综述 | Pharmacol Ther.: 益生菌: 针对不同性别和年龄的微生物-肠-脑轴功能障碍的新疗法（下）

编译：微科盟张嘻嘻，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

导读  

益生菌是一类通过摄入足够量后对宿主健康有益的活性微生物。在益生菌能对胃肠功能产生有利影响的普遍共识下，现很多新的研究还发现，肠道微生物群落的改变，也能对机体产生广泛的影响。肠道微生物群可以影响包括免疫、内分泌、心血管和中枢神经系统（central nervous system, CNS）在内的多个肠外系统,其中，人们对肠道微生物可能通过“微生物-肠-脑轴”影响CNS相关功能的作用愈发重视。日益增多的证据显示，益生菌对一些CNS相关疾病有潜在的治疗价值，例如焦虑、抑郁、自闭症和帕金森病，但益生菌的治疗效应很可能存在一些性别差异，且肠道微生物的形成和调控也都因为男女激素水平差异而有所不同。益生菌可影响肠道微生物参与调控宿主多种生物过程的能力，包括神经递质活性的改变、迷走神经传递能力的调节、神经活性代谢物和炎症反应介质的产生，其中一些益生菌可能通过与宿主性激素（如雌激素）相互作用，而对其应激反应和认知状况产生影响，这就增加了益生菌的生物作用具有性别差异的可能性，这种差异还影响益生菌对内分泌和CNS的影响。在这篇综述中，我们旨在描述益生菌在微生物-肠-脑轴相关功能障碍中的作用和应用。此外，我们还将在性别和年龄差异的背景下探讨益生菌的概念和分类，以及如何通过临床和饮食的干预来恢复肠道微生物的组成来影响健康结局。我们还评估了这些新发现可以如何指导益生菌研究的工业前景，以及发现和发展更新、更个体化和更特异性的益生菌治疗剂。

论文ID

原名：Probiotics: Potential novel therapeutics for microbiota-gut-brain axis dysfunction across gender and lifespan

译名：益生菌：针对不同性别和年龄的微生物-肠-脑轴功能障碍的潜在新疗法 

期刊：Pharmacology & Therapeutics

IF：12.31

发表时间：2021.9.4

通讯作者：Jeremy D Bartos

通讯作者单位：美国MeriCal公司

DOI号：10.1016/j.pharmthera.2021.107978

综述目录

1 前言   2 益生菌和CNS功能   3 生命周期中的性别差异  

      3.1 早期生命中的微生物-肠-脑轴

   3.1.1 自闭症（ASD）

   3.1.2 注意缺陷/多动障碍（ADHD）

   3.1.3 早发性精神分裂症（EOS）

3.2 青春期和成年期的微生物-肠-脑轴

   3.2.1 重度抑郁症（MDD）

   3.2.2 广泛性焦虑障碍（GAD）

   3.2.3 神经厌食症（AN）

   3.2.4 创伤后应激障碍（PTSD）

3.3 晚期生命中的微生物-肠-脑轴

   3.3.1 阿尔兹海默症（AD）

   3.3.2 帕金森病（PD）

4.新一代益生菌：治疗的发现和发展   5.未来展望：挑战和机遇   6.结论  

主要内容

3.3 晚年的微生物-肠-脑轴  3.3.1 阿尔兹海默症（AD）

AD是一种渐进性疾病，其特征是随着年龄增长而出现中度至重度认知能力障碍，遗传是该病的主要风险因素，65岁及以上人群中约10%患有AD。神经退行性疾病的特征是皮层和皮层下组织逐渐萎缩并功能丧失，分子神经病理学显示在这些区域里，淀粉样蛋白-β斑块和tau相关的神经纤维缠结更为丰富，AD的核心症状包括随着疾病进展而恶化的记忆、行为和功能障碍。药物治疗的选择局限于有效的药物 (乙酰胆碱酯酶抑制剂，NMDA拮抗剂) 进行对症治疗。AD患者肠道微生物群落的改变可能导致大脑的病理生理改变，为了支持这一假设，在无菌条件下饲养的转基因AD小鼠比传统饲养的对照组小鼠大脑淀粉样蛋白沉积得更少，这表明肠道微生物群可能在AD淀粉样蛋白病理的发展中发挥作用。

