综述 | 吉大二院（IF：7.658）：肠道微生物群和神经精神疾病：对神经内分泌免疫调节的影响（国人佳作）

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编译：微科盟听雪斋，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

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导读  

最近，越来越多的证据表明肠道微生物群失调可能与神经精神疾病的生理机制有关。据报道，神经精神障碍患者的微生物群落组成、多样性和分布特征发生了改变。然而，肠道微生物群导致神经精神疾病的确切途径仍不清楚。鉴于神经精神疾病的发病和进展以神经内分泌和免疫学的复杂改变为特征，这两者都可以通过“微生物-肠-脑轴”持续受到肠道微生物群的影响。因此，我们评估了神经内分泌和免疫调节之间复杂的相互作用可能是与神经精神疾病相关的肠道微生物群机制的基础。在这篇综述中，我们总结了肠道微生物群在神经精神疾病，特别是情绪障碍和神经发育障碍中作用的临床和临床前证据。本文综述了肠道微生物群参与神经内分泌免疫调节的潜在机制，并对神经精神疾病的生理机制提供了全面的了解。

论文ID

原名：Gut Microbiota and Neuropsychiatric Disorders: Implications for Neuroendocrine-Immune Regulation 

译名：肠道微生物群和神经精神疾病：对神经内分泌免疫调节的影响

期刊：Pharmacological Research

IF：7.658

发表时间：2021.9.20

通讯作者：崔然吉

通讯作者单位：吉林大学第二医院，吉林省分子和化学遗传学重点实验室

DOI号：10.1016/j.phrs.2021.105909

综述框架图

主要内容

1 前言

       在过去的几十年中，越来越多的证据表明肠道微生物群在宿主的生理和行为中起着重要作用。大约超过100万亿的微生物，是人体细胞的3倍多，栖息在人体胃肠道（GI）中。人类肠道微生物群的基因组至少是人类基因组的150倍。各种细菌、病毒和其他微生物组成了人类肠道微生物群，其中厚壁菌和拟杆菌占了整个组成的主导地位。肠道微生物群的密度、多样性和组成在初次定植后并不是恒定的，而在动态变化过程中，随着宿主的进化，在整个生命周期内对应于宿主的不同生理和病理状态。除了关于营养吸收、宿主代谢和炎症过程调节的主流研究外，新证据表明，肠道微生物群还可以通过与大脑的双向沟通影响情绪和行为。提出了“微生物群-肠-脑”轴的概念，以描述微生物群连接到大脑的途径主要包括循环途径和神经途径。

       共生细菌对先天性和适应性免疫调节以及下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴介导的应激反应有影响。值得注意的是，新证据表明肠道微生物群可以影响小胶质细胞的成熟和功能，最近发现小胶质细胞与几种神经精神疾病的病理机制有关。

       神经免疫和神经内分泌轴在神经精神障碍患者中被发现功能失调，对连接外周系统和大脑至关重要。各种精神问题在影响微生物群落组成、多样性和分布特征方面表现出相对的共性。临床和临床前证据均表明，通过益生菌治疗，微生物群扰动可部分缓解精神症状。考虑到多因素危险因素的高度临床异质性，根据目前的神经生理学证据很难全面理解其发病机制。因此，在这次审查中，我们总结了目前研究肠道微生物群与神经精神疾病关系的临床和临床前研究，并进一步讨论了神经内分泌免疫调节作为肠道微生物群影响中枢神经系统（CNS）的相关生理机制，以提供新的视角来了解神经精神疾病的生理机制。

2 神经内分泌免疫调节与神经精神障碍 

2.1 神经精神疾病的免疫调节

       神经精神疾病的病因机制具有高度多态性，包含环境、遗传和表观遗传修饰。临床数据表明，神经精神障碍患者与躯体症状和肠道病理学的共同发病率很高。情绪障碍通常与一系列疾病行为共存，这些疾病行为被用来描述炎症状态下的异常行为变化，包括疲劳、食欲减退、睡眠障碍、情绪和认知改变。据报道，临床心境障碍患者的白细胞介素-1β（IL-1β）、白细胞介素-6和肿瘤坏死因子（TNF）-α促炎细胞因子水平较高。有证据表明，先天免疫系统的激活程度和反应性与心境障碍的易感性有关。

       一些证据表明，心理社会应激暴露诱导外周免疫细胞中促炎症信号的转录激活，并导致中性粒细胞增多和单核细胞增多。在病理或炎症条件下，血脑屏障（BBB）的完整性被破坏，循环细胞因子更容易进入大脑。室周器官、室间隔和脉络丛可以让外周淋巴细胞和树突状细胞进入中枢神经系统，并与免疫分子相互作用，进一步推动神经炎症的进程。胶质细胞是神经炎症的关键调节因子。小胶质细胞作为中枢神经系统中的内源性巨噬细胞，可以监测中枢生理环境，感知病原体，分泌细胞因子和吞噬细胞碎片。

