长期封闭环境中与积极情绪相关的肠道菌群

太空环境，尤其是长期封闭的隔离环境，会导致机组人员长期处于慢性应激状态。心理健康风险是载人深空探索和长期封闭环境中最严重复杂的风险之一。

近年来，随着微生物群-肠-脑轴研究的深入，越来越多证据表明，微生物群-肠-脑轴在调节大脑功能方面发挥着关键作用，尤其是在情绪处理和行为方面。然而，肠道微生物群与长期封闭环境中的心理变化之间的相关性仍知之甚少。

近日，一项基于“月宫365”的多组学研究发表在《Microbiome》期刊，主要研究长期封闭环境下，肠道菌群与机组成员心理健康之间的关系。

研究发现，一些与长期封闭环境中的心理变化相关的肠道菌群改变，四种潜在的精神益生菌被识别出来，包括：

Bacteroides uniformis

Roseburia inulinivorans

Eubacterium rectale 

Faecalibacterium prausnitzii

这些“益生菌”通过三种途径改善情绪：

-产生丙酸和丁酸等短链脂肪酸途径

-调节氨基酸代谢途径

-其他调节牛磺酸、皮质醇代谢途径

通过对模拟慢性压力引起的抑郁和焦虑大鼠实验验证，功能机制获得了进一步支持。

本文我们来详细了解一下。

01、实验条件

为什么要进行“月宫365”实验？该平台有哪些优势？

“月宫365”隔离了各种不可控的影响，是研究肠道菌群与情绪关系的理想实验平台。

具体来说，“月宫365”实验具有以下特点：

1）“月宫365”实验在北京航空航天大学月宫一号(LP1) 进行的持续370天，多人、封闭的实验。

注：月宫一号(LP1)是一个封闭的载人生物再生生命支持系统（BLSS）设施，性能优良，与外界几乎不进行物质交换。因此，可以在很大程度上避免微生物交换。

2） 系统中的微生物环境保持相对稳定

LP1 内的环境条件（如温度和适度）都处于恒定状态，LP1 内的微生物组（如空气、水和材料表面的微生物组）受到严格监测和控制。

3）作息、营养固定

在实验过程中，船员们按照固定的时间表工作、吃饭和睡觉，他们的食物来源是一样的，且膳食营养水平经过严格计算，基本保持不变。

4）船员在整个实验过程中保持身心健康

5）船员在同一环境中定期进行情绪测量测试和粪便样本检测，以尽量减少系统误差

02、实验设计

“月宫365”实验是在LP1中进行的，它包括两个植物舱室和一个综合舱室。该实验共有8名机组成员，共收集了103份心理数据和相应的粪便样本，进行了多组学分析。

“月宫一号”的结构和实验流程

Hao Z, et al., Microbiome.  2023  Apr

在多组学分析中，分别对103份、90份和56份粪便样本进行了宏基因组、蛋白质组和代谢组学分析。

1-研究人员通过船员粪便宏基因组与心理变化之间的相关性分析，确定了几种潜在的精神益生菌。

2-在多组学分析的基础上，发现了这些潜在的精神益生菌改善情绪的机制。

3-用 CUMS 诱导的大鼠来分析和验证这些潜在的精神益生菌对情绪的机制和影响。

03、主要结果

1、鉴定潜在的精神益生菌

研究显示，肠道微生物群的组成和心理变化在个体和性别之间分别存在显著差异（P  < 0.001）。

分别基于个体和性别差异下肠道微生物群的相对丰度船员的心理变化随时间呈动态变化，每个船员的心理变化具有明显的个体差异和性别差异。

心理因素分数随时间变化的水平图

由以每个心理因素时间序列为中心的中位数构建的。

曲线被划分为色带，其宽度为中值绝对偏差。

较冷和较暖的区域分别表示某个因素超过和低于其中位数得分的日期范围。颜色越深，因子得分的绝对值越高。

结果表明下列菌群与积极情绪的变化呈显著正相关(P < 0.05)，与消极情绪的演变呈负相关(P < 0.05):

