林芳琪 張保焜 徐建廣

人類微生物群包含超過 100 萬億個(gè)細(xì)胞，由多種細(xì)菌、真菌和病毒組成[1]，對人體的細(xì)胞代謝、消化、營養(yǎng)吸收以及免疫系統(tǒng)的發(fā)育和維持十分重要[2]。鑒于這些生物體的龐大數(shù)量和遺傳潛力，有關(guān)微生物組在人類健康和疾病中的作用問題已經(jīng)成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)研究的一大熱點(diǎn)，而微生物也被應(yīng)用于多種疾病的治療[3-5]。神經(jīng)損傷是一種嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)損害，?？梢饟p傷局部組織發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和微循環(huán)障礙，從而進(jìn)一步加重?fù)p傷并引起周圍神經(jīng)細(xì)胞廣泛壞死，最終造成機(jī)體運(yùn)動、感覺和自主神經(jīng)功能障礙，大大降低患者的生活質(zhì)量[6-7]。目前，全球范圍內(nèi)有數(shù)百萬人遭受神經(jīng)損傷帶來的痛苦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年中國脊髓損傷死亡率約為0.31人/百萬人，與2006年相比增加了64%[8]。因此，目前亟待發(fā)現(xiàn)一種經(jīng)濟(jì)且有效的神經(jīng)損傷治療方法。

1 胃腸道菌群與神經(jīng)系統(tǒng)的相互作用

1.1 胃腸道菌群對神經(jīng)系統(tǒng)的影響

人體中70%～80%的免疫細(xì)胞存在于腸道相關(guān)淋巴組織(GALT)中。GALT中的免疫細(xì)胞可持續(xù)與腸道細(xì)菌相互作用，并產(chǎn)生影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)功能的細(xì)胞因子。腸道微生物還能產(chǎn)生短鏈脂肪酸和膽堿等神經(jīng)活性代謝物和γ-氨基丁酸、血清素、多巴胺和乙酰膽堿等神經(jīng)遞質(zhì)，并作用于腸道和CNS內(nèi)的神經(jīng)元[9]。

當(dāng)正常的腸道細(xì)菌(即益生菌)耗盡或致病性細(xì)菌(即致病菌)占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，胃腸道系統(tǒng)的生態(tài)失調(diào)就會出現(xiàn)。而這種生態(tài)失調(diào)與自閉癥、疼痛、抑郁、焦慮和中風(fēng)等神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生或進(jìn)展有關(guān)[10-11]。

1.2 神經(jīng)損傷后胃腸道菌群的變化

在神經(jīng)損傷發(fā)生后，患者的生活方式往往也會發(fā)生突然且劇烈的改變，這很可能造成患者胃腸道菌群失調(diào)[12]。同時(shí)，繼發(fā)于脊髓損傷的自主神經(jīng)功能障礙也會損害機(jī)體的免疫功能，可能增加臨床抗生素應(yīng)用以及抗感染治療的需求[13]。在此過程中，神經(jīng)損傷首先導(dǎo)致胃腸道菌群失調(diào)，而腸道菌群失調(diào)反過來通過GALT作用加重脊髓損傷。此外，胃腸道菌群失調(diào)還會加劇椎管內(nèi)的炎癥并影響受損神經(jīng)功能的恢復(fù)[9]。

2 胃腸道菌群影響神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)制

近年來，微生物-腸道-大腦軸 (MGBA)是許多學(xué)者關(guān)注的一個(gè)研究熱點(diǎn)。MGBA 是一種雙向通信系統(tǒng)，可使CNS 與腸道進(jìn)行通信。胃腸道系統(tǒng)與CNS之間的交互作用主要通過CNS和迷走神經(jīng)與胃腸道神經(jīng)系統(tǒng) (ENS) 的直接和間接作用來調(diào)節(jié)[14]。