在人体研究中，已证明AD患者在门和属水平上的拟杆菌表达均有所增加，此外，与健康的老年受试者相比，AD患者表现出放线菌水平下降—主要由双歧杆菌的变化驱动，这些细菌均与抗炎特性和降低肠道通透性有关。脂多糖（LPS）是革兰氏阴性菌（如拟杆菌）的关键外膜成分，其能触发全身炎症，包括从肠道转位到体循环后释放促炎细胞因子。老年人的肠道通透性增加，同时脂多糖结合蛋白(微生物易位的标志)也增多，此外，一项针对AD患者死后脑组织的研究表明，LPS和革兰氏阴性大肠杆菌片段可与淀粉样斑块共定位，提示AD患者肠道微生物（如拟杆菌）水平的增加可能导致LPS从肠道向体循环的易位增加，这可能有助于AD的病理变化，因此，AD的肠道微生物表型表现为拟杆菌增多，双歧杆菌减少，以及促炎细菌成分有易位的倾向。此外，一些被广泛用作益生菌的双歧杆菌，已被证实对改善AD患者的认知功能有好处。

3.3.2 帕金森病（PD）

除了AD，另一个较普遍的神经退行性疾病是PD，其通常发病年龄约为65岁，男性比女性更常见，这是一种以多巴胺能神经元缺失、α-突触核蛋白（α-syn）在剩余神经元集聚，以及大运动功能障碍为特征的疾病，且越来越多的人认为该病的症状具有异质性特征。目前也没有能减缓该病神经退行性发展进程的治疗方法。

PD异质性症状的一个关键特征是炎症途径和保护性免疫功能的失衡，包括由丰富的活性氧 (ROS) 引起的神经毒性，PD的另一个症状是便秘，约70-80%的患者受便秘影响。据推测，肠多巴胺能神经元功能丧失可导致肠多巴胺能含量增加和胃动力降低，此外，也有证据表明PD患者肠道微生物与疾病进展之间存在直接相关性，普氏菌科水平在PD患者中降低，而肠杆菌科、双歧杆菌和厚壁菌门水平在PD患者升高。

正如上述许多情况所观察到的一样，PD患者也表现出肠通透性增加和结肠促炎细胞因子表达升高。除了通过细胞因子的产生来调节炎症，益生菌还可以通过下调ROS来降低氧化损伤，有人提出，肠道通透性的增加以及细菌和炎性细菌产物的易位可能导致胃肠道炎症和氧化应激，从而启动肠道神经系统中α-突触核蛋白的积累，并促进疾病的进展。

益生菌在酪氨酸脱羧酶 (TDC) 产生中的作用也参与宿主-微生物调控，在人体脱羧酶抑制剂或酪氨酸存在的情况下，TDC是一种竞争性底物，其可在肠道内将左旋多巴转化为多巴胺。在PD患者中，由于肠道细菌TDC的表达量丰富，致使左旋多巴水平降低，因此，左旋多巴吸收位点的细菌TDC丰度的增加可显著影响血浆左旋多巴水平，进而影响进入大脑的含量。

虽然目前还不清楚肠道微生物的改变是PD发病的原因还是结果，但很明显的是，这些微生物群的变化可导致炎症损伤和/或氧化应激，继而发生神经元受损现象。像芽孢菌 sp. JPJ（Bacillus sp. JPJ）这类益生菌，可以将L-酪氨酸转化为L-DOPA，然后在体内DOPA脱羧酶的帮助下转化为多巴胺，因此，这类益生菌可能具有生物过程的转化潜能。最近一项体外研究表明，外周血单个核细胞(PBMCs)中的益生菌 (乳杆菌属和双歧杆菌属) 除了产生ROS外，还能影响主要的促炎和抗炎细胞因子释放，在PD患者中，L. salivarius LS01和Lactobacillus Acidophilus能显著降低促炎细胞因子的释放，而增加抗炎细胞因子的释放。研究还表明，与女性细胞相比，特定的乳酸杆菌 (L. rhamnosus LR06) 可能对男性细胞有更强的影响，而特定的双歧杆菌 (B. lactis BS01) 对女性细胞清除ROS的影响更显著。虽然在男性和女性PD患者中，双歧杆菌的丰度均降低，但因为健康成年女性有更高水平的双歧杆菌，因此双歧杆菌可能对女性PD患者能产生有利的影响，而男性则受益于增加乳酸菌的摄入，未来还需要进一步的研究来评估这一假设。