       小胶质细胞可通过损伤相关分子模式（DAMP）和病原体相关分子模式（PAMP）激活。外周促炎细胞因子进入大脑并激活位于小胶质细胞上的特定受体。一旦小胶质细胞被激活，单核细胞的募集和促炎症信号级联反应的启动随后发生。一些证据表明，应激会触发小胶质细胞的炎症反应，表现为启动小胶质细胞。Maes等人首先提出了“抑郁症的巨噬细胞理论”，表明促炎细胞因子可作用于中枢神经系统，并导致异常抑郁行为。急性应激源通过作用于含蛋白3（NLRP3）炎症小体的节点样受体吡林结构域，诱导海马中的高迁移率族蛋白1（HMGB-1）刺激小胶质细胞。激活的小胶质细胞产生氧化应激和线粒体功能障碍、神经元重塑和神经元丢失，这可能是小胶质细胞激活介导的精神疾病产生的机制。相反，有证据表明慢性应激减少了小胶质细胞的数量，减少了细胞体的大小，减少了小胶质细胞的分支。海马小胶质细胞衍生的TNF-α在小鼠急性应激暴露后导致工作记忆缺陷。这些结果表明，与小胶质细胞功能相关的精神疾病的病因尚不清楚。然而，药理学证据发现，通过脂多糖（LPS）注射建立的炎症小鼠模型已显示出抑郁表型以及小胶质细胞的过度活性，可通过传统抗抑郁剂、选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRI）或三环抗抑郁剂治疗来恢复（TCAs）。小胶质细胞抑制药物环氧化酶2（COX-2）抑制剂塞来昔布也具有抗抑郁作用，并已通过临床研究进一步验证，星形胶质细胞可以支持和分隔神经元，也参与损伤后神经炎症的调节。临床和临床前证据表明，神经退行性变伴随反应性星形胶质细胞增生、胶质瘢痕形成和神经元退行性变。然而，越来越多的证据表明，心境障碍患者的星形胶质细胞密度降低，星形胶质细胞的形态和功能萎缩。有争议的证据表明应激诱导的胶质纤维酸性蛋白（GFAP）减少表达可能与细胞丢失无关，而与星形胶质细胞网络的重塑有关。这些结果表明，小胶质细胞和星形胶质细胞之间的复杂串扰可能在应激性神经精神障碍中引起神经免疫调节。

       在小胶质细胞和星形胶质细胞中诱导的应激暴露的结果是以时间特定的方式动态调节的。这与公认的急性和短期应激诱导免疫保护和抗炎作用的假说一致。慢性和长期的压力会导致免疫抑制和神经炎症的发展。急性刺激，包括LPS注射和短期暴露于应激的急性刺激，诱导小胶质细胞增殖和脑源性神经营养因子（BDNF）从小胶质细胞中释放。海马中依赖BDNF的神经发生和神经可塑性被认为是快速抗抑郁作用的生理机制。早期研究表明，小胶质细胞通过BDNF信号刺激学习相关突触的形成。新的研究发现，IL-4驱动的小胶质细胞刺激海马的神经发生，从而引发BDNF依赖的抗抑郁作用。内侧前额叶皮质（mPFC）小胶质细胞和TNF-α的缺陷是青少年认知灵活性期间社会压力的基础。最近的研究表明，巨噬细胞集落刺激因子或粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子1（CSF1）可刺激海马小胶质细胞增殖，对慢性不可预测应激（CUS）治疗的抑郁小鼠具有快速抗抑郁作用，而丙咪嗪或二甲胺四环素则没有这种作用。与小胶质细胞类似，星形胶质细胞发挥着两种不同的作用，这取决于应激暴露的持续时间和神经系统疾病的发展。缺乏早期星形胶质细胞反应会加重中枢神经系统的损伤。相反，在疾病发展的慢性期，星形胶质细胞的耗竭通过抑制白细胞浸润来缓解症状。星形胶质细胞通过调节单胺系统和兴奋性和抑制性传递的失衡来影响神经元可塑性，从而参与中枢神经系统的病理学。星形胶质细胞的初始内在免疫调节是由激活的小胶质细胞释放的细胞因子引起的，包括TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-4、IL-10。星形胶质细胞中谷氨酸的合成得到改善，随后有利于认知。在急性应激条件下，CX3CR1、TLR的上调，主要触发前炎症的动态调节小胶质细胞的兴奋和抗炎过程，有助于维持健康大脑的内环境平衡。因此，急性应激刺激或短期应激暴露似乎主要触发小胶质细胞释放BDNF和依赖BDNF的神经发生、突触可塑性和突触重塑以及随后的认知灵活性（图1A）。

       众所周知，慢性或长期暴露于压力下与神经精神障碍高度相关。慢性应激暴露可导致BBB渗漏，使更多的湿气、PAMP和促炎因子进入大脑并激活神经胶质。慢性或长期暴露于应激下可诱导分支小胶质细胞和活化星形胶质细胞。据报道，慢性社会失败（CSD）应激易感小鼠比抵抗小鼠表现出更强大的小胶质细胞介导的氧化应激和吞噬作用。慢性应激暴露诱导的神经元CSF1表达升高刺激小胶质细胞介导的mPFC神经元重塑和突触缺陷，这可能导致焦虑和抑郁样行为。CX3C趋化因子受体1（CX3CR1）缺陷小鼠表现出对慢性应激诱导的小胶质细胞过度分支形态改变的抵抗力，并出现抑郁样行为。CX3Cr1信号是调节慢性应激的社会行为适应所必需的。持续激活CX3CR1可促进活性氧（ROS）的产生、核因子κB（NF-κB）和NLPR3炎症体的激活。预耗竭小胶质细胞或ROS抑制可防止CSD诱导的情感行为。小胶质细胞的消除阻止了单核细胞在大脑中的积累，并阻止了反复社交失败致敏小鼠的焦虑行为。此外，在慢性应激条件下，小胶质细胞募集产生IL-1β的单核细胞并促进IL-1β信号传导。IL-1β激活星形胶质细胞，促进促炎因子的分泌和释放，抑制抗炎因子。另一方面，IL-1β可以直接激活情绪相关的大脑区域，包括大脑的杏仁核和边缘结构，并刺激内皮细胞IL-1R1 + 神经血管内皮细胞。星形胶质细胞衍生的趋化因子反过来诱导小胶质细胞活化，包括单核细胞趋化蛋白（MCP）-1/CCL2。小胶质细胞衍生的BDNF能够作用于星形胶质细胞，促进NO释放。这些事件汇集了小胶质细胞-星形胶质细胞串扰调节在慢性应激诱导的神经免疫调节功能障碍中的关键作用。小胶质细胞的持续激活促进星形胶质细胞释放谷氨酸。来自星形胶质细胞的过量谷氨酸诱导兴奋毒性。持续的神经炎症和兴奋毒性可导致神经退行性变、行为绝望、疾病行为和神经精神疾病（图1B）。