2.1 對自主神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

MGBA 內(nèi)的信號傳遞是多方面的，包括 ENS 和自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)迷走神經(jīng)部分之間的直接和間接信號傳遞。ENS 的感覺和運(yùn)動神經(jīng)元直接支配迷走神經(jīng)，從而允許 ENS 向 CNS 提供有關(guān)微生物群結(jié)構(gòu)和功能的持續(xù)反饋[15]。

此前有學(xué)者在無菌小鼠模型中引入微生物群，并在抗生素治療的對照組小鼠中改變微生物群，發(fā)現(xiàn)腸道微生物群能直接影響血清素、色氨酸、犬尿氨酸、下丘腦水平加壓素和催產(chǎn)素等多種神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的水平，也可影響成年海馬神經(jīng)發(fā)生、早期發(fā)育過程中前額葉皮層的正常髓鞘形成以及腸神經(jīng)元興奮性和動作電位變化[16-18]。

2.2 對神經(jīng)炎癥的調(diào)節(jié)

微生物群在免疫系統(tǒng)發(fā)育和神經(jīng)炎癥調(diào)節(jié)中具有重要作用，而神經(jīng)炎癥也與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展過程有關(guān)。胃腸道菌群生態(tài)失調(diào)可導(dǎo)致血腦屏障破壞和 CNS 中小膠質(zhì)細(xì)胞激活，并加重神經(jīng)炎癥，最終加重疾病負(fù)擔(dān)。

神經(jīng)炎癥可造成血腦屏障嚴(yán)重破壞。炎癥過程釋放的細(xì)胞因子以主動運(yùn)輸、滲透擴(kuò)散或響應(yīng)外周信號等方式通過血腦屏障進(jìn)入大腦。炎性細(xì)胞因子一旦進(jìn)入大腦，就會造成血腦屏障完整性喪失，而治療腸道微生態(tài)失調(diào)可能逆轉(zhuǎn)血腦屏障損傷并恢復(fù)其保護(hù)功能。Braniste等[19]通過構(gòu)建小鼠模型發(fā)現(xiàn)，在腸道菌群生態(tài)失調(diào)時(shí)小鼠血腦屏障通透性增加，而在腸道菌群恢復(fù)平衡后其血腦屏障通透性降低。另一項(xiàng)研究則發(fā)現(xiàn)，血腦屏障通透性改變會導(dǎo)致細(xì)菌和細(xì)胞的代謝物甚至是細(xì)菌本身能夠進(jìn)入CNS并影響其功能[20]。

雖然生態(tài)失調(diào)、小膠質(zhì)細(xì)胞激活與疾病發(fā)展之間的直接聯(lián)系尚不明確，但仍有大量研究表明三者存在相關(guān)性。Sun等[21]將健康小鼠的糞便移植物用于治療帕金森病(PD)模型小鼠，發(fā)現(xiàn)PD模型小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞活化減少和運(yùn)動缺陷減少。 Chu等[22]研究發(fā)現(xiàn)，口服多糖 A、脆弱擬桿菌代謝物可誘導(dǎo)白細(xì)胞介素(IL)-10 產(chǎn)生和 Treg 細(xì)胞活化，從而導(dǎo)致 IL-17減少，并促進(jìn)模型小鼠功能改善。 Cristiano等[23]研究發(fā)現(xiàn)，IL-17 信號傳導(dǎo)無效也與神經(jīng)炎癥減輕和神經(jīng)認(rèn)知活動增加有關(guān)。同樣，Claesson 等[24]通過長達(dá)8周的隨機(jī)雙盲試驗(yàn)研究了77 名患者使用唾液乳桿菌UCC4331、嬰兒雙歧桿菌35624等特定益生菌與安慰劑的情況。在使用安慰劑的情況下，上述患者的輔助性T細(xì)胞(Th)1處于促炎狀態(tài)；而在接受雙歧桿菌治療的情況下，患者的促炎狀態(tài)和臨床癥狀均得到改善，上述結(jié)果提示微生物群的特定變化不但可以減弱炎癥信號，而且有助于改善臨床治療效果。