目前，尽管在研究肠道微生物群的作用和利用益生菌治疗心理健康相关症状方面取得了一些有益的进展，但许多问题仍有待解决，希望未来在这一领域的研究会增加，而设计得更合理的临床对照试验将有助于阐明这些影响是否具有年龄和性别的差异。

4. 新一代益生菌：治疗学的发现与发展  

益生菌通常作为膳食补充剂或食品的添加成分，而为了满足市场需求，需要不断推出新的产品，同时让人们意识天然存在的有益肠道细菌对健康的好处。采取以研究为基础的方法进行产品开发，促使了学术科学家和研究人员合作，并使基础研究和临床研究在该领域日渐兴盛，而现在的研究兴趣主要集中在维护胃肠道健康、抗生素应用和免疫系统健康方面。目前临床的证据等级因研究状况而异，证据范围介于无、不确定或低到中等之间，而这些都通常是作为支撑有利结局的研究。美国国立卫生研究院综合健康中心（NCCIH）基于对已发表临床研究的总结，在2019年8月的更新说明中总结道：研究之间的不一致性，以及缺少或不合理控制某些变量，如：益生菌类型（单一vs混合）、剂量、治疗时间、对照设置、样本大小和男女混合患者群体等试验设计问题，都会使实验分析和讨论总结变复杂。现在的观点认为，目前的试验安全性都是可以接受的，特别是像使用乳酸菌和双歧杆菌这类常用的物种，但是随着该领域的发展，新疗法则需要更安全更有效的研究做支撑。新一代益生菌（NCPs）是指用于制药而不是营养/食品添加的益生菌，NCPs可能可作为从安全性较高的传统菌群转向接受新菌群的手段，同时具有影响CNS相关功能的潜在功效。NCPs符合益生菌的定义，但最终可能交付药物监管系统审核，同时符合美国食品和药物管理局对活体生物治疗的定义，这样它们就可用于预防、治疗或治愈疾病。

以往研究往往关注传统益生菌对个体健康的安全性，与此不同的是，现在人们更注重考查新一代益生菌对疾病改善的安全性。由于这些菌株很多都没有处于GRAS状态（一种安全状态），那么在疾病状态下，尤其是免疫系统功能受损的情况下，菌株安全性研究就变得更为必要。这类产品主要的健康风险包括感染和/或益生菌产生的有害代谢物，以及潜在的抗生素耐药性。考虑到益生菌新属和新种的应用经验有限，尤其是NCPs，从未来的研究以及处于临床实验阶段的益生菌产品中提高对安全性和耐受性的认知，显得十分必要。目前，应用工业产益生菌来研究微生物与大脑的相互作用是NCCIH研究基金项目感兴趣的领域之一，这类研究兴趣同样在世界范围内其他国家的众多基金支持项目里得以体现。现在有大约80家与微生物研究相关的机构在网页列表中 (https://microbiome.ucdavis.edu/resources/microbiome-centers-and- organizations)，其中至少有一家研究机构得到大型制药公司的支持 (https://www.janssen.com/human-microbiome-institute )。在这些机构中，爱尔兰APC微生物研究所在微生物-肠-脑轴，特别是与精神疾病和中枢神经系统相关疾病的研究领域，处于研究标杆的低位。