图1. 小胶质细胞-星形胶质细胞串扰对神经元和行为表型的应激诱导效应。 急性应激增加小胶质细胞释放BDNF和依赖BDNF的神经发生、突触可塑性和突触重塑。在急性应激条件下，CX3CR1、TLR和TNF的上调主要触发小胶质细胞的促炎和抗炎过程的动态调节，这有助于维持健康大脑的内环境平衡。激活TRL4促进Creb依赖性BDNF分泌。BDNF促进神经发生、突触可塑性和重塑，这些过程有利于认知。慢性应激会增加血脑屏障的渗漏，使更多的病原体进入大脑。慢性应激可促进具有较高活性氧水平的分支小胶质细胞。NF-κB活化增加刺激NLPR3炎症体表达和促炎因子释放，促炎因子也刺激星形胶质细胞活化。这些事件集中于慢性暴露条件下星形胶质细胞串扰调节引起的神经炎症。来自星形胶质细胞的过量谷氨酸诱导兴奋毒性。兴奋毒性和持续性神经炎症可导致神经退行性变、行为沮丧、疾病行为和神经精神疾病。GR，糖皮质激素受体；GC，糖皮质激素；TrkB，BDNF受体；NO，一氧化氮；NMDAR，谷氨酸离子受体。   

2.2 神经精神疾病的神经内分泌调节

       HPA轴活动是一个已建立的应激调节系统，可通过有节奏地分泌应激激素来调节应激反应。下丘脑室旁核（PVN）、垂体前叶和肾上腺可被外部或内部刺激级联激活。下丘脑可以感觉到循环中皮质醇水平的升高，从而以负反馈方式下调促肾上腺皮质激素（CRF）的分泌。长时间的压力暴露会导致多动症和持续的压力激素水平。糖皮质激素（GC）可与大脑中与情绪相关的大脑区域（包括mPFC、海马和杏仁核）的GC受体（GR）结合，导致突触传递、突触结构重塑和神经发生改变。大量动物和人类证据表明，神经精神障碍（主要是重度抑郁症（MDD）和精神分裂症）的生理病因与HPA轴的过度激活和应激激素的刺激分泌有关。长期和持续的GCs水平诱导GC抗性，表现为对压力的反应能力不足。PVN神经元释放的CRF可在相邻的局部CRFR1神经元上形成突触，该神经元可通过谷氨酸能突触投射到孤束核（NTS）。PVN神经元感知HPA轴反应，并通过释放神经肽和神经调节剂或直接投射到与情绪相关的其他大脑区域来调节神经元活动。据报道，抑制HPA轴活性具有抗抑郁作用。

3 肠道微生物群与神经精神疾病

       临床证据广泛显示，伴有功能性肠道症状的神经精神疾病的并发病率较高，同时伴有细菌成分和多样性的变化。人类肠道微生物群主要由细菌、病毒和其他微生物组成。厚壁菌门和拟杆菌门是肠道细菌中两个最大的门，占人类细菌种类的95%以上。其他种类的放线菌门、疣状菌门和变形菌门的数量相对较少。目前的临床和临床前研究广泛使用16S rRNA微生物谱来检测神经精神疾病患者盲肠或粪便样本中肠道微生物的丰度和多样性。然而，方法上的限制仍然存在。由于没有充分考虑选择一些因素，包括性别、年龄和疾病进展的不同阶段，招募的样本量小，比较分析方法不当，导致结果不一。因此，根据观察到的微生物群组成变化，仍然难以确定胃肠道（GI）中与大脑相关的特定人类微生物群，以及肠道微生物群与神经精神疾病之间的因果关系。

3.1 情绪障碍 

3.1.1 临床证据

       情绪问题是神经精神障碍的重要组成部分，主要表现为MDD、焦虑和双相情感障碍（BD）。如表1所示，总结了描述神经精神疾病中肠道微生物组改变的临床证据。研究结果表明，情绪障碍患者（主要是MDD和BD）的α微生物多样性低于匹配对照组。据报道，在MDD患者的微生物组中，厚壁菌门的数量增加，拟杆菌门的数量减少，从而导致厚壁菌门/拟杆菌门的比例增加。粪便类杆菌的相对丰度与抑郁持续时间、症状以及与抑郁相关的相对大脑特征呈负相关。令人信服的结果还表明，MDD患者和精神分裂症患者的厚壁菌门显著减少。此外，研究发现，在患有小儿急性发作神经精神综合征（PANS）的儿童中，拟杆菌水平显著升高。考虑到共生微生物组的复杂性和比较分析的局限性，在当前的临床研究中，在门水平上出现了完全不同的结果。最近，一项比较MDD患者和健康对照组胃肠道微生物组组成的系统性综述表明，MDD中有九个属较高，包括厌氧菌属、布劳氏菌属、梭状芽孢杆菌属、克雷伯菌属、毛螺菌属、副拟杆菌属、副萨特氏菌属、考拉杆菌属和链球菌属。与健康对照组相比，精神分裂症（另一种神经精神疾病）患者的粪便中双歧杆菌属、大肠杆菌属、乳酸杆菌属和拟球梭菌的数量减少。早期的研究表明，益生菌在缓解生理和心理症状方面具有潜在的功效。研究发现，使用含有瑞士乳杆菌R0052和长双歧杆菌R0175的益生菌化合物进行为期30天的治疗，对HSCL-90量表测量的焦虑情绪具有有益的影响。最近的一项调查首次提供了直接证据，证明MDD患者在qPCR估计的粪便样本中双歧杆菌计数和相对乳酸杆菌计数低于健康对照组。由于不同研究的纳入标准存在广泛差异，临床数据显示出不同的结果。

