張雷雷 楊琳 李思詩 倪炯臣

腸-腦軸雙向相互作用的改變不僅與典型的腦腸疾病(如腸易激綜合征)的發(fā)病機(jī)制和病理生理學(xué)有關(guān)[1]，同時許多的行為認(rèn)知類和神經(jīng)系統(tǒng)疾病與之關(guān)系密切，諸多臨床研究試驗證實小膠質(zhì)細(xì)胞參與了許多疾病的發(fā)展過程[2-5]。小膠質(zhì)細(xì)胞大量的存在于在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，對大腦發(fā)育和穩(wěn)態(tài)尤為關(guān)鍵。這些細(xì)胞還調(diào)節(jié)損傷后的組織恢復(fù)，它們的功能障礙可能是導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病和精神疾病的一個因素[6]。小膠質(zhì)細(xì)胞存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的所有區(qū)域，被廣泛地定義為膠質(zhì)細(xì)胞和免疫細(xì)胞；更具體地說，它們可以被定義為過程承載、高度分支的髓細(xì)胞和組織駐留的巨噬細(xì)胞[7]。它是大腦的主要免疫細(xì)胞，幾十年來一直被認(rèn)為參與大腦對傷害的反應(yīng)[8]。當(dāng)感覺到感染或損傷信號時，小膠質(zhì)細(xì)胞從穩(wěn)態(tài)監(jiān)測狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顮顟B(tài)，促進(jìn)抗菌藥物或組織修復(fù)程序恢復(fù)穩(wěn)態(tài)[9]。小膠質(zhì)細(xì)胞在中樞系統(tǒng)的活動在很大范圍上受細(xì)胞因子和趨化因子、神經(jīng)遞質(zhì)和其他調(diào)節(jié)影響各種腦功能的信號傳導(dǎo)途徑的分子的控制[10]。小膠質(zhì)細(xì)胞的活動一度被認(rèn)為是由血腦屏障(BBB)保護(hù)而不受循環(huán)系統(tǒng)的影響，但現(xiàn)在卻被認(rèn)為是可能與中樞神經(jīng)系統(tǒng)以外的因素(包括腸道)有關(guān)。本研究著重論述腸道共生微生物以及代謝產(chǎn)物在中樞神經(jīng)系統(tǒng)交互的最新進(jìn)展，尤其是分析小膠質(zhì)細(xì)胞在二者之間的橋梁作用。綜述如下。

1 腸道共生微生物和小膠質(zhì)細(xì)胞

共生微生物與局部免疫細(xì)胞之間的相互作用十分明確，特別是對全身免疫有著深遠(yuǎn)的影響，而且對腦回路、神經(jīng)生理和行為也具有調(diào)節(jié)作用。由于小膠質(zhì)細(xì)胞廣泛參與中樞免疫應(yīng)答[8]，致使其可能受到腸道共生微生物的影響。鑒于它們的關(guān)鍵地位，這就提出了一個問題，即微生物群對大腦回路、神經(jīng)生理和行為的部分或全部影響實際上是由小膠質(zhì)細(xì)胞直接或間接介導(dǎo)的。有研究表明，腸道炎癥可誘發(fā)神經(jīng)炎癥，進(jìn)而刺激小膠質(zhì)細(xì)胞活化和酪氨酸途徑，并可激活全身炎癥誘發(fā)抑郁癥狀[11]。肥胖可導(dǎo)致全身低炎癥的改變，在對HFD(高纖維飲食)喂養(yǎng)的大鼠中觀察到腸道微生物群改變，增加硬壁菌/細(xì)菌學(xué)比率、促進(jìn)炎癥蛋白細(xì)菌增殖和循環(huán)前炎性脂多糖(LPS)增加，中樞小膠質(zhì)細(xì)胞的激活。此外，二甲胺四環(huán)素抑制HFD誘導(dǎo)對迷走神經(jīng)和中樞小膠質(zhì)細(xì)胞的作用，減少體脂積累[12]。Schmidtner等[13]在嚙齒動物的焦慮抑郁的研究表明，二甲胺四環(huán)素治療緩解了抑郁樣表型，其抗抑郁作用是性別和特征依賴性的，降低了小膠質(zhì)細(xì)胞密度(僅在雄性HAB大鼠中)，降進(jìn)一步低了血漿促炎細(xì)胞因子的濃度，并且大鼠盲腸微生物組成隨之改變。這些作用似乎和前額葉皮質(zhì)小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少和微生物組成及其代謝產(chǎn)物的變化有關(guān)。顯然在上述研究中疾病狀態(tài)下腸道微生物群改變致使循環(huán)免疫應(yīng)答增強(qiáng)和小膠質(zhì)細(xì)胞的活化。

