肠菌移植可以治疗孤独症？肠-脑轴是关键！

当人类紧张、激动时，有人会脸红，然而还有一部分人会出现腹痛、腹泻症状。这是由于肠道作为情绪的表达器官，可以反映人的情绪变化。另一方面，胃肠道可以向中枢神经系统发出饥饿、疼痛或不适等感觉信号，而且当你饮食生活紊乱导致便秘等胃肠道问题持续时，你的情绪就会变得焦躁不安。例如最常见的孤独症患儿（ASD）80%以上伴有胃肠道症状，改善胃肠道症状可以改善患儿的情绪及行为[1]，这些都是肠道作用于大脑的常见表现。

人脑中大概有860亿个神经元，肠道神经元可以达到约5亿个，仅次于大脑被称为“人体的第二大脑”。人体80%以上毒素由肠道排出。同时肠道分泌30多种神经传导物质，例如95%的5-羟色胺，5-羟色胺能极大地帮助预防抑郁症。肠-脑轴之间的这种双向相互作用通过神经、内分泌、免疫和体液联系等信号相互传递相互影响。

一、什么是肠-脑轴？

“肠-脑轴”的概念最早由美国哥伦比亚大学神经学家迈克·格尔松教授提出，即由肠道、神经系统（包括肠神经系统和中枢神经系统）和肠道微生物群共同形成人体的“第二大脑”。肠道菌群是通过肠-脑轴影响大脑的，而肠-脑轴就是大脑和肠道的双向信息交流系统。肠道有成千上万个神经元，它们组成了调节胃肠道功能的肠神经系统。

过往的研究显示，肠道菌群和大脑之间的存在多种相互作用途径，并证明了化学、神经和免疫相关信号如何调节动物模型中与孤独症相关的表型。肠道微生物群失衡引起的中枢神经疾病如自闭症、焦虑、抑郁、多动症，已及大脑神经的高敏感和肠易激综合征的关系可以被认为是这种双向复杂关系的典型例子。

二、微生物-肠-脑轴互作的三条途径 01 神经系统途径

神经通路是连接肠道和大脑的直接通路，主要包括迷走神经和肠神经系统(ENS)。迷走神经从脑干延伸并支配内脏，使其成为肠道微生物群影响大脑的最快和最直接的途径。迷走神经是一对神经，由传入神经和传出神经元组成，因此，信息可以在大脑和肠道中双向传递。一些菌群被证明可以与大脑沟通并调节CNS及相关行为。例如，肠道菌群对焦虑相关和抑郁行为的改善可被迷走神经切开术阻断，对孤独症相关行为和催产素信号通路的调节也被证明取决于迷走神经。神经通路，尤其是迷走神经通路，已被充分证明可以介导肠道菌群与中枢神经系统的连接。在不同的ASD模型中，迷走神经切断术证明了迷走神经在肠道菌群与大脑的相互作用中扮演重要角色[2]。

02 免疫系统途径

肠道是人体最大的免疫器官，70%的免疫系统位于肠道。肠道菌群已被证明可以调节肠道粘膜免疫系统、全身免疫系统以及中枢神经系统免疫细胞的功能，进而直接或间接调节神经活动。小胶质细胞是负责神经元网络维护和损伤修复的中枢神经系统巨噬细胞，可以受到肠道菌群的影响，肠道菌群对小胶质细胞的调节以时间和性别依赖的方式发生。此外，色氨酸的微生物代谢产物可以通过激活星形胶质细胞芳基烃受体来调节中枢神经系统炎症。肠道微生物群还可以通过调节肠道和外周免疫细胞与大脑进行交流。

肠道免疫细胞可以直接和间接地影响大脑的神经活动。在某些情况下，如脑损伤，肠道免疫细胞通过直接穿透血脑屏障(BBB)或间接连接传入纤维和肠神经来调节大脑中的神经活动。一些细胞因子可以通过直接转运通过血脑屏障，改变中枢神经系统的炎症状态。例如，大脑IL-6水平升高会破坏兴奋性/抑制性突触传递的平衡，并导致ASD行为。重要的是，血脑屏障的发育和完整性可能受到肠道菌群的影响。此外，血脑屏障完整性的损伤增加了大脑对循环系统中的病原体和微生物产物的可及性[2]。