Bacteroides uniformis

Eubacterium rectale

Eubacterium rectale CAG:36

Roseburia inulinivorans

Roseburia inulinivorans CAG15

Faecalibacterium prausnitzii

因此，这些菌株被进一步分析为潜在的精神益生菌。

Spearman对潜在的心理生物学和心理因素得分的相关性热图

在50%以上的心理因素中，相关系数|R|≥0.5 (P < 0.001)的潜在心理生成物显示在这里。

相关系数的缩放用颜色深度表示——正相关用红色表示，负相关用蓝色表示。* p≤0.05，** p≤0.01，*** p≤0.001

研究人员还进行了ACF来测试潜在精神益生菌时间序列的自相关。结果表明，潜在精神益生菌随时间的变化也是一个静态随机过程。

也就是说，肠道微生物群和情绪随时间的变化无显著自相关。因此，研究肠道微生物群与心理变化之间的关系就足够了。

2、潜在精神益生菌的宏基因组功能分析

结果显示，船员肠道菌群的 KO 功能组成在个体和性别之间也存在显著差异（P  < 0.001）。

发现 40 个 KO 与积极情绪呈显著正相关（P  < 0.05），与消极情绪呈显着负相关（P  < 0.05）。

这40个KO涉及34种酶，其中18种酶参与微生物发酵产生短链脂肪酸。

这些 KO 涉及以下途径：

丙酮酸代谢

柠檬酸循环（TCA 循环）

脂肪酸生物合成

果糖和甘露糖代谢

半乳糖代谢

糖酵解/糖异生

乙醛酸和二羧酸代谢

甲烷代谢

氧化磷酸化

泛酸和 CoA 生物合成

戊糖– 磷酸途径

丙酸代谢

丁酸代谢

嘌呤代谢

缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解

丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢

精氨酸生物合成

3、潜在精神益生菌的宏蛋白质组学功能分析

结果显示，研究对象的肠道微生物群的宏蛋白质组学特征，在个体和性别之间存在显著差异(P < 0.001)。

潜在精神益生菌的宏蛋白质组学功能分析

a）23个蛋白组与积极情绪呈显着正相关（P  < 0.05），与消极情绪呈显着负相关（P  < 0.05）。

b）这 23 个蛋白质组参与了 67 个KEGG通路。

c） 23 个蛋白质序列的 KO 注释和分类功能耦合分析。最终得到 18 个 KO，并且这些 KEGG 通路与相应的潜在精神益生菌相匹配。

4、潜在精神益生菌的代谢组学分析

结果显示，粪便代谢物的组成在个体和性别之间存在显著差异 （P < 0.001）。

通过文献分析，从这些关键代谢物中鉴定出 21种与神经系统相关的代谢物，用于 Spearman 相关性分析。

与潜在精神益生菌变化显著相关的代谢物（P  < 0.05）主要参与葡萄糖脱羧生成γ-氨基丁酸（GABA）和色氨酸代谢途径。

此外，在色氨酸代谢途径中，色胺、血清素和犬尿酸（KYNA）与益生菌的相对丰度呈显著正相关；然而，5-羟基吲哚-3-乙酸 (5-HIAA) 和吡啶甲酸与益生菌的相对丰度呈显著负相关。

