倪新莉:禁食对肠道菌群源性外泌体及中枢神经系统炎症的影响

2021
09/17

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米勒之声
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肠道菌群被称为人体的“第二大脑”,它参与物质代谢,合成多种重要营养物质,维持正常的免疫功能,影响人体健康。

本文由“中华医学信息导报”授权转载

术前禁食是预防和降低麻醉后误吸风险的有效措施。然而部分患者禁食后会出现不同程度的以谵妄为主要表现的急性脑病综合征(excited delirium syndrome,ExDS)症状。术前急性禁食可影响脑内多巴胺浓度、增加多巴胺神经元的兴奋性突触,对神经行为及情绪产生影响;也会严重影响神经回路突触的结构及功能稳态。然而除神经元外,急性禁食对中枢神经系统其他细胞类型的影响尚不清楚。那么,禁食这一源自消化系统的事件为什么会对与其相距甚远的中枢神经系统产生影响呢?介导这种调控作用的介质是什么?本文对这几个问题进行阐述。

肠道菌群对人体的调控作用

肠道菌群被称为人体的“第二大脑”,它参与物质代谢,合成多种重要营养物质,维持正常的免疫功能,影响人体健康。禁食可导致肠道菌群的丰度和组成发生改变。因此,肠道菌群可能是通过微生物-肠-脑轴(microbial-gutbrain axis,MGBA)介导了这种调控作用。MGBA是肠道微生物与中枢神经系统相互作用的双向通信系统。肠道菌群首先改变肠黏膜屏障通透性,促使肠道内毒素入血;其次降低血脑屏障中紧密连接蛋白的表达从而影响其通透性,使其代谢产物及分泌的化学信号进入中枢,作用于神经元及胶质细胞。肠道菌群的紊乱与多种神经退行性疾病的发生发展具有相关性。当肠道菌群紊乱时,菌群的丰度和多样性改变,有益菌减少,有害菌的数量增加,可引起记忆功能缺陷、焦虑与认知行为的改变。其中革兰阴性菌如大肠杆菌等,通过衍生的脂多糖进入血液或直接进入大脑,诱发系统性炎症、神经炎症和与脑组织淀粉样变及神经认知功能受损相关的病理过程。而富含有益菌成分的益生元、益生菌和饮食等也能干预情感和认知功能,通过肠-脑轴抑制小神经胶质细胞(microgliacyte,MG)活化,从而改善大鼠的认知功能。因此,无论是革兰阴性细菌水平的增加还是益生菌的减少都可能通过激活全身炎症反应加剧认知障碍的进展。

