在24小时的周期内，随着光的振荡，生理条件会发生变化。肠道功能，如营养吸收和运动，是以昼夜节律方式调节的(侯赛因和潘，2009年). 特别是，食物夹带可能将肠道的昼夜节律与下丘脑背内侧联系起来，从而提供了一种潜在的肠-脑沟通方式(侯赛因和潘，2009年).

饮食生境和昼夜节律的改变可能会潜在地影响微生物群落的组成，从而影响宿主的新陈代谢(Thaiss等人，2014年;Liang等人，2015年).

随着饮食或喂养模式的变化，肠道微生物群呈现周期性波动。例如，HFD改变了小鼠肠道微生物群落的日变化模式(Leone等人，2015年). HFD还损害GF小鼠中枢和肝脏昼夜节律时钟基因的表达(Leone等人，2015年). 在这种情况下，微生物代谢产生的短链脂肪酸可以调节肝细胞昼夜节律时钟基因的表达(Leone等人，2015年). 除了饮食外，喂养方式也可能改变微生物群落。限时喂食可以恢复肠道微生物群的周期性波动，这种波动会因HFD诱导的肥胖而减弱(Zarrinpar等人，2014年). 肠道微生物群的恢复伴随着粪便中半乳糖、脱氧胆酸和牛磺胆酸的浓度增加(Zarrinpar等人，2014年).

有趣的是，小鼠体内的宿主昼夜节律钟调节微生物昼夜节拍(Liang等人，2015年). 拟杆菌在白天比在晚上更占优势，白天拟杆菌水平的变化是细菌总负荷昼夜节律振荡的主要驱动力(Liang等人，2015年). 删除Bmal1型是哺乳动物生物钟的核心组成部分之一，它消除了粪便微生物群组成的节律性，尤其是在雌性小鼠中(Liang等人，2015年). 同样，时钟基因缺陷第1/2页或诱导小鼠时差反应导致微生物群落日变化异常和失调(Thaiss等人，2014年). 喷气腿诱导的微生物群失调促进了人类和小鼠的葡萄糖不耐受和肥胖(Thaiss等人，2014年). 喷气腿产生的代谢表型可以通过粪便移植转移到GF小鼠身上(Thaiss等人，2014年)这表明具有异常昼夜节律的个体存在微生物群依赖性改变。这项工作还强调了微生物组成和功能的日变化在驱动代谢性疾病中的作用。

上述发现表明了宿主昼夜节律钟在调节肠道微生物群落组成方面的重要性。此外，肠道微生物群可能是调节生物钟组成部分和宿主新陈代谢的一个因果因素。

抗生素治疗相关的研究也证明了肠道微生物群影响昼夜节律的能力。抗生素治疗导致的微生物群减少与时钟基因表达缺陷有关。例如，抗生素对微生物群的破坏破坏了TLR转录表达的振荡模式(第1-5层,第9天)、TLR适配器（白细胞介素-1受体相关激酶4）和炎症细胞因子(伊尔-6,Il-1β以及再生胰岛衍生的3γ）(Mukherji等人，2013年). 有节奏的TLR表达将微生物群提示传递给下游激活物c-Jun N末端激酶和核因子-κB激酶β抑制剂。微生物群耗尽后给予LPS可恢复TLR和时钟成分的表达(Mukherji等人，2013年). 这些结果表明肠道微生物群或微生物线索在调节昼夜节律时钟中的重要作用。微生物群和宿主粘膜之间的昼夜节律信号提供了对调节肠道免疫稳态的时钟控制基因的了解。这些发现也扩大了我们对肠道微生物作为大脑维持和平者的作用的理解。

很明显，昼夜节律和肠道微生物群之间存在双向调节。然而，在精神疾病的情况下，焦虑和自闭症是否影响肠道微生物群的节律振荡，从而改变宿主健康，是一个需要进一步研究的有趣问题。

神经细胞功能的表观调控

表观遗传调节参与神经系统的调节（有关综述，请参阅Stilling等人，2014年). microRNA通过转录后调节靶mRNA的基因表达来进行表观遗传调控(Liu和Xu，2011年). 众所周知，它们可以调节免疫反应、上皮分化、中枢神经系统损伤和退行性疾病(Biton等人，2011年;Liu和Xu，2011年). 在神经退行性疾病中，微RNA还调节神经元细胞的存活，例如帕金森病中的Mir433和亨廷顿病中的Mir9(Packer等人，2008年). 肠道微生物群的存在诱导小鼠盲肠中Mir145的表达(Singh等人，2012年). Mir145在神经嵴功能中很重要(Strobl-Mazzulla等人，2012年). 然而，肠道微生物群在神经系统中调节microRNA的直接作用尚不清楚。