03 代谢途径

肠道菌群产生的一些化学分子可以穿过肠上皮屏障和血脑屏障，直接作用于大脑。此外，一些化学分子通过与肠内分泌细胞的相互作用间接传播信号，这些细胞散布在整个肠道的肠上皮细胞之间。

肠道菌群主要通过3类信号分子直接或间接调节中枢神经系统稳态：1、食物相关代谢产物（如短链脂肪酸SCFAs）；2、内源性分子代谢物（如色氨酸代谢产物血清素(5-羟色胺[5-HT])、胆汁酸、γ氨基丁酸(GABA)）；3、微生物胞壁组分（如脂多糖）。

3.1 短链脂肪酸

短链脂肪酸主要有3种，乙酸、丙酸、丁酸都由结肠排泄或吸收，丁酸是结肠细胞最重要的燃料，具有抗致癌性和抗炎性，这些脂肪酸的比例取决于肠道细菌的种类及饮食，梭菌可以产生丰富的丙酸进入血液对大脑有毒害作用，可能影响ASD患儿的情绪及行为[3]。

SCFAs是肠道菌群在肠道内发酵膳食纤维产生的，SCFAs可以穿过血脑屏障，直接影响神经过程。在大脑中，SCFAs在细胞外作为G蛋白偶联受体的内源性配体，并在细胞内通过抑制组蛋白脱乙酰酶调节基因表达。然而，由于SCFAs被大脑吸收的量很小，越来越多的研究表明SCFAs通过间接途径影响大脑功能。

SCFAs还可以通过神经免疫途径，通过减少全身炎症和调节神经炎症相关的小胶质细胞激活来影响微生物-肠道-大脑。SCFAs主要通过两种方式减轻全身炎症。首先，SCFAs可改善肠上皮屏障，减少致病菌和代谢产物进入外周血。其次，SCFAs可到达外周血，直接与多种免疫细胞相互作用，改善全身性炎症。最后，SCFAs还可能通过调节肠道内分泌通路和迷走神经通路介导微生物-肠道-大脑间的通信。

3.2 血清素(5-羟色胺)

5-羟色胺(5-HT)是一种在人体中广泛存在的单胺类神经递质，5-HT通过调节包括神经元迁移、细胞分化和突触发生在内的许多发育事件在大脑发育中起着至关重要的作用，其中一些事件与ASD有关。在肠道中，5-羟色胺是由肠色素细胞从色氨酸中产生的，这一过程受肠道菌群的调节。研究发现，ASD患者的5-HT水平在外周血中升高，脑内降低，这种反常现象在ASD患者中较为常见。且5-HT转运体(5-HTT)基因异于常人。大脑中的5-HT也负责积极的亲社会互动，事实证明，5-HT的基因缺失会导致社交能力下降，伏隔核中的5-HT释放可以挽救社交缺陷[4]。

3.3 GABA

GABA是一种主要的抑制性神经递质，可由一些肠道微生物如拟杆菌、乳酸杆菌、双歧杆菌和副杆菌产生。肠道微生物分泌GABA会受到环境pH值的影响，而拟杆菌在人类大肠的pH值范围内产生GABA的潜力最强。肠道微源性GABA可能通过肠道内分泌途径和神经免疫途径参与肠道-大脑连接。此外，GABA转运体在脑毛细血管内皮细胞上的存在，表明GABA可能通过血脑屏障，直接作为抑制性神经递质在中枢神经系统中发挥作用。