2.3 對氧化應(yīng)激反應(yīng)的調(diào)節(jié)

菌群失調(diào)會增強(qiáng)機(jī)體的氧化應(yīng)激反應(yīng)，并會加重神經(jīng)系統(tǒng)的功能障礙。很多研究都發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)系統(tǒng)癥狀出現(xiàn)之前，PD 患者的胃腸道功能紊亂往往已存在多年。Ostojic等[25]分析 PD 患者的微生物組發(fā)現(xiàn)，其胃腸道內(nèi)產(chǎn)生氫氣(H2)的細(xì)菌明顯減少。而Scheperjans[26]則發(fā)現(xiàn)，因胃腸道內(nèi)產(chǎn)H2細(xì)菌過度生長導(dǎo)致H2濃度較高的 PD 患者神經(jīng)系統(tǒng)癥狀有所減輕。H2作為機(jī)體的抗氧化劑，可減少羥基自由基。上述試驗(yàn)結(jié)果均表明，胃腸道菌群失調(diào)可能通過降低H2造成神經(jīng)元破壞，進(jìn)而導(dǎo)致活性氧自由基增加。Fu 等[27]通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，用50% 的飽和H2口服溶液治療PD 大鼠模型能夠預(yù)防或延遲其發(fā)生黑質(zhì)紋狀體變性。Wang等[28]將從對照組收集的糞便移植到淀粉樣前體蛋白轉(zhuǎn)基因無菌小鼠，發(fā)現(xiàn)這些小鼠的CNS中會出現(xiàn)顯著的的淀粉樣斑塊積聚。β-淀粉樣蛋白通常由大腸桿菌、腸道沙門氏菌、鼠傷寒沙門氏菌、枯草芽孢桿菌、結(jié)核分枝桿菌和金黃色葡萄球菌產(chǎn)生。而這種外源性 β-淀粉樣蛋白進(jìn)入CNS將會激活小膠質(zhì)細(xì)胞，導(dǎo)致活性氧自由基的產(chǎn)生增加。

2.4 對亞硝化應(yīng)激反應(yīng)的調(diào)節(jié)

胃腸道菌群失調(diào)可通過幾種不同的機(jī)制直接和間接造成亞硝化應(yīng)激反應(yīng)增強(qiáng)。生理水平的一氧化氮(NO)可在細(xì)胞增殖、分化和存活等神經(jīng)保護(hù)活動中充當(dāng)重要的細(xì)胞內(nèi)信號，而高水平的 NO則可與活性氧自由基相互作用并形成過氧亞硝酸鹽。這種高活性分子能夠?qū)Χ喾N蛋白質(zhì)進(jìn)行翻譯后修飾并抑制電子傳遞鏈。因此，活性氮分子可導(dǎo)致三磷酸腺苷(ATP)產(chǎn)生減少，最終導(dǎo)致線粒體斷裂和細(xì)胞凋亡[29]。

胃腸道菌群主要通過3種方式直接或間接影響NO產(chǎn)生：①細(xì)菌誘導(dǎo)的炎癥可激活誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)[30]；②鏈霉菌屬、桿菌和諾卡菌屬等可直接產(chǎn)生NO[31]；③大腸桿菌和植物乳桿菌等可將硝酸鹽和銨鹽代謝為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽又會被進(jìn)一步代謝產(chǎn)生NO。Scheperjans等[26]通過甲基-4苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP)誘導(dǎo)構(gòu)建PD 小鼠模型并用NO合酶拮抗劑治療，發(fā)現(xiàn)活性氧和活性氮形成均減少，黑質(zhì)受損延遲，MPTP 介導(dǎo)的多巴胺神經(jīng)元破壞受到抑制。