與對照組相比，使用四環(huán)素-3(CMT-3)單獨抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化足以引起顯著的降壓作用，這預(yù)示著腸道共生微生物可能參與了血壓調(diào)節(jié)。首次提出，小膠質(zhì)細(xì)胞和某些微生物群落之間的聯(lián)系可能對持續(xù)性高血壓(HTN)的治療有意義[14]。在對2型糖尿病大鼠試驗中，發(fā)現(xiàn)2型糖尿病導(dǎo)致結(jié)腸和腦內(nèi)神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF)、膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)和炎癥標(biāo)志物(IL-17、IL-6和TLR-2)的紊亂和升高，同時補(bǔ)充植物乳桿菌和菊糖可改善腸道微生物組成，降低炎癥細(xì)胞因子水平。不同的飲食習(xí)慣對靶器官的作用方式也不一樣，長期食用高脂飲食(HFD)可引起腸道和全身炎癥，降低外周胰島素敏感性，益生元、益生菌或合生元能降低HFD大鼠海馬氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡，改善HFD喂養(yǎng)大鼠海馬的可塑性，減輕腦線粒體功能障礙，減少小膠質(zhì)細(xì)胞的激活，導(dǎo)致認(rèn)知功能的恢復(fù)[15]。此外，研究者在Shank3-KO小鼠的糞便中檢測到一種顯著改變的微生物群組成，并在肝臟樣本中發(fā)現(xiàn)了較高水平的大腸LPS，同時shank3-ko小鼠中檢測到白細(xì)胞介素-6和活化星形膠質(zhì)細(xì)胞的增加[16]。Lu等[17]用無菌(GF)小鼠模型發(fā)現(xiàn)，生長相關(guān)微生物群可以影響早期神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育，這種影響可能是通過對神經(jīng)炎癥和循環(huán)胰島素樣生長因子(IGF-1)的影響介導(dǎo)的。腸-腦軸與星形膠質(zhì)和少突膠質(zhì)的聯(lián)系可能是由小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的，無論是在飲食誘導(dǎo)、抗生素參與，或者慢性病模型中，都伴隨著腸道微生物的豐度改變，炎癥介導(dǎo)致使中樞小膠質(zhì)細(xì)胞激活，參與疾病的進(jìn)程。

2 腸道共生微生物代謝物和小膠質(zhì)細(xì)胞

棲息在機(jī)體屏障表面的共生微生物參與多種對人體健康至關(guān)重要的代謝過程，包括氨基酸和多糖的發(fā)酵；維生素、輔酶和神經(jīng)遞質(zhì)的生成；膽汁酸的修飾。通過這些微生物過程產(chǎn)生的代謝物對免疫細(xì)胞及其功能狀態(tài)有著深遠(yuǎn)的影響。盡管這些代謝物中的一些，如短鏈脂肪酸(SCFAs)已經(jīng)研究了幾十年，SCFA與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞聯(lián)系廣泛。豐富的丁酸鹽、丙酸鹽和醋酸鹽可引起廣泛的代謝和神經(jīng)功能，尤其是小膠質(zhì)細(xì)胞成熟[18]。對HFD喂養(yǎng)的小鼠的丁酸鹽可以減弱老齡小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞中促炎細(xì)胞因子的表達(dá)。此外，小膠質(zhì)細(xì)胞感覺器的基因表達(dá)(觀察組)在飲食和年齡上都發(fā)生了改變，老年動物在高纖維飲食中表現(xiàn)出更多的抗炎性小膠質(zhì)細(xì)胞特征[19]。丁酸鈉通過激活小菱形酶(Akt)和抑制組蛋白去乙酰化酶(HDACs)激活小膠質(zhì)細(xì)胞的過程誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞突起可逆性的延長，這些延長同時反映在小膠質(zhì)細(xì)胞的促炎和抗炎狀態(tài)的標(biāo)志物的顯著變化，Akt抑制可阻止丁酸鈉對原代培養(yǎng)小膠質(zhì)細(xì)胞的抗炎作用，消除丁酸鈉對LPS誘導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞突起收縮和行為異常的抑制作用。首先從小膠質(zhì)突起延長的方向證實了丁酸鈉的抗炎作用[20]。Huang等[21]研究發(fā)現(xiàn)，其他經(jīng)典HDACs抑制劑和小膠質(zhì)細(xì)胞一起孵育，也可誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞分支和Akt活化，小膠質(zhì)細(xì)胞分支的誘導(dǎo)可能是由HDACs抑制b-羥基丁酸(BHB)所觸發(fā)的。BHB誘導(dǎo)的分支形態(tài)可能是小膠質(zhì)細(xì)胞極化的上游信號，可能介導(dǎo)BHB在神經(jīng)炎癥刺激所致抑郁中的抗抑郁作用。此外從小膠質(zhì)分支對小膠質(zhì)功能的反饋調(diào)節(jié)的角度為解釋BHB在神經(jīng)退行性和神經(jīng)精神疾病中的神經(jīng)保護(hù)作用提供了一種新的機(jī)制，也表明了小膠質(zhì)細(xì)胞是一種具有典型分支形態(tài)的天然免疫細(xì)胞。與對照組相比，長期攝入高脂高糖飲食(WD)可降低海馬突觸可塑性和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子mRNA的水平。WD還激活ERK1/2，降低腦內(nèi)突觸后密度，提示突觸后損傷。并可在WD喂養(yǎng)的小鼠多臟器中觀察到炎癥信號增加，伴隨著小膠質(zhì)細(xì)胞的激活、生物失調(diào)同時，引起神經(jīng)可塑性降低。此外，WD小鼠的小膠質(zhì)細(xì)胞鉀通道的轉(zhuǎn)錄水平增加，促炎基因表達(dá)增多，這表明炎癥增強(qiáng)[22]。微生物代謝物可能作為一種生物信號參與小膠質(zhì)細(xì)胞病理生理過程，影響小膠質(zhì)細(xì)胞促炎和抗炎狀態(tài)對疾病的免疫應(yīng)答。至關(guān)重要的是，SCFA的產(chǎn)生可以刺激小膠質(zhì)細(xì)胞的活動，改變血腦屏障(BBB)通透性的選擇性。SCFAs主要通過激活免疫系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)間接影響大腦[23]。