表1. 神经精神疾病中肠道微生物组改变的临床证据总结。

MDD，抑郁症；A-MDD，主动MDD；HCs，健康对照组；R-MDD，响应MDD；BD，双相情感障碍；ADHD，注意缺陷多动障碍；ASD自闭症谱系障碍；Yrs，年；NS，无显著性；N/A，不适用。

3.1.2 临床前证据

       临床前研究表明，将抑郁症患者的粪便微生物群移植到缺乏微生物群的大鼠可诱发抑郁症的行为和生理特征，表明胃肠道微生物群在抑郁症中的关键作用，如表2所示，用外部应激源刺激的实验啮齿动物，以及公认的心境障碍实验模型，在肠道微生物组中表现出各种组成和功能改变。同样，一个新兴的研究机构已经表明，通过微生物组移植或益生菌治疗对微生物组进行干预可以缓解应激诱导的行为异常，在不同的模型中，这些行为异常总是伴随着正常化的微生物组群干扰。研究发现，丁酸梭菌治疗通过上调大脑5-羟色胺（5-HT）、胰高血糖素样肽1（GLP-1）浓度和BDNF表达，改善了不可预测的轻度应激（UMS）诱导的抑郁样行为。长期补充瑞士乳杆菌NS8可改善慢性约束应激（CRS）引起的抑郁行为缺陷，并下调应激诱导的HPA轴过度活动。一项有趣的研究表明，与对照组相比，服用慢性抗抑郁药的小鼠肠道细菌丰度降低，β多样性增加。在抗抑郁药物治疗和补充黄化瘤胃球菌促进线粒体氧化磷酸化相关基因并抑制度洛西汀的抗抑郁作用下，发现瘤胃球菌的丰度降低。此外，据报道，氯胺酮作为最近广泛报道的一种速效抗抑郁剂，可减轻慢性CSD应激易感小鼠体内梭菌的显著增加。另一项研究发现，低剂量氯胺酮给药可显著扩增乳酸杆菌、Turicibacter和八叠球菌，并减少致病菌粘球菌和瘤胃球菌。

       Guida等人报道，抗菌药物暴露导致微生物群紊乱，行为缺陷也伴随着一般炎症状态和海马中BDNF/酪氨酸激酶受体B（TrkB）信号的改变。他们还报告说，毛螺菌科的水平与在失调小鼠中观察到的行为变化显著相关。除了对抑郁症患者不同胃肠道微生物组组成进行纯粹的分类学研究外，一些研究表明抑郁症的发病机制可能与肠道微生物组多样性和丰度降低有关。

表2. 神经精神啮齿动物模型中肠道微生物群改变的临床前证据总结。

OFT，野外试验；FST，强迫游泳试验；TST, 尾悬挂试验；SPT, 蔗糖偏好试验；OVX，卵巢切除；EPM，高架+迷宫；LDB，明暗箱；↑，丰度增加；↓, 丰度降低；KET，氯胺酮；HP，海马；PFC，前额叶皮质；LPS，脂多糖；RS，抑制应激；大理石掩埋试验，MBS；自梳理试验，SGT；生酮饮食，三室社会测试，TCST；KD；击倒，KO；丙戊酸，VPA；N/A，不适用。

3.2 神经发育障碍 

3.2.1 临床证据

       除了情绪障碍，越来越多的临床证据表明肠道微生物群与神经发育障碍有关。产前和产后早期发育异常与包括自闭症谱系障碍（ASD）、精神分裂症和注意缺陷多动障碍（ADHD）在内的神经精神障碍的病理生理机制有关。患有这些神经发育疾病的临床患者胃肠道并发症的发生率较高。

       通常，一些人类研究报告了ASD或其他神经发育疾病患者粪便样本中微生物群的α-多样性显著降低。与健康对照组相比，广泛观察到ASD患者的厚壁菌/拟杆菌比率增加，这通常归因于厚壁菌水平增加和拟杆菌水平降低，与情绪障碍的结果相似。如表1所示，在神经发育障碍患者的样本中检测到较高比例的放线菌门、变形菌门和梭菌属。类似地，我们发现患有ADHD的儿童类杆菌水平升高，粪杆菌水平降低，且粪杆菌的丰度与ADHD症状呈负相关，同时观察到ASD患者中有益细菌属中双歧杆菌的丰度降低。尽管存在相互矛盾的证据，但患有肠道微生物群失调的自闭症儿童的乳酸杆菌科、双歧杆菌科和韦荣氏球菌科的丰度升高。

       越来越多的证据表明，异常的免疫激活可能与潜在的病理机制有关。ASD儿童粪便样本中的IgA水平和血清细胞因子水平高于健康对照组样本。Hughes HK等人观察到ASD儿童的抗白色念珠菌IgG抗体高于健康对照组，这与早期发现ASD和精神分裂症患者的真菌属念珠菌数量增加结果相一致。早期对ASD患者粪便微生物群分析的研究报告了大量梭菌属，其中某些种类可产生致病性毒素，口服万古霉素的ASD儿童表现出短期行为损伤改善。由于万古霉素不能直接进入中枢神经系统，其行为效能可能与肠道微生物群相关的外周炎症调节有关。

       值得注意的是，除了抗生素干预对肠道菌群动态和ASD症状的缓解效果外，还报道了抗生素干预对降低神经发育障碍相对风险的效果。Hamad AF等人发现，在第一年早期接触抗生素可以降低儿童患自闭症的风险，而在另一项研究中，他们还证明，超过3周的抗生素接触可能会增加儿童患ADHD的风险。另一项研究发现，微生物群转移疗法（MTT），一种结合抗生素治疗、肠道清洁和粪便微生物群移植（FMT）的疗法，对ASD患者的行为改善有持续7-8周的疗效。研究还发现，易患ADHD的儿童粪便中的双歧杆菌种类低于健康对照组。