3 胃腸道菌群的調(diào)節(jié)方式及其對神經(jīng)系統(tǒng)的影響

生態(tài)失調(diào)被定義為腸道微生物群落的持續(xù)失衡狀態(tài)。從神經(jīng)學(xué)的角度看，生態(tài)失調(diào)會導(dǎo)致 MGBA 失調(diào)，從而導(dǎo)致血腦屏障通透性增加，活性氧/活性氮增加以及神經(jīng)元傳導(dǎo)異常和神經(jīng)炎癥發(fā)生。因此，對生態(tài)失調(diào)進(jìn)行干預(yù)可以預(yù)防許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生或減緩其進(jìn)展。益生菌、益生元和飲食調(diào)整都已被證明可以用于治療腸道生態(tài)失調(diào)，并可能將其恢復(fù)到其受干擾前的狀態(tài)。

3.1 飲食調(diào)整

胃腸道微生物群的組成取決于許多因素，其中最重要的因素之一是飲食。研究發(fā)現(xiàn)，富含不健康脂肪、蛋白質(zhì)、鹽和單糖的飲食，即所謂的西方飲食 (WD)，會導(dǎo)致厚壁菌和柯林斯氏菌水平升高及擬桿菌水平降低[32]。微生物群組成的變化與肥胖、抑郁、焦慮和認(rèn)知功能障礙的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。Noble 等[33]研究表明，食用WD僅3 d就會導(dǎo)致嚙齒動物的空間記憶受損，而WD可通過調(diào)節(jié)微生物群導(dǎo)致腸道通透性增加、血腦屏障功能障礙和神經(jīng)炎癥發(fā)生。Burhani 等[34]研究發(fā)現(xiàn)，WD 導(dǎo)致的擬桿菌減少與膽汁酸結(jié)合減少有關(guān)。這些未結(jié)合的膽汁酸在遠(yuǎn)端結(jié)腸帶電，并能夠?qū)δc道內(nèi)壁造成損傷。這種損傷可導(dǎo)致腸道通透性增加，可能與神經(jīng)炎癥增加有關(guān)。

相反，主要由水果、蔬菜、豆類和全谷物組成的地中海飲食 (MD) 等與微生物群組成變化、全身神經(jīng)炎癥減輕有關(guān)，可在神經(jīng)精神疾病的發(fā)展中發(fā)揮重要作用[35]。MD由高水平的ω-3 和ω-6 多不飽和脂肪酸組成，這些多不飽和脂肪酸與降低抑郁癥發(fā)展風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。Sandhu 等[32]對日常飲食中含有大量ω-3 和ω-6 多不飽和脂肪酸的患者進(jìn)行微生物群分析，發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌和乳酸桿菌的濃度增加。這種細(xì)菌種群的變化表明雙歧桿菌和乳酸桿菌可能在神經(jīng)精神疾病的發(fā)展中起主要作用，并可減輕抑郁癥的癥狀。

3.2 益生元

益生元是不溶性的膳食纖維，可促進(jìn)人體共生細(xì)菌生長和健康微生物群形成。研究表明，不溶性纖維的攝入量減少會導(dǎo)致微生物群生長異常，從而導(dǎo)致胃腸道菌群失調(diào)。低聚半乳糖(GOS)作為益生元的一種，是許多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。GOS 主要由腸道中的雙歧桿菌和乳酸桿菌發(fā)酵產(chǎn)生。因此，GOS 可誘導(dǎo)這些細(xì)菌在腸道內(nèi)定植[32]。

Burokas等[36]對健康志愿者進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)GOS 可導(dǎo)致血清皮質(zhì)醇水平和警覺性降低，并產(chǎn)生負(fù)面影響。而Yang等[37]則針對老年人進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)使用 GOS 治療 10 周后，患者糞便分析顯示炎癥減輕。