在过去十年左右的时间里，微生物相关的动物和临床研究层出不穷，它们旨在研究微生物-肠-脑轴在健康中的作用，以及它是如何参与某些脑部疾病的病理生理发展。在PubMed上搜索 “gut-brain” 和 “probiotics”（2020/11/27）, 共出现460个结果，进一步细分显示，出版物的数量从2010年的2个增加到2020年的137个，表现出逐步上升的趋势，而未来这一趋势将会进一步发展。这些学术研究体现了多样化的样本类型和临床调查方式，其中还包括一些非CNS领域的研究。尽管关于微生物-肠-脑轴和益生菌在大脑健康作用方面的文献不断涌现（2010年至2020年共457项研究，图2a），但与大脑健康相关的商业化益生菌产品并没有平行增加。Lumina等人的一项搜索显示，在美国，与肠-脑相关的益生菌产品从2017年的5种增加到2020年的10种（图2b），这类结果表示该领域产品稀缺。在这些产品中，针对儿童和成人的产品数量有所不同，但在这一类别中，针对男性和女性的产品没有差别。新兴文献与益生菌应用之间的差异，指出了开发潜在治疗产品的落后问题。短期内，营养品行业可能会成为产品开发的主要驱动力领域，并不断完善产品应用，以提供更具个性化的营养治疗方案。目前，已出现了一种通过TargEDys调节微生物-肠-脑轴而实现食欲控制的益生菌，也有一些利用传统菌属（如乳酸菌和芽孢杆菌）针对ASD和PD缓解的例子，与此同时，促进益生菌疗法的生物技术/制药工业新部门也发展了起来。

图2. 与肠-脑相关的益生菌研究的科学文献的增加与商业开发之间的差距。近年来，新型益生菌的鉴定和应用以及微生物-肠-脑轴之间的相互作用一直是人们关注的热点。a) 2020年11月27日，在PubMed上搜索 “gut-brain” 和 “probiotics”，总结果为460条。其中，每年发表的出版物数量从2010年的2个大幅增加到2020年的137个。b) Lumina在2020年进行的一项搜索显示，美国有10种与大脑健康相关的商业化益生菌产品。其中，成人适宜的有7种，儿童适宜的有1种，成人和儿童同时适宜的有2种。

与益生菌作为保健品不同，作为药品使用的监管要求要严格得多，它需要明确的证据支持其产品的有效性和安全性，并在完成合理的临床试验后，再获得卫生机构（如FDA）的上市批准。尽管程序复杂，一些生物技术公司的候选药物已经在不同的临床开发阶段取得了良好的进展。为了增强研发实力，市面上还出现了公司联盟现象，例如在R&D旗下从事微生物衍生药的机构成员，就同盟组成了微生物治疗创新小组。另外，一些技术的发展也促进了该领域的发展，比较突出的是新一代测序在宏基因组学、细菌代谢组学和大数据处理中的应用，另外，该领域重点关注的主要疾病包括艰难梭状芽胞杆菌感染、2型糖尿病、肠易激疾病和免疫肿瘤学，而过去几年对这些疾病的研究已取得了一些令人振奋的成果。目前，多种候选药物正处于不同的临床开发阶段，还有一些第二阶段实验成功的药物 (例如，VE303) 还能为其他疾病适应症和有前景的临床项目提供潜在成功的证据。

图3. 基于益生菌的治疗模式的现状和发展。一些积极参与益生菌药物发现和开发的生物技术公司的展示。该图仅提供了最新在临床阶段 (Ph) 2和3开发药物的项目，涵盖各种疾病，并从公司网站上收集了信息。这些公司和其他公司还有更多的项目，没有在这里列出，处于第一阶段和临床前开发阶段。有关这些早期项目的更多信息可以在各个公司的网站上找到。正在进行疾病研究的项目如下: RBX2660, RBX7455, SER-109, CP101, VE303: 复发性难产梭菌感染;  SER-287：溃疡性结肠炎; EDP1815: 牛皮癣/特应性皮炎; MRx0518: 固体肿瘤; SYNB1618: 苯丙酮酸尿; EO2401: 胶质母细胞瘤/癌症; TAK018: 克罗恩病; KB195: 尿素循环紊乱。

目前参与微生物-肠-脑功能失调的益生菌治疗开发的研究机构较少，因为这是一个具有吸引力的发展领域，所以有一些机构仍保持着研究的兴趣。4DPharma目前拥有三个（MRx0029、MRx0005、MRx0006）用于神经退行性疾病和精神疾病治疗的临床前开发项目，算得上最活跃的机构了。另外，Finch Therapeutics有一个针对ASD的临床前研究项目，而Evelo有一个针对神经炎症的项目，同时，Kallyope也正在建立一个基于微生物-肠-脑轴的治疗项目，该项目重点关注对周围神经系统的调节，包括新的迷走神经回路，同时也用于治疗代谢紊乱状况，如肥胖。基于与微生物相关的治疗具有多种途径，在未来几十年里，相关药物开发研究应该会蓬勃发展，包括微生物-肠-脑轴相关功能障碍的治疗，而对益生菌疗法感兴趣的各方合作（如产业界、监管机构和医学界）与支持，将是未来发展和成功的重要因素。