3.2.2 临床前证据

       越来越多的临床前证据显示，实验模型中的微生物丰度和多样性发生了改变，这可能有助于理解胃肠道是如何参与神经精神疾病的。如表2所示，我们总结了ASD模型的微生物丰度变化，包括近交系BTBR T + 环境因素诱导的tf/J小鼠、shank3转基因小鼠和ASD表型小鼠。有证据表明BTBR T + tf/J小鼠和shank3 KO小鼠表现为ASD患者的微生物表型，厚壁菌群与拟杆菌群的比例增加。尽管如此，一项研究观察到BTBR小鼠粪便组织中的厚壁菌减少，专性厌氧菌拟杆菌相对增加。在子宫内接触丙戊酸（VPA）会导致异常的肠道免疫反应和社交能力不足。VPA小鼠模型和BTBR小鼠模型中的蛋白细菌丰度较高，这与人类研究中的观察结果一致。发现作为固有ASD表型模型的BTBR小鼠海马BDNF表达降低，结肠紧密连接紊乱，这可通过过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）-α、棕榈酰乙醇酰胺（PEA）激动剂治疗逆转。虽然遗传模型和环境因素诱导的自闭症样表型在门水平上显示了类似的肠道微生物丰富度变化，但肠道微生物组中某一特定物种的波动特征是高度多样的。

       最近有文献报道，将患有ASD的人类供体的肠道微生物群移植到无菌（GF）小鼠中，可发现定植小鼠的孤独症行为以及大脑中ASD相关基因的选择性剪接。早期的一项研究报告称，人类脆弱类共生杆菌的口服治疗改善了与孤独症相关的沟通和刻板印象中的行为缺陷，并通过针对母体免疫激活（MIA）后代紧密连接的表达纠正了肠道通透性。此外，有证据表明益生菌罗伊氏乳杆菌可以逆转与自闭症相关的行为缺陷。Tabouy L等人证明了罗伊氏乳杆菌在基因和蛋白质水平上对行为和γ-氨基丁酸（GABA）受体表达的影响存在性别差异，这可能与兴奋和抑制平衡有关。罗伊氏乳杆菌可以逆转母体高脂肪饮食引起的社会缺陷，而不影响微生物组分，而生理机制可能以迷走神经依赖的方式暗示催产素和多巴胺能奖赏系统。这一临床前证据提供了直接证据，证实了肠道微生物组在调节宿主行为中的关键作用，迷走神经可能参与了这一机制。

4 肠道微生物群如何与大脑沟通？

       正如广泛描述的，肠道可以双向影响大脑。术语“肠道-大脑轴”已扩展为“微生物组-肠道-大脑轴”，描述肠道菌群对肠道和大脑的调节作用。虽然肠道微生物群连接肠道和大脑的确切机制仍有待阐明，但目前的研究主要集中在肠道衍生分子，包括肠道神经递质、短链脂肪酸（SCFA）和色氨酸（Trp）、细胞因子和肠道肽，肠神经系统（ENS）构建的神经通路。

4.1 肠道信号分子

       体外证据表明，肠道微生物可以产生GABA、5-羟色胺、多巴胺、大麻素和乙酰胆碱，所有这些都占整个身体内容物的一半以上。SCFA是一系列链长小于六个碳原子的饱和脂肪酸，由肠道微生物群通过不可消化纤维的发酵产生。SCFAs可以通过粘膜进入外周循环，然后穿过BBB进入中枢神经系统。一些研究表明，丁酸钠可以上调海马和额叶皮质中几种神经营养因子的表达，进一步改善行为和认知异常。丙酸（PPA）的中央给药导致啮齿动物模型的社会行为损害。最近的一项研究表明，系统给药丁酸可导致结糖神经节和NTS中细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）的显著磷酸化。除神经精神疾病外，与肠道微生物群失调共病的帕金森病患者也被报告显示SCFA浓度降低。

       Trp是膳食中提供的一种必需氨基酸，可被肠道微生物群代谢并转化为多种分子，主要包括吲哚及其衍生物，属于芳基烃受体（AhR）配体。肠道产生的5-HT几乎占全身5-HT含量的90%，可激活位于肠道神经系统、传入和传出神经中的特定5-HT受体。考虑到Trp和直接5-HT前体5-HTP能够穿过BBB，而外周5-HT不能，外周Trp浓度对中枢神经系统中5-HT的产生和功能至关重要。此外，额叶皮质中的喹啉酸（奎那）/犬尿烯酸（KYNA）比率被计算为兴奋毒性风险指标，并据报告在慢性轻度应激（CMS）暴露后增加，抗抑郁药治疗可缓解应激诱导的兴奋/抑制失衡。外部应激源暴露诱导的炎症状态可能导致更多的色氨酸分解。