微生物产物可能会影响神经系统的组成部分。微生物产物丁酸能诱导分化的人类胚胎干细胞表达Mir375(Tzur等人，2008年). Mir375的诱导促进结肠杯状细胞成熟鼠伤寒杆菌野生型小鼠的感染(Biton等人，2011年). 丁酸似乎可以调节胆碱乙酰转移酶免疫活性肌间神经元的数量，可能起到组蛋白去乙酰化酶抑制剂的作用(Soret等人，2010年). 组蛋白去乙酰化酶3的表达对于肠上皮细胞的屏障功能、paneth细胞的发育和维持平衡的微生物群至关重要(Alenghat等人，2013年). 因此，丁酸盐的表观遗传调控可能将肠道微生物群的功能与神经系统联系起来。

最近一项关于HFD的研究表明，饱和游离脂肪酸在调节肠神经元功能中发挥作用。在小鼠模型中，棕榈酸诱导肠神经元凋亡，棕榈酸的凋亡功能由HFD诱导的Mir375上调介导(Nezami等人，2014年). 正如本综述前面提到的，HFD引起的肠道微生物群失调与肥胖相关的神经精神障碍有关(Bruce-Keller等人，2015年). 因此，肠道微生物群、microRNA和神经调节之间是否存在联系值得进一步研究。

宿主-微生物相互作用可能是介导微生物-肠道-大脑轴的关键过程

肠道微生物群调节大脑健康的机制之前已经讨论过了(Cryan和Dinan，2012年). 它们包括由代谢物、免疫系统和迷走神经介导的通路(Cryan和Dinan，2012年). 基于上述文献，我们提出了模式识别受体（PRR）介导的相互作用和微生物代谢产物介导的交互作用在微生物调节大脑健康中的作用。

观点和结论

人们对肠道微生物群在调节大脑健康方面的作用的认识正在增加。对啮齿动物模型的研究扩展了微生物群-肠道-大脑轴的概念。然而，啮齿动物和人类的肠道微生物群落和功能不同(Nguyen等人，2015年). 因此，啮齿动物研究的结果不能自动转化为人类。即使在人类中，微生物群落也因个体而异。肠道微生物群组成的差异可能会影响个体对疾病的易感性(Aziz等人，2013年). 尽管如此，对啮齿动物模型的研究有助于揭示人类肠道-大脑轴微生物群的潜在存在。

如前所述，微生物群在小肠和大肠以及肠腔和粘膜中的空间分布是不同的(图​图22). 肠道中的不同部位形成一个特定于生态位的环境，在pH值、氧气可用性、细菌密度、代谢物组成等方面都不同。目前尚不清楚小肠和大肠中的微生物群以及肠腔和粘膜中的微生物群落是否对微生物群-肠-脑轴的贡献相等。解决这个问题对于采取适当的干预措施至关重要，因为各种治疗的靶点不同。还应量化绝对微生物群，以确定不同地点的群落对肠-脑轴的潜在贡献。

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图2

微生物群对小肠和大肠脑功能的潜在调节。小肠和大肠，或粘膜和内腔之间的微生物群组成不同。矩形物体被表示为细菌。根据本文的相关发现，提出了与位置相关的路径（灰色背景）。

实际上，许多关于人类精神疾病的研究都使用粪便微生物群作为指标。在这些研究中，样本可及性和种族是主要关注点。通常，肠道微生物群组成的变化通常与微生物基因表达、蛋白质或代谢产物的变化有关。这些变化使得很难确定调节微生物群-肠道-大脑轴的关键因素，尤其是在使用粪便分析的研究中。整合宏基因组学和代谢组学的联合管道可能有助于发现细菌数量之外的重要变化。

此外，还需要开展工作，以确定肠道微生物群对大脑健康的可能贡献。有必要确定异常的大脑功能是依赖于还是独立于肠道微生物群。精神疾病患者中微生物群失调的存在，以及失调与下丘脑-垂体-肾上腺轴多动之间的关系也是值得进一步研究的领域。根据早期的研究，炎症依赖性和炎症非依赖性通路都参与改善大脑健康(Bercik等人，2010年). 在调节大脑功能方面，微生物群可能单独发挥作用，也可能与炎症等其他因素协同发挥作用。还必须确定肠道微生物群组成的变化是某些行为的原因还是结果。后者可以通过控制肠道微生物群的组成和数量以及检查随后对大脑健康的影响来阐明。

显然，一个健康的微生物群落对于维持健康的神经系统是必要的。越来越多的证据支持肠道微生物群在调节大脑功能方面发挥着维持和平的作用，因为肠道微生物群调节神经系统发育、压力反应、焦虑、食欲和昼夜节律。微生物群落的耗竭或干扰与精神疾病有关。旨在恢复正常肠道微生物群和肠道稳态的治疗与改善神经反应有关。总之，确定肠道微生物群的变化可以提供临床指标，并有助于精神病共病患者的诊断。

作者贡献

WZ、CM和YY撰写了论文；CM、YY和WZ对工作的概念做出了贡献；CM、YY和WZ针对重要内容对其进行了批判性修订；WZ对最终内容负有主要责任。

利益冲突声明

作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

致谢

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