图4. 关键利益相关者和消费者之间的合作是新一代益生菌未来发展的必要条件。学术研究机构、监管机构、私人营养药品和制药制造商以及消费者之间的公私伙伴关系对于发展新一代益生菌至关重要。这种合作必须围绕学术界的新发现、基于严格的健康和安全指南和当前最新的监管政策、私营行业的前沿创新，以及来自消费者的公正反馈。

早期，NIH人类微生物项目（https://www.hmpdacc.org）和Wellcome Sanger研究所(https://www.sanger.ac.uk/resources/downloads/bacteria/metahit/) 的MetaHIT (人类肠道宏基因组学) 联盟共同倡议和提供了针对活体生物治疗产品开发的管理规定，这些倡议和措施对刺激产业兴趣有很大的作用，而以下一些关键因素可能会阻碍研究成果的转化和新益生菌产品的商业化生产：

1）政策/监管障碍：益生菌产品可作为食品、处方产品、非处方产品或膳食补充剂，然而，各个国家针对这些产品形式的政策和监管方式各不同。在欧洲和亚洲，益生菌的使用历史都很悠久，但2013年，“probiotics”一词在欧洲的产品标签上被禁止使用，因为其健康声明缺乏一致性证据。在美国，益生菌最常见的是作为功能性食品或膳食补充剂，后者只允许对宿主进行结构-功能声明，而不允许有任何疾病声明。在这两种情况下，医疗保健提供者都因缺乏实用的临床指导而不能提出任何治疗建议，同样，限制包装上的声明也会导致用户缺乏对产品效果的理解。基于这些挑战，益生菌作为药物的应用可能有助于提高对特定益生菌调节CNS相关功能的有效性的认识，并为进一步的研究开辟空间。

2）风险防范：风险防范往往是政策缺失的结果，在某些情况下，人们缺乏对肠道/免疫健康领域之外的益生菌功能的了解。由于益生菌被广泛认为是肠道微生物的调节剂，大多数新的研究仍把评估肠道和免疫健康作为关键终点，这能使研究成功率更高且商业转化率更快。只有精选品种可能会调节肠-脑轴，而评估这些需要额外的时间和投资，并且可能不具备投资回报，因此就限制了研究的发展，从而导致市场将菌株商业化作为研究终点，而不是肠道和免疫健康。

3）流程和基础设施不足：一旦选定了具有相关特性功能的菌株，基础制造设施就变得至关重要，益生菌需要在产品中保持活性才能起效，因此，具有潜在功效的菌株如果不能活过生产过程，就无法转化为成功的益生菌产品。这个过程涉及几个重要方面(图5)：首先，对于一个有效的产品，菌种选择是至关重要的，菌种识别和鉴定工作必须基于其功能，而菌种不能基于属和种而互换使用。选择稳定的益生菌菌株(如冻干)不仅需要适宜的生产温度，还需要与细胞及其他成分如赋形剂(流动剂，填料，稳定剂，香料等)等混合。

4）益生菌配方中还会添加额外的活性成分，在这种情况下，必须确定额外的活性成分不会对菌株的功效产生负面影响 (成分相容性/抑制测试)。此外，储存条件也会显著影响益生菌的功效和生存能力。因此，最终产品格式和包装是益生菌生产的重要组成部分。水分活性会严重影响产品中益生菌的功效，而确保包装内部和干燥剂内衬包装中的低水分含量是有效防止水分活性的方法。 

5）对研究商业化的价值缺乏共识，大学和企业之间缺乏互动和合作：尽管越来越多的证据表明益生菌在CNS相关疾病中的潜在用途，但商业化的菌株还相对较少。虽然上面列出的可能是部分影响因素，但学术工作和营养行业之间缺乏合作也可能是原因之一。尽管科学研究越来越多，就从CNS领域缺乏相关认证的健康证据可以看出，这些科学研究还不能满足现在的商业化生产潮。应用先进的组学技术可以建立益生菌作用的机制，为肠-脑通路的认识提供帮助和基础，然而，研究策略需要协调一致，以提供可从生物学角度解释的信息数据，这反过来可能影响商业化菌株的最终健康声明，这样的努力将有助于增加产品用户和从业者对益生菌功效的理解。