4.2 神经通路

       胃肠系统由植入胃肠系统衬里的神经元网络控制，这些神经元构成ENS。分布在肠道上皮的感觉迷走神经传入终末感知肠道微生物并将信号传递给大脑，但其分子机制尚不清楚。许多生理学研究已经证实感觉迷走神经传入是胃肠道和大脑的重要连接物，微生物群可以通过迷走神经向大脑发出信号，反之亦然。服用病原体和益生菌会引起心理或转录改变，这可以通过膈下迷走神经切断术来抵消。研究发现，切断迷走神经的小鼠失去了长双歧杆菌对焦虑样行为的改善作用。迷走神经切断术阻断口服乳酸杆菌菌株对小鼠情绪行为和中枢GABA受体表达的影响。值得注意的是，罗氏乳杆菌通过迷走神经传入挽救了由母体高脂饮食诱导的ASD模型的社会缺陷，这种影响可以通过迷走神经切断术来减弱。迷走神经可被外周炎性分子激活，包括细胞因子和PAMP。考虑到大量SCFA受体、细胞因子和肠肽在迷走神经传入中大量表达，迷走神经通路可能参与肠道分子对大脑的远程调节。此外，最近的一项研究表明，肠嗜铬（EC）细胞可以通过突触直接连接到肠道迷走神经传入，并将内脏信号传导到神经系统。一些研究表明，受损的迷走神经传入信号可影响海马的突触可塑性，并诱导伏隔核（NAc）中与精神分裂症相关的转录变化。另一项研究阐明了由肠迷走神经传入调节的臂旁黑质背外侧通路在奖赏行为和多巴胺活动中起着关键作用。值得注意的是，进一步证明迷走神经是肠道聚集的α-突触核蛋白向大脑传输的物理“高速公路”，这是帕金森病（PD）发病机制的基础。虽然明确的机制尚不清楚，但模糊传入作为微生物群肠-脑通讯的媒介途径的重要作用已经确立。

5 神经内分泌免疫调节：将肠道微生物群与神经精神疾病联系起来

       相关的人类和动物研究已经确定了微生物群对神经精神疾病的潜在调节作用，尽管具体关系仍不清楚。GF啮齿动物，在没有任何细菌接触的培养箱中饲养，被视为没有微生物的动物模型。我们总结了GF啮齿动物模型中的精神行为和神经生理学改变，以研究微生物组在精神病学中的明确作用（表3）。

表3. 无菌啮齿动物模型中精神行为和神经生理学改变的总结。

ATD，急性色氨酸耗竭；SI，社会孤立；OFT，野外试验；FST，强迫游泳试验；TST，尾悬挂试验；SPT，蔗糖偏好试验；OVX，卵巢切除；EPM，高架+迷宫；NOR，新颖的物体识别；CFR, 条件冷冻反应；MWM，莫里斯水迷宫；HP，海马；AMY, 杏仁核；DG，齿状回；NES，新环境压力。

5.1 免疫调节 

5.1.1 肠道微生物群对肠道免疫稳态和外周炎症的影响

       肠道内环境稳定归因于微生物与宿主肠上皮、肠粘膜和上皮的相互作用。肠上皮细胞及其邻近的粘液构成了物理和化学肠屏障，可分别保护管腔内的共生或致病细菌。固有层和间质组织中的内部免疫细胞为微生物提供了另一层防御。与无特定病原体（SPF）小鼠相比，GF小鼠的粘液层更薄、更易渗透，微生物定植可使这些生理变化正常化，表明肠道微生物群和细菌配体参与粘液的生物合成和功能。

       一些证据表明，微生物群与肠道血管生成有关。通过特定的细菌配体激活Toll样受体（TLR）2/6和4，以及NOD（核苷酸结合寡聚结构域）1和NOD2，发现其可促进肠血管生成，这依赖于NF-κB途径并上调血管内皮生长因子受体2（VEGF-R2）。通过TLR/髓样分化初级反应蛋白（MYD88）复合物识别微生物成分取决于绒毛巨噬细胞中下游血管内皮生长因子C（VEGF-C）的产生。这一证据表明，VEGF-C可能是肠道微生物的关键下游效应器，用于调节巨噬细胞和Treg的募集以及IL-9/IL-17平衡。此外，据报道，GF小鼠的钙结合蛋白和氮能神经元比例异常，ENS中的神经元数量减少，表明肠道微生物群在ENS功能的发育和维持中起着关键作用。

       上皮TLR属于模式识别受体（PRR），可以识别细菌和其他微生物特有的PAMP。这些受体的激活可刺激促炎细胞因子或趋化因子的分泌和释放进入肠道微环境，并导致周围T细胞的激活。肠道驻留CD4 + T细胞可以在稳态状态下调节先天免疫反应和肠道对微生物抗原的反应。一些研究结果表明，微生物代谢产物SCFAs可以诱导CD4分化 + T细胞，激活位于肠上皮细胞上的特异性G蛋白偶联受体（GPRs），并诱导产生炎症反应。此外，肠道驻留记忆CD4 + T细胞可以运输到外周淋巴结，并进一步调节外周免疫反应。

       微生物群在维持上皮屏障方面也起着重要作用。在肠道屏障破坏引发的初始炎症状态下，除了从常驻免疫细胞中激活和分泌炎性细胞因子外，还可招募大量免疫细胞作为反应。随后，中性粒细胞的浸润被促进，T细胞极化为Th1或Th17亚群。研究发现，肠道微生物群的缺失可导致Th17细胞的成熟和分化缺陷。肠道微生物群的存在或组成的改变可通过影响肠道免疫稳态而影响先天性和适应性免疫调节。一些研究表明，益生菌治疗可部分恢复肠道通透性和随后的系统性炎症。值得注意的是，慢性应激暴露等环境因素可打破宿主微生物群免疫调节相互作用的平衡，增加宿主对炎症性疾病的易感性，包括炎症性肠病（IBD）、多发性硬化症（MS）和类风湿性关节炎（RA）。因此，这些研究表明，由肠道菌群失调或缺失引起的肠道免疫稳态受损可能引发胃肠道异常炎症状态，并进一步触发外周炎症事件。

5.1.2 肠道微生物群对中枢炎症和小胶质细胞的影响

       几项研究表明，GF小鼠的BBB完整性受损，这可能导致更多的外周促炎细胞因子渗入大脑。肠道菌群失调与MS的高度共病性提供了与中枢炎症有关的肠道菌群的直接证据，MS是一种公认的慢性中枢炎症导致的疾病。外周细胞因子可以通过激活的迷走神经将信号传递到大脑。发现迷走神经传入的额外刺激或损伤可影响小胶质细胞的激活状态。这些结果表明，肠道微生物群可能通过与炎症相关的信号与大脑相连，这是由迷走神经传入介导的。