在谷氨酸脱羧生成GABA的途径中，GABA与益生菌相对丰度显著正相关，谷氨酸与益生菌相对丰度显著负相关。

5、潜在精神益生菌对 CUMS 诱导的大鼠焦虑样和抑郁样行为的影响

B. uniformis和潜在的精神生物药物治疗显著降低了CUMS诱导的大鼠抑郁和焦虑样行为。

注：CUMS，慢性不可预知轻度应激

行为测试、 短链脂肪酸、神经递质、生化测定结果如下：

行为测试显示：

与对照组大鼠（CTL 组）相比，CUMS 处理的大鼠（CUMS 组）进入中心区域的频率显著降低（P  < 0.05）。

在高架迷宫试验中，盐酸氟西汀（Flx）和 B. uniformis（BU）治疗的大鼠在中心区域花费的时间显著增加（P < 0.05）；

B. uniformis、R. inulinivorans（RI）和E. rectale（ER）处理的大鼠，进入张开臂的频率显著增加（P < 0.05）或进入张开双臂的时间显著增加（P < 0.05）；

盐酸氟西汀、B. uniformis、R. inulinivorans和E. rectale处理的大鼠的静止时间显著减少（P < 0.05）。

短链脂肪酸测定结果显示（与CUMS组相比）：

Flx组丙酸增加（P =0.064）；

RI组异戊酸增加（P =0.058）； 

BU组丁酸显著升高（P < 0.05）；

异丁酸 ( P  = 0.064) 和异戊酸 ( P  = 0.069) 增加。

神经递质测定结果显示（与 CUMS 组相比）：

在 Flx 组中，5-羟色氨酸（5-HTP）显著升高（P  < 0.05），5-HIAA 升高（P = 0.075) ；

组胺、L-谷氨酰胺、盐酸去甲肾上腺素、DL-犬尿氨酸、5-HTP显著升高（P  < 0.05）；

RI 组的GABA 增加 ( P = 0.096)； 

RI组吡啶甲酸和 5-HIAA 显著降低（P < 0.05）； 

BU组5-HTP显著升高（P < 0.05）；

盐酸去甲肾上腺素显著升高（P  < 0.05）； 

ER 组中 DL-犬尿氨酸增加 ( P = 0.059)。

生化测定显示：

与 CTL 大鼠相比，CUMS 处理大鼠血清中 CORT、白介素-1β（IL-1β）和二胺氧化酶（DAO）显著升高（ P < 0.05 ）  ；

干扰素-γ (IFN-γ) 增加 ( P  = 0.079)。

与 CUMS 大鼠相比，Flx 处理大鼠血清中 CORT、IL-1β 和 DAO 显著降低（P  < 0.05）；

RI 处理大鼠血清中的 CORT、肿瘤坏死因子-α (TNF-α)、IFN-γ、IL-6、肠脂肪酸结合蛋白 (iFABP)、脂多糖 (LPS) 和 DAO 显著降低（P  < 0.05）；

连蛋白 ( P  = 0.077) 和 C 反应蛋白 (CRP, P = 0.068) 减少；

BU处理大鼠血清IL-1β和DAO显著降低（P  < 0.05）；

ER处理的大鼠血清中的DAO显著降低。

04、整体分析讨论

这里主要通过代谢、免疫、肠道屏障这几个方面，对本实验识别出来的4种精神益生菌对积极情绪的影响展开讨论，包括：

Bacteroides uniformis

Roseburia inulinivorans

Eubacterium rectale 

Faecalibacterium prausnitzii

代 谢

在多组学分析的基础上，研究人员确定这些潜在的精神益生菌对情绪的作用机制是与神经系统功能相关的三个途径：

下面详细介绍这四种潜在精神益生菌在心理健康中发挥作用的三个代谢途径：

短链脂肪酸途径

Roseburia，Eubacterium，Faecalibacterium是人类肠道微生物群中丰富的细菌，它们利用膳食和宿主来源的多糖影响人类健康，并产生促进健康的短链脂肪酸，作为发酵终产物。那么短链脂肪酸是如何参与调节情绪的呢？

短链脂肪酸积极参与微生物群-肠-脑轴的通讯，可以调节大脑功能。例如，它通过调节肠道激素（如 GLP-1）的分泌在肠脑轴中发挥作用，也可能直接激活迷走神经。 短链脂肪酸可以调节体循环中的免疫细胞功能，并具有直接的神经活性特性。因此，产短链脂肪酸的细菌的积极益处，使其成为精神益生菌的新来源。