减轻这些因素有利于增加商业生产活动，从而使新颖的想法、技术和产品进入市场，保证消费者在内的各种利益相关者的利益，目前，他们主要从非药物干预中受益，特别是在药物干预尚未建立的时候。

   图5. 说明生产有效益生菌产品的关键步骤的流程图。  

益生菌补充剂的商业化始于单个菌株的鉴定和选择。  接下来，对菌株进行测试，以确认其身份、效力和纯度。  根据最终产品的格式添加额外的成分和赋形剂。  

一旦准备好投入商业生产，配方就被混合、封装或压缩成片剂。  

包装必须在低湿度的环境中进行，以确保益生菌菌株不会受到损害。  一旦包装好，就进行分析测试，以确保质量和均匀性，并对许多最终产品进行稳定性测试，以确保满足保质期  。

5. 未来展望：挑战与机遇

展望未来，增加新型营养药物和治疗方法的研究和应用兴趣，将会使人们更好地了解微生物-肠-脑轴在人类健康和疾病中的作用。短期内，如果针对心理健康的新型益生菌补充剂出现，将能促进益生菌药物治疗CNS相关疾病的长期发展。基于动物和临床研究的证据，ASD和PD可能会成为治疗有望的疾病，而进一步发展和应用双向转化研究策略，以及机器学习等新技术方法的参与，将是取得进展的关键。考虑到微生物的复杂性与物种具备的差异，提高动物研究与人类研究的相关性将是一个重要的转化策略。干细胞相关技术的进步，如人类组织 (健康和患者) 来源的细胞系和类器官，可能为发展具有更高预测效应的试验以及协助患者群体分层提供新的途径，此外，还需要将其他因素 (如性别、年龄、饮食、药物) 结合患者群体特点逆向转化去设计动物模型和研究。另外，有必要开发可靠的转化生物标志物以证明机制和药效学作用，以及作为疗效预测指标，用以说明益生菌剂量选择具有基本参照，以及经过科学和治疗假说检验。虽然历史上对人类微生物群的关注一直围绕着肠道共生微生物，但对位于人体如皮肤、阴道、口腔和鼻腔的非肠道微生物群的兴趣和文献也越来越多。其中一些区域 (如鼻部) 也可能与大脑健康有关。这可能是未来人类微生物组研究中一个新兴的发展领域。公私伙伴关系将继续是保持研究势头和促进生产增速以取得有效进展的重要因素。图4所示的主要利益攸关方需要保持和创造性地扩大未来的合作，以促进新的方向，如涉及微生物-肠-脑轴功能障碍的疾病。

结论

尽管文献不断提供新的见解，并突出益生菌在中枢神经系统功能调节中的潜在作用，但益生菌在这一领域的应用仍然有限，除了微生物-微生物和宿主-微生物相互作用的关系，年龄和性别似乎也是影响益生菌在宿主系统中如何工作的关键因素。本综述中提出的证据表明，利用益生菌作为中枢神经系统相关疾病的干预手段，一些关键的考虑是识别特定的疾病 (如神经发育、精神病学、应激相关)，因为不同的菌株可能适合于不同群体、年龄和性别的受试者。不同的菌株会分别适合儿科、青年和老年人群。显然，益生菌的使用不能简单地归结为男性或女性或年轻人与老年人之间的区别，但有证据表明，肠道-脑作用的某些特征在女性中比男性更常见，在成人中比儿童更常见。为了充分理解和建立这些差异，有必要展开更关注性别差异的研究，并在研究男性和女性的情况下报道性别差异。此外，对现有文献的分析为益生菌干预能支持肠-脑健康提供了有说服力的论据。此外，还需要更多由研究驱动的专业化工业发展，包括公私合作和同盟关系，以此来促进新一代益生菌的发展，这些益生菌可能会作为具备安全性和特异性调节微生物-肠-脑轴的定制疗法。