3.4 脂多糖

图1 内毒素导致自闭症谱系障碍的中心途径，泄漏的肠道使肠道内毒素（LPS）进入脑组织

脂多糖（内毒素）是部分细菌外膜的重要成分，正常情况下被肠壁细胞的紧密连接阻隔在血流之外，但肠道微生态紊乱通透性增加时，脂多糖便进入到血液，穿透血脑屏障，使促炎症化学物质对大脑发起攻击，引发孤独症等系列行为。Fang Li [5]等选用右旋糖酐硫酸钠(DSS)破坏BTBR T+tf/J自闭小鼠肠屏障，二甲双胍修复肠屏障来验证这一假设。结果表明：DSS治疗导致社会亲近行为减少，然而在服用二甲双胍后，小鼠自闭症行为得到了改善，社交记忆的亲和性增加，重复和焦虑相关行为减少。服用二甲双胍后血中脂多糖浓度降低。因此，“漏肠”可能是通过激活脂多糖介导的TLR4-MyD88-NF -κB通路引发自闭症发展的一个诱因。

3.5 4-乙基苯酚硫酸盐（4EPS）

4-乙基苯酚硫酸盐（4EPS）是一种神经毒素，肠道中不同种类的梭状芽孢杆菌可代谢酪氨酸或其他膳食来源物质可产生4EP，4EP在宿主磺基转移酶作用下被转化为4EPS，随后进入大脑，改变特定大脑区域的激活和连接，并破坏大脑中少突胶质细胞的成熟和髓鞘形成模式，诱导小鼠产生多种情绪化行为[6]。

三、ASD患儿的肠道菌群

很多临床证据表明，ASD患儿肠道微生物的组成和功能发生失调。ASD患儿的粪便样本中肠道菌群组成发生改变，特征是厚壁菌门/拟杆菌门的比值增加，且大多数ASD患儿肠道中丰度改变的细菌对宿主具有潜在的有益或有害影响。一项队列研究表明，ASD患儿粪便样本中瘤胃球菌科、真菌、毛螺菌科和丹毒杆菌科（主要产生丁酸盐的细菌）丰度降低，这种紊乱的菌群与粪便丁酸盐水平较低有关；此外，双歧杆菌、普氏菌属和粪球菌属的丰度降低，梭菌和脱硫弧菌等在ASD患儿的粪便样本中丰度增加[7]。

图2 健康儿童（左）与ASD患儿（右）的微生物-肠-脑轴

四、研究前景展望

近年来对肠道菌群的研究兴趣的兴起成为生物学和临床医学研究的一个重要课题。研究揭示了肠道菌群组成的变化如何影响正常生理，并导致从炎症到肥胖、糖尿病、自身免疫性疾病等疾病。越来越多的数据表明，肠道微生物群也与中枢神经系统沟通。微生物-肠-脑轴在ASD中起着重要的作用，ASD儿童与正常儿童的肠道微生物存在明显的差异，微生物-肠-脑轴紊乱可能是导致孤独症神经行为及胃肠道不适症状的原因。肠道菌群移植将为治疗儿童孤独症打开新的视野。

参考文献:

[1] Kang D W, Adams J B, Coleman D M, et al. Long-term benefit of Microbiota Transfer Therapy on autism symptoms and gut microbiota[J]. Scientific reports, 2019, 9(1): 5821.

[2] Yu Y, Zhao F. Microbiota-gut-brain axis in autism spectrum disorder[J]. Journal of Genetics and Genomics, 2021, 48(9): 755-762.  

[3] 戴维·珀尔马特,克里斯廷·洛伯格. 菌群大脑[M].北京：机械工业出版社

[4] Walsh J J, Christoffel D J, Heifets B D, et al. 5-HT release in nucleus accumbens rescues social deficits in mouse autism model[J]. Nature, 2018, 560(7720): 589-594.  

[5] Li F, Ke H, Wang S, et al. Leaky Gut Plays a Critical Role in the Pathophysiology of Autism in Mice by Activating the Lipopolysaccharide-Mediated Toll-Like Receptor 4–Myeloid Differentiation Factor 88–Nuclear Factor Kappa B Signaling Pathway[J]. Neuroscience Bulletin, 2022: 1-18. 

[6] Needham B D, Funabashi M, Adame M D, et al. A gut-derived metabolite alters brain activity and anxiety behaviour in mice[J]. Nature, 2022, 602(7898): 647-653.  

[7] Strati F, Cavalieri D, Albanese D, et al. New evidences on the altered gut microbiota in autism spectrum disorders[J]. Microbiome, 2017, 5: 1-11.