在宏基因组和宏蛋白质组的KO功能分析的基础上，发现许多与多糖代谢和短链脂肪酸产生有关的途径，这些途径与潜在的精神益生菌的变化显著相关。

这些KO涉及：糖酵解/糖异生、原核生物中的碳固定途径、丙酮酸代谢、柠檬酸循环（TCA循环）、果糖和甘露糖代谢、戊糖-磷酸途径、丁酸代谢、丙酸代谢、脂肪酸生物合成和其他途径。

在宏基因组分析中鉴定了18种参与微生物发酵以产生短链脂肪酸的酶。在代谢组学分析中，丙酮酸、丙酸和丁酸与这些潜在的精神益生菌的相对丰度呈正相关。这表明这些潜在的精神益生菌可以代谢多糖（包括淀粉和膳食纤维）产生短链脂肪酸。

扩展阅读：你吃的膳食纤维对你有帮助吗？

氨基酸代谢途径

在宏基因组功能分析的基础上，研究人员发现丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢等氨基酸相关途径与积极情绪显著正相关。

宏蛋白质组学的分类单元功能耦合分析，研究人员发现氨基酸生物合成、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径均来自Faecalibacterium prausnitzii或Roseburia inulinivorans。

在代谢组学分析中，与天冬氨酸、谷氨酸和色氨酸代谢相关的神经递质，如L-谷氨酸、L-天冬氨酸，5-羟基吲哚-3-乙酸和吡啶酸的变化，与潜在的精神益生菌呈显著负相关，而GABA、色胺、5-羟色胺，KYNA与潜在的精神益生菌呈显著正相关。

氨基酸神经递质，包括GABA、甘氨酸、天冬氨酸和谷氨酸，在神经元之间的信号交换中发挥着显著作用。

天冬氨酸：可以调节大脑和神经的新陈代谢

谷氨酸：在精神疾病患者中过高，产生兴奋性神经毒性

谷氨酸存在于80%以上的神经元中，是一种主要的兴奋性突触神经递质，在调节神经可塑性、学习和记忆方面发挥关键作用。然而，假设谷氨酸的释放过量，在这种情况下，它会产生兴奋性神经毒性，这与许多中枢神经系统疾病有关，包括情绪障碍和严重抑郁症。大多数研究表明，精神疾病患者的谷氨酸水平显著高于健康对照组。因此，有人认为，减少谷氨酸的神经传递可能会改善精神疾病。

扩展阅读：兴奋神经递质——谷氨酸与大脑健康

GABA: 与潜在的精神益生菌之间存在显著的正相关

谷氨酸可以转化为GABA，GABA是一种主要的抑制性神经递质，在哺乳动物的焦虑和抑郁障碍中发挥着至关重要的作用。最近的研究表明，肠道微生物群可以通过产生GABA来调节肠-脑轴反应。在本研究的代谢组学分析中，GABA与潜在的精神益生菌之间存在显著的正相关，表明精神益生菌可能将谷氨酸转化为GABA以改善精神状态。

色氨酸：调节神经内分泌和肠道免疫反应

色氨酸是一种必需氨基酸，肠道菌群可以通过调节色氨酸代谢来调节神经内分泌和肠道免疫反应，从而产生血清素、犬尿烯酸、色胺、吲哚及其衍生物。其中，血清素是调节中枢神经传递和肠道生理功能的关键单胺类神经递质。

色氨酸的氧化通过犬氨酸途径（KP）产生犬氨酸。KP可以清除多余的色氨酸，影响色氨酸的可用性。犬尿喹啉酸Kynurenic acid（KYNA）不仅是一种炎症介质，而且可以穿过血脑屏障到达中枢神经系统；它在大脑和胃肠功能紊乱的各种生理和病理过程中发挥调节作用。值得注意的是，KYNA被认为是一种具有神经保护作用的N-甲基-D-天冬氨酸受体拮抗剂。

扩展阅读：色氨酸代谢与肠内外健康稳态

吡啶酸是由色氨酸通过KP的一个连续侧分支合成的。因此，与其他KP代谢产物类似，吡啶酸在中枢神经系统炎症疾病的发病机制中发挥作用。

5-HIAA是血清素的主要代谢产物。研究表明，血浆5-HIAA水平与抑郁症的严重程度呈正相关。

在多组学分析的基础上，研究人员推测潜在的精神生物可能通过调节色氨酸代谢来调节神经系统以改善情绪，例如增加色胺、血清素和KYNA的产生，减少5-HIAA和吡啶酸的产生。