       Wohleb-ES等人指出，局部神经元衍生信号可促进小胶质细胞的功能改变，进而通过CSF1信号通路形成神经元和行为对应激的反应。抑制肠道失调可以改善小胶质细胞介导的神经炎症和行为损伤。不同发育阶段的小胶质细胞表现出不同的基因表达模式。生长和增殖相关基因在早期状态下高度表达，相对而言，免疫调节相关基因在成熟表型中高度表达。遗传研究结果显示GF小鼠和SPF小鼠之间存在不同的转录组学特征（表3）。据报道，GF小鼠的免疫功能相关基因表达较少，而这些基因在SPF小鼠的成年小胶质细胞中高表达，与细胞增殖或存活基因的上调相反。似乎由于微生物信号的天然缺陷，GF小鼠表现出小胶质细胞的发育停滞。Erny等人首先提供了直接证据，表明微生物群衍生的信号是维持小胶质细胞成熟状态所必需的，反过来，微生物群的丧失可以推动小胶质细胞恢复到未成熟状态，甚至在成年期也是如此。Erny等人证明了肠道微生物群调节小胶质细胞的可能途径，并指出SCFA可能参与生理机制。研究发现，缺乏FFAR2（SCFA的一种特定受体）的小鼠表现出严重的形态学变化和细胞体积增大，这与在GF小鼠中观察到的相似。随后的一项研究表明，补充SCFA可恢复GF啮齿动物中观察到的小胶质细胞改变，或通过抗生素治疗引起的细菌耗竭进一步证实了这一观察结果。小胶质细胞出生后发育和成熟的特点是动态形态转变，从变形样形态转变为更复杂的分支形式，这有助于与周围神经元更多的接触。微生物定植发生在与早期神经元迁移、神经回路重塑和树突棘修剪重叠的关键敏感窗口。Erny等人进一步发现，4周抗生素治疗诱导的宿主微生物群的暂时根除反映了在GF小鼠中观察到的小胶质细胞的不成熟表型，但未能诱导小胶质细胞增殖。这可能是由于已建立的相对稳定的神经元-小胶质细胞相互作用影响了小胶质细胞的增殖能力。小胶质细胞对突触和棘突的调节依赖于免疫信号依赖性吞噬作用。精神分裂症和ASD的特征是异常的突触修剪，其分子涉及小胶质细胞和神经元自噬途径。因此，这些结果暗示小胶质细胞和小胶质细胞介导的中枢炎症是与神经精神疾病相关的肠道微生物群的关键调节因子。

5.2 神经内分泌调节 

5.2.1 肠道菌群对HPA轴的影响

       一些研究表明，与SPF小鼠相比，GF小鼠表现出更高的应激激素增量和夸张的HPA应激反应。在行为水平上，GF小鼠在应激条件下表现出减少的焦虑和抑郁样行为。与此相反的结果是，尽管GF小鼠表现出较少的焦虑表型，但在接受母体应激（MS）治疗的GF和SPF动物之间未观察到HPA轴活性的显著差异。此外，也有研究发现GF啮齿动物没有明显的焦虑行为。利用GF动物的遗传证据表明，肠道微生物群可以通过调节GR途径相关基因的表达来调节HPA轴反应。stat5a基因参与GR通路，stat5a的下调与抑郁症样行为的易感性升高相关。如表3所示，一项遗传学研究表明，GF小鼠和大肠杆菌LPS处理的小鼠均表现出stat5a基因的高表达和抗抑郁行为，而将“抑郁微生物群”移植到小鼠体内可下调stat5a的表达。一些动物证据表明，应激可降低CRH受体1型（Crhr1）编码基因的表达，增加参与调节糖皮质激素受体敏感性的Fkbp5基因的表达。因此，由于缺乏微生物群而导致的垂体Crhr1表达的增加可能解释了在GF小鼠中观察到的过度HPA反应。与肠道微生物组对涉及HPA轴的基因表达的调节作用一致，一项对ASD患者进行全基因测序分析的研究发现，编码盐皮质激素受体（MR）蛋白的核受体亚家族3 C组成员2（NR3C2）基因可能是ASD的潜在风险基因。这些结果表明，肠道微生物群通过影响HPA轴的基因表达模式和由此产生的HPA反应而与神经精神疾病有关。相反，HPA轴活性的改变可部分导致微生物群落和组成的改变。研究发现，肾上腺切除术可以缓解慢性应激激素或心理应激引起的微生物群落失调。益生元治疗可以减弱急性心理应激诱导的HPA反应，这与维持通透性的功效有关。特定的肠道致病性可影响慢性心理社会应激引起的结肠炎易感性，伴随HPA轴活动改变。益生菌的定植可以使过度活跃的HPA轴正常化，并恢复GF小鼠增加的应激激素水平。此外，研究发现，母体应激母亲的阴道微生物群定植到后代的肠道中，增加了皮质醇水平，并改变了下丘脑基因的表达模式，类似于成年小鼠慢性应激引起的改变。这些发现表明，菌群可以作为媒介，在宿主体内传递应激信号并诱导应激状态。