腸道共生微生物代謝物還參與者其他神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的活化。有研究發(fā)現(xiàn)鏈脂肪酸異丁酸(IBA)為星形膠質(zhì)細(xì)胞氣味(Olfr920)配體，通過cAMP和敲除分析，發(fā)現(xiàn)IBA通過Olfr920激活了原代皮質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞Gsprotein腺苷酸環(huán)化酶cAMP途徑[24]。IBA可降低LPS誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞GFAP表達(dá)。LPS誘導(dǎo)的GFAP表達(dá)受到IBA激活Olfr920的抑制。當(dāng)鞘內(nèi)注射脂肪酸受體1(GPR40)激動劑GW9508可明顯增強(qiáng)脊髓小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞IL-10和β-內(nèi)啡肽的免疫染色，GW9508對1日齡新生大鼠原代脊髓小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞IL-10和β-內(nèi)啡肽的基因和蛋白表達(dá)也有明顯的刺激作用，表明腸道共生微生物通過生物信號分子作用于中樞[25]。有趣的是，Long等[26]用丁酸鈉(NaB)處理的大鼠中觀察到外周神經(jīng)生長因子(NGF)表達(dá)水平的提高。同時，發(fā)現(xiàn)NaB灌腸的大鼠中，GFAP和NGF的共表達(dá)也增加了2.1倍。值得注意的是，有研究報道丁酸降低了正常血壓(S-D)大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中過氧化氫酶和一元羧酸轉(zhuǎn)運體1的mRNA，但自發(fā)性高血壓(SHR)中沒有。此外，觀察到SHR星形膠質(zhì)細(xì)胞中特異性炎性細(xì)胞因子的水平較高，丁酸處理可增加SHR大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中腫瘤壞死因子的表達(dá)，但對S-D大鼠則無此作用。該發(fā)現(xiàn)支持了丁酸鹽對SHR和S-D大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中與神經(jīng)炎癥相關(guān)的生物能量和轉(zhuǎn)錄物的差異調(diào)節(jié)[27]。腸道共生微生物代謝物不僅作用于小膠質(zhì)細(xì)胞，對星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化也有影響，也有可能小膠質(zhì)細(xì)胞與星形膠質(zhì)細(xì)胞二者存在直接的信號通訊通道。