目前認(rèn)為，GOS可以減輕手術(shù)引起的認(rèn)知功能障礙。Kigerl等[38]在行腹部手術(shù)前用 GOS 預(yù)處理小鼠 18 d后發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，經(jīng)過GOS 處理的小鼠海馬中 IL-6 和 IL-4等神經(jīng)炎癥因子減少，其認(rèn)知障礙也減輕。對上述小鼠的胃腸道菌群進(jìn)行分析則發(fā)現(xiàn)，GOS 治療組小鼠雙歧桿菌的數(shù)量增加。上述結(jié)果表明，用益生元對生態(tài)失調(diào)進(jìn)行預(yù)處理，能夠通過預(yù)防神經(jīng)炎癥對神經(jīng)產(chǎn)生保護(hù)作用。

3.3 益生菌

益生菌是具有活性的微生物，食用后可為宿主提供許多益處，例如增強(qiáng)抗菌和抗病毒作用、減輕炎癥和恢復(fù)健康的腸道菌群平衡。

已有研究發(fā)現(xiàn)，益生菌對大腦功能和行為可產(chǎn)生有益影響。在Tillisch等[39]的一項(xiàng)研究中，健康女性被隨機(jī)分配接受含有乳酸菌、嗜熱鏈球菌、保加利亞乳桿菌和乳酸乳球菌亞種等動物雙歧桿菌亞種混合物的益生菌發(fā)酵乳制品(FMPP) 。Takada等[40]在一項(xiàng)安慰劑對照研究中通過檢測快速信息處理過程中的腦電圖變化水平和皮質(zhì)醇水平變化發(fā)現(xiàn)，用長雙歧桿菌1714治療的健康成人壓力降低，且記憶力得到改善。而這些作用似乎是具有益生菌特異性的，如干酪乳桿菌Shirota (LcS) 菌株可緩解小鼠模型和人體與壓力相關(guān)的癥狀，但鼠李糖乳桿菌并不能產(chǎn)生類似治療效果[41-42]。而在Kigerl 等[38]的一項(xiàng)研究中，研究者對脊髓損傷小鼠從受傷當(dāng)天開始予凍干益生菌合劑VSL#3治療并持續(xù)到傷后 35 d，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過治療的小鼠表現(xiàn)出神經(jīng)病理學(xué)改變減少，運(yùn)動恢復(fù)改善。此外， Falc?o de Arruda等[42]于2004 年研究發(fā)現(xiàn)，腦損傷患者接受益生菌治療后，其在重癥監(jiān)護(hù)室治療的時(shí)間和必須使用機(jī)械通氣的時(shí)間縮短。Sofi等[43]研究發(fā)現(xiàn)，擬桿菌屬、普氏菌屬和雙歧桿菌屬對碳水化合物發(fā)酵成活性代謝物和短鏈脂肪酸至關(guān)重要。其體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些益生菌能通過激活A(yù)MP依賴的蛋白激酶(AMPK) 激酶、短鏈脂肪酸，在調(diào)節(jié)脂質(zhì)和膽固醇代謝的過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，從而降低退行性疾病的發(fā)病率。

4 結(jié)語

由于目前大多數(shù)研究都聚焦于慢性生態(tài)失調(diào)在慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)展中的作用，支持MBGA可限制急性神經(jīng)損傷的證據(jù)較少。本文所提出的支持生態(tài)失調(diào)治療在神經(jīng)損傷中應(yīng)用的證據(jù)仍存在一定爭議。首先，大多數(shù)研究都是在動物模型中進(jìn)行的，其人體應(yīng)用效果尚不清楚；其次，神經(jīng)損傷的病理生理機(jī)制過于復(fù)雜，涉及多個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并且可能存在個(gè)體差異。然而，與生態(tài)治療創(chuàng)傷或手術(shù)引起的急性神經(jīng)損傷相關(guān)的研究仍有較大前景。由于神經(jīng)損傷患病率高及預(yù)后較差，亟待開發(fā)能夠有效限制和預(yù)防神經(jīng)損傷進(jìn)一步發(fā)展的療法。通過飲食調(diào)整、添加益生元或益生菌治療生態(tài)失調(diào)以限制神經(jīng)損傷的發(fā)展，可能是一種低成本、高效益、無害的解決方案，值得進(jìn)一步深入研究。