肠道菌群在调控中枢神经系统炎症反应中具有重要作用

MG在脑内分布广泛而规律,它的激活是中枢神经系统炎症反应的第一步。不仅如此,激活的MG还可以靶向死亡细胞、神经元、树突等结构。MG可以活化为M1型和M2型,发挥促炎和抑炎的双重作用。生理状态下,MG通过吞噬清除细胞碎片和代谢产物、灭活有害物质、调节神经发生和神经元的活动,在大脑发育、突触可塑性和学习记忆中发挥关键作用。然而,在某些病理状态下,某些促炎因子和神经毒性介质的释放可引起MG激活并向受损区域聚集发生极化。M1型MG数量增加,细胞吞噬能力下降,广泛细胞损伤,延长炎症反应,加重神经元死亡,还可释放自由基和一氧化氮等,破坏血脑屏障。M1型MG极化还可加重神经系统炎症因子的释放,抑制神经突起的生长,增加Tau蛋白积累,促进PC12细胞凋亡,形成循环损伤。另一方面,M2型MG通过抗炎因子促进炎症消退,促进吞噬、营养因子的释放和组织再生,从而使促炎细胞表型失活并重建体内平衡。促进M2表型的MG活化可减轻脑损伤,促进脑损伤后神经功能恢复。因此,中枢神经系统MG的激活及活化表型在中枢神经系统炎症反应中具有重要作用。那么,肠道菌群是通过何种途径作用于中枢神经系统MG调节炎症反应的呢?
外泌体是新近发现的由细胞分泌的微小囊泡,可输送到远端靶器官,作用于靶细胞,是细胞与细胞间物质信息传递的主要载体。外泌体主要包含蛋白质(酶)、脂质、RNA和DNA,将携带的信号物质从母源细胞传递至受体细胞。外泌体可被肠道内皮细胞吸收入血并通过细胞间连接穿越血脑屏障聚集在大脑中,在调控大脑微环境中具有重要作用,促进神经胶质细胞与神经元间的信号沟通、MG介导的免疫反应和突触组装和可塑性等;还可参与异常折叠蛋白的清除和聚集,发挥解毒和神经保护功能,促进疾病进展。通过设计外泌体可更精确地将外源性物质靶向大脑或所需的组织和位置。全身几乎均可检测到外泌体存在,肠道内定植的细菌也在不断分泌外泌体。目前包括乳杆菌、大肠杆菌在内的多种细菌源性外泌体被成功分离。肠道致病性大肠杆菌的毒素因子通过与外泌体结合后靶向目标结构释放并执行新的作用,损害靶细胞的功能。乳杆菌源性外泌体(lactobacillus-derived exosomes,lac-Exo)可被肠道吸收入血并穿过血脑屏障聚集在大脑中,进而调节小鼠空间学习和记忆功能。MG吞噬脂肪干细胞源性外泌体后,其诱导M2型小胶质细胞极化的作用显著增强,脑梗死面积显著缩小。口服副干酪乳杆菌外泌体可降低脂多糖诱导的肠道免疫细胞促炎因子IL1α、IL-1β、IL-2和TNF-α的表达,增加抗炎细胞因子IL-10和转化生长因子β的表达,保护小鼠免受葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎症损伤。lac-Exo通过诱导抗炎细胞因子IL-10的分泌,以及细胞因子IL-1β和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子的分泌,并诱导单核细胞向巨噬细胞过渡,使巨噬细胞向M2型极化,纠正M1和M2巨噬细胞之间的失衡,从而改善炎症。因此,肠道菌群源性外泌体在调控中枢神经系统炎症反应中具有重要作用。

术前禁食对中枢神经系统炎症的影响

笔者团队在前期研究中发现,急性禁食后小鼠脑组织海马和皮层内的中枢神经系统固有免疫应答细胞——MG显著活化。其标志性蛋白Iba-1显著增多,炎症因子TNF-α、IL-1β和IL-6表达上调、抗炎因子IL-10显著减少,形态学上可见皮层区域神经元肿胀(胞浆嗜酸性染色减弱)。MG是中枢神经系统中最主要的免疫防线,发挥着“巨噬细胞样”功能,它的活化能够诱发中枢神经系统的炎症反应。深入探索后笔者团队也发现:小鼠肠道乳杆菌属在禁食早期所占比例无显著变化,但急性禁食16 h和24 h后其丰度明显下降。此外阿克曼菌属、拟杆菌属、毛螺菌属等菌群显著增多,继续禁食至16 h及24 h上述菌属丰度明显下降。我们推测这些肠道菌群的改变,可能是通过MGBA激活MG的原因。由于乳杆菌是益生菌的最常见类型,那么禁食小鼠肠道乳杆菌显著减少是否是引起大脑MG活化的原因?在进一步研究中发现:乳杆菌条件性培养基能够抑制原代MG向M1型(促炎型)分化,然而超速离心去除外泌体的条件性培养基则失去了上述功能。笔者团队推测乳杆菌源性外泌体在调节MG分化中可能具有重要作用。
因此,笔者团队提出如下科学假说:短期禁食可导致肠道菌群紊乱,造成乳杆菌比例显著下降,lac-Exo数量、成分发生改变,无法抑制中枢神经系统MG向M2型分化,诱发了炎症反应,导致ExDS的发生。

小  结

lac-Exo是否能通过血脑屏障被MG吞噬?lac-Exo是否是抑制MG活化的关键因素?lac-Exo中哪些组分在调控MG分化?详细机制如何?上述问题的回答有助于阐明短期禁食诱发ExDS的分子机制以及对MGBA的作用机制提出理论补充,并为确定合理的术前禁食时长及预防禁食后ExDS的发生提供理论及实验依据,期待更多的临床研究对此进行探索。
文字 | 倪新莉  
编辑 | 郑梦莹  
责任编辑 | 米莉莉  
审核 | 王丽   
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关键词:
肠道,禁食,细胞,功能

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