5.3 肠道微生物群诱导的神经内分泌和免疫调节之间的串扰

       神经免疫调节和神经内分泌调节之间存在广泛的相互作用。免疫细胞表达GC受体和β-肾上腺素能受体。相关的动物研究发现，循环细胞因子可以进入中枢神经系统，激活位于下丘脑的神经元，从而刺激CRF的分泌，并导致HPA的激活。反过来，GCs被公认为免疫抑制介质，可以减少免疫细胞的抗炎调节。GCs能协调促炎细胞因子的炎症作用，抑制促炎细胞因子刺激后外周和中枢炎症的发展过程。长期的应激暴露诱导免疫细胞对GCs产生抵抗。在中枢神经系统中，应激暴露和应激诱导的更高GCs水平使小胶质细胞对炎症刺激更敏感，并释放更高水平的促炎症细胞因子。GCs可通过激活NMDA受体促进小胶质细胞增殖。早期研究表明，在炎症状态下，炎症诱导的IL-6表达被CRH缺乏所阻断，ACTH的增加依赖于CRH，而肾上腺皮质酮的增加则不是。GC受体拮抗作用可阻止CUS诱导的小胶质细胞CSF1R表达，以及小胶质细胞介导的神经元重塑和行为沮丧。

       肠道微生物群被确定为直接调节胃肠道通透性的关键调节因子，并以不同方式间接影响炎症和HPA轴活动，同时机体的炎症状态可与HPA轴相互作用，表明微生物组可能涉及HPA轴和免疫调节之间复杂的串扰调节。（图2）早期暴露于外部应激刺激可增强结肠组织中炎症相关基因的表达，包括IL-1β、TNF-α和TLR4。实验证据表明，先天免疫模式识别受体NOD1和NOD2的缺乏增加了胃肠道通透性，并诱导HPA轴活动过度活跃，同时伴有应激相关的行为损伤。肠道促炎TNFα和IL-1β可上调结肠上皮内和固有层白细胞中的糖皮质激素激活酶、11β-羟基类固醇脱氢酶1型（11HSD1）。此外，皮质酮可直接激活胃肠道常驻免疫细胞中的特异性受体。在固有淋巴细胞（ILCs）上表达的GR需要抑制IFN-γ分泌，并以IL-10依赖的方式维持宿主对内毒素的正常抵抗。

       如前所述，大量证据表明免疫和神经内分泌调节在神经精神疾病的病理生理学中起着重要作用。需要深入讨论的关键问题是炎症与神经内分泌调节之间的因果关系，肠道微生物群的调节作用与炎症有关。神经内分泌和免疫似乎会加剧彼此的作用，从而形成恶性循环。肠道微生物群的失调可能导致肠道炎症事件，包括B细胞的浸润和促炎性中性粒细胞和巨噬细胞的增加。研究报告称，应激暴露会导致肠道细菌成分膨胀，并促进炎症。将应激小鼠的肠道微生物群移植到对照小鼠可促进结肠炎的发生，这表明暴露于慢性应激后，小鼠对右旋糖酐硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎有促进致敏作用。此外，发现肾上腺切除术部分缓解了母亲压力对行为损伤、炎症反应和肠道微生物群组成的负面影响。因此，炎症相关细胞因子可能处于关键交叉点，介导由肠道微生物群失调引起的神经内分泌和免疫调节之间复杂的相互作用。这些结果为HPA轴和免疫学在不同应激刺激下如何相互作用和参与调节提供了全面的理解。然而，具体的分子机制仍不清楚，需要进一步研究。

图2. 概述胃肠道介导的免疫调节和内分泌调节在神经精神疾病中的潜在作用。胃肠道感知环境因素（如压力、药物和饮食），并可能随后发展为肠道微生物群失调。肠道微生物群改变的系统免疫调节和内分泌调节沿“肠脑轴”对大脑产生影响。应激可诱导肠道通透性，从而促进B细胞的浸润和促炎性中性粒细胞和巨噬细胞的增加。应激和外周炎症状态改变HPA轴介导的应激反应和基因表达模式。这些改变可以通过神经通路和相关分子传递到大脑。循环细胞因子被输送到大脑并激活小胶质细胞。随后，炎症因子和单核细胞的募集增强了小胶质细胞和星形胶质细胞介导的神经炎症。激活的小胶质细胞可诱导神经元剪枝、神经元重塑和突触可塑性的改变。另一方面，过度激活的HPA轴刺激应激激素和相关神经递质的表达。因此，在长期应激条件下，肠道微生物群间接影响神经炎症、神经传递和突触可塑性，这可能是神经精神疾病的潜在发病机制缩写：HPA轴、下丘脑-垂体-肾上腺轴。

未来展望及结论

       越来越多的证据表明，肠道微生物组在整个生命周期中对宿主生理学和行为表型具有广泛的影响。尽管局限于当前的技术和方法，以“微生物群-肠-脑轴”为重点的人类和动物研究利用了部分生理机制。大多数动物证据是从使用GF饲养的小鼠或用抗生素刺激的啮齿动物模型中获得的，以模拟人类肠道微生物群的扰动。解剖如何将这些动物结果转化为人类生理参数至关重要。

       事实上，除了神经精神疾病外，还发现肠道微生物群与神经自身免疫疾病和神经退行性疾病有关。由于越来越多的证据表明环境应激刺激和系统性免疫调节与复杂的神经精神病因学有关，因此讨论肠道微生物群在神经精神疾病中的作用有助于研究人员深入了解神经内分泌免疫调节在疾病发生和发病中的作用。总之，大量证据表明，肠道微生物群可以调节肠道内环境稳定、HPA轴活动以及小胶质细胞的成熟和功能。值得注意的是，从早期的微生物定植到成年期的相对稳定，肠道微生物组对大脑产生持续的影响，这体现在中枢神经系统的神经发育和细胞功能的维持中。然而，关于宿主-微生物相互作用的机制，存在争议的结果，因此，需要进一步研究来阐明它。对于神经系统疾病的临床诊断和治疗，寻找某一物种或集群组成作为干预目标是必要的，并且正在进行中。饮食或益生元干预以及抗炎治疗在多大程度上可以改善神经精神症状的问题需要进一步研究。