3 中樞疾病與小膠質(zhì)細(xì)胞

小膠質(zhì)細(xì)胞具有廣泛的病理生理功能，在發(fā)育和穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著多種作用，被認(rèn)為參與了多種神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制。在對大鼠脫髓鞘疾病模型中發(fā)現(xiàn)丁酸鹽能顯著改善脫髓鞘，并能在體外直接抑制脫髓鞘和促進(jìn)再髓鞘形成，并促進(jìn)少突膠質(zhì)細(xì)胞分化[28]。同樣對亨廷頓病(HD)模型髓鞘中，GF組大鼠前額葉皮質(zhì)髓鞘相關(guān)蛋白水平普遍降低，成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少，與基因型無關(guān)。同時，生活在標(biāo)準(zhǔn)條件下的實驗動物的腸道微生物群在科和屬水平上發(fā)現(xiàn)了微小的共生細(xì)菌差異[29]。中樞促炎因子和小膠質(zhì)細(xì)胞激活在退行性疾病中發(fā)揮著重要作用。在AD中，持續(xù)產(chǎn)生的促炎癥因子不可避免地觸發(fā)神經(jīng)退行性事件，過量的Aβ導(dǎo)致膠質(zhì)細(xì)胞活化，活化的膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生Aβ的惡性循環(huán)，促進(jìn)了一種不可避免的有害條件[30]。醋酸(Ace)是一種具有神經(jīng)保護(hù)作用的SCFA,Ace能顯著減輕APP/PS1小鼠的認(rèn)知功能障礙，降低CD11b水平；Ace抑制NF-κb65、ERK和JNK的磷酸化，降低Aβ刺激的BV2小膠質(zhì)細(xì)胞COX-2和白細(xì)胞介素1β的水平；最后，Ace增加了Aβ刺激的BV2細(xì)胞GPR41水平。提示Ace通過上調(diào)GPR41和抑制ERK/JNK/NF-κB通路發(fā)揮抗神經(jīng)炎癥作用，Ace能有效改善AD的認(rèn)知功能，抑制AD模型小鼠的神經(jīng)炎性反應(yīng)，為AD的治療提供了新的策略[31]。SCFA可以調(diào)節(jié)AD患者選擇性的小膠質(zhì)細(xì)胞功能，SCFA在生理微摩爾濃度下，通過刺激THP-1小膠質(zhì)細(xì)胞減少細(xì)胞因子和細(xì)胞毒素的分泌；甲酸鹽和戊酸鹽單獨降低了刺激的THP-1細(xì)胞的吞噬活性，甲酸鹽能減少小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生ROS。值得注意的是，只有將來的體內(nèi)實驗才能最終確定腸道微生物產(chǎn)生的短鏈脂肪酸以足夠高的濃度進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞的活化，并有益地調(diào)節(jié)AD神經(jīng)炎癥過程的進(jìn)展[32]。

小膠質(zhì)細(xì)胞當(dāng)然也參與精神類疾病的進(jìn)程，當(dāng)Abdelli等[38]用PPA、SCFA、益生菌ASD腸道產(chǎn)物分別作用于人神經(jīng)干細(xì)胞(hNSCs)的試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暴露于PPA是神經(jīng)細(xì)胞的增殖發(fā)育明顯優(yōu)于對照組，并且PPA誘導(dǎo)其向膠質(zhì)細(xì)胞過度分化、神經(jīng)回路紊亂和炎癥反應(yīng)， 類似于ASD的病理生理基礎(chǔ)，這可能是ASD的前兆。事實上，使用益生菌對固定化應(yīng)激所致焦慮/抑郁研究中發(fā)現(xiàn)，NK33和NK98(兩種益生菌)對LPS誘導(dǎo)的BV-2細(xì)胞NF-κB活化有非常明顯的抑制作用。在固定化應(yīng)激誘導(dǎo)前后，用NK33或NK98灌胃給藥，可顯著抑制小鼠焦慮/抑郁的發(fā)生和發(fā)展，抑制海馬內(nèi)活化小膠質(zhì)細(xì)胞的浸潤，降低血液中皮質(zhì)酮、IL-6和LPS的水平[39]。小鼠接觸氨芐西林會引起焦慮和結(jié)腸炎，并增加腸道微生物群中的蛋白菌群，以及糞便和血液中的脂多糖水平，同時減少乳桿菌群。用氨芐西林處理的小鼠的糞便微生物群進(jìn)行治療，還增加了海馬小膠質(zhì)細(xì)胞、單核細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞的募集。結(jié)果證實，氨芐西林暴露可通過單核/巨噬細(xì)胞激活的胃腸道炎癥和包括催產(chǎn)素在內(nèi)的蛋白菌群升高誘發(fā)神經(jīng)炎癥引起焦慮。然而，口服益生菌可減輕氨芐西林引起的焦慮和結(jié)腸炎[40]。不僅僅食益生菌對焦慮抑郁有治療作用，對褪黑素治療抑郁癥顯示：葡聚糖硫酸鈉(DSS)治療可通過改變腸道菌群而誘發(fā)大鼠抑郁樣行為和神經(jīng)炎癥，與DSS暴露導(dǎo)致海馬區(qū)活化星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量增加有關(guān)；補(bǔ)充褪黑素可通過增加SCFA的產(chǎn)生和增強(qiáng)BBB的完整性來逆轉(zhuǎn)抑郁樣行為和神經(jīng)炎癥，褪黑素治療導(dǎo)致活化小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量大幅減少，褪黑激素降低FXR-FGF15和ASK1信號通路的激活，有助于改善代謝紊亂。這些結(jié)果支持褪黑素對DSS引起的抑郁和肝代謝紊亂的臨床治療價值[41]。在對化療引起的認(rèn)知障礙中SCFA似乎與認(rèn)知功能特別相關(guān)，因為通過膳食纖維的細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的微生物衍生代謝物能夠調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)成熟、先天免疫和BBB通透性。在無菌小鼠中，小膠質(zhì)細(xì)胞(中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的巨噬細(xì)胞)的成熟度因基因表達(dá)譜和異常形態(tài)的顯著不同而顯著改變。這些小膠質(zhì)細(xì)胞也表現(xiàn)出對病毒或細(xì)菌暴露的反應(yīng)不能被激活，這表明功能性微生物群的存在對適當(dāng)?shù)闹袠猩窠?jīng)系統(tǒng)固有免疫反應(yīng)是必要的。有趣的是，丙酸鈉、丁酸鈉和乙酸鈉(SCFAs)的使用完全恢復(fù)了小膠質(zhì)細(xì)胞的成熟度和功能[42]。在對腸道微生物群介導(dǎo)間歇性禁食減輕糖尿病所致認(rèn)知障礙的實驗中發(fā)現(xiàn)28 d的間歇性禁食治療方案通過微生物群代謝產(chǎn)物改善了行為障礙：間歇性禁食增強(qiáng)了海馬體的線粒體生物生成和能量代謝基因表達(dá)，重組了腸道微生物群，并改善了與認(rèn)知功能相關(guān)的微生物代謝物。同時發(fā)現(xiàn)禁食療法抑制NFκB的活化，下調(diào)JNK/p38的磷酸化和Iba-1的蛋白表達(dá)，Iba-1是小膠質(zhì)細(xì)胞活化的一個著名標(biāo)志物[43]。眾所周知，高鈉飲食(HSD)增加認(rèn)知障礙風(fēng)險，在對HSD與腦腸軸的研究中發(fā)現(xiàn)，HSD8周的小鼠表現(xiàn)出學(xué)習(xí)和記憶能力受損，HSD顯著降低了類桿菌和蛋白桿菌的比例，增加了革蘭氏菌科和瘤胃球菌科的比例，伴隨著實驗小鼠糞便SCFA濃度在醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽的絕對濃度下降低，實驗小鼠的海馬體中Iba-1的表達(dá)增加，研究表明HSD可引起小鼠腦內(nèi)BBB功能障礙和小膠質(zhì)細(xì)胞活化，并使IL-1水平升高，IL-6和TNF-α大腦皮層的表達(dá)水平[44]。微生物群通過小膠質(zhì)細(xì)胞誘導(dǎo)的突觸修剪對大腦功能的影響表明，操縱微生物群免疫串?dāng)_是治療神經(jīng)精神疾病的一種很有前途的策略[45]。心身疾病伴隨著體內(nèi)炎癥信號的提升，小膠質(zhì)細(xì)胞應(yīng)答，這可能為精神類疾病治療提供一個新的選擇。

人類與腸道微生物群共同進(jìn)化，這種長期關(guān)系是由有助于選擇有益微生物群的調(diào)節(jié)因子維持的。在既往的研究中忽略了小膠質(zhì)細(xì)胞在中樞疾病和腸道菌群的關(guān)系，腸道菌群及其代謝物在中樞疾病作用的可能靶點是：小膠質(zhì)細(xì)胞。大腦和腸道微生物群之間的相互作用在情緒、新陳代謝、認(rèn)知和運動功能中起著重要作用。微生物群-腸道-大腦軸的破壞可導(dǎo)致多種疾病，包括焦慮、抑郁、多發(fā)性硬化癥、帕金森病、阿爾茨海默癥和自閉癥。由于之前研究大多數(shù)為臨床前研究，需要展開合適的臨床研究，提供更加有說服力的證據(jù)，更好地了解哪些微生物成分直接或間接地向大腦發(fā)出信號，如何作用于小膠質(zhì)細(xì)胞，為治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供有希望的新靶點。