其他途径（牛磺酸、皮质醇）

在宏蛋白质组学分析的基础上发现，Faecalibacterium prausnitzii的牛磺酸和次牛磺酸代谢、谷氨酸能突触和GABA能突触与积极情绪显著正相关。

研究表明，牛磺酸是治疗焦虑相关疾病的一种很有前途的治疗工具，因为它可以与GABA能、甘氨酸能和谷氨酸能受体相互作用。

在代谢组学分析中，皮质醇与潜在的精神益生菌的变化呈负相关。最近的研究表明，肠道微生物群可以影响皮质醇的结构和水平，将皮质醇转化为雄激素，或通过影响下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA）的活动来调节血清中皮质醇和肾上腺素的水平。

因此，推测这些潜在的精神益生菌可能通过调节牛磺酸和皮质醇水平来改善宿主的情绪。

免 疫

除了以上三种途径之外，这些菌群还可以影响免疫系统，具有抗炎特性。

研究表明，Bacteroides uniformis是一种潜在的益生菌，最初是从健康的母乳喂养婴儿的粪便中分离出来的。动物实验中，B. uniformis CECT 7771 可在体外诱导抗炎细胞因子的产生，改善高脂饮食引起的肥胖小鼠的代谢和免疫功能障碍。B. uniformis 可降低IL-1β和DAO。

Roseburia、Eubacterium能够使用鞭毛调节宿主免疫力。

R. inulinivorans 可降低CORT、TNF-α、IFN-γ、IL-6、LPS、DAO、CRP； 

E. rectale导致DAO降低。

Faecalibacterium prausnitzii分泌的代谢物能够阻断 NF-κB 的激活和 IL-8 的产生，从而对宿主产生抗炎作用，进而参与调节情绪。

在之前的一项研究中发现，F.prausnitzii会导致更高的细胞因子IL-10，阻止CUMS诱导的CORT、CRP和IL-6释放的影响。

脂多糖（LPS）是革兰氏阴性菌的内毒素，是低度炎症状态的关键介质。

TNF-α、IL-1β和IL-6是主要的炎症因子。

CRP是一种蛋白质（急性蛋白质），当身体受到感染或损伤时，它会在血浆中急剧上升。

肠道屏障

R. inulinivorans 可降低iFABP、LPS、DAO、zonulin； E. rectale导致DAO降低。

研究表明，血清中的DAO活性与小肠的肠道通透性呈负相关。

Zonulin是细胞间紧密连接的一种生理调节因子。Zonulin水平升高伴有肠屏障渗漏、生态失调和炎症。

iFABP位于成熟的肠上皮细胞中。当肠粘膜损伤发生时，iFABP会从肠上皮细胞泄漏到血液中。因此，iFABP已成为评估肠壁完整性损失和炎症的一种可能的非侵入性标志物。

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这些免疫因子和生物标志物的变化表明，潜在的精神益生菌可能会降低肠道通透性，减少炎症反应的增加，并通过影响肠道神经系统和中枢神经系统来改善情绪。

05、总 结 展 望   

本研究分析了“月宫365”实验中8名机组人员粪便样本的多组学数据，鉴定出四种潜在的精神益生菌：

Bacteroides uniformis

Roseburia inulinivorans

Eubacterium rectale 

Faecalibacterium prausnitzii

同时确定了这些潜在的精神益生菌对情绪的作用途径：

1、通过发酵膳食纤维，它们可能产生短链脂肪酸，如丁酸和丙酸；

2、它们可能调节天冬氨酸、谷氨酸和色氨酸等氨基酸代谢途径，如：

将谷氨酸转化为γ-氨基丁酸（GABA）；

将色氨酸转化为5-羟色胺、犬尿酸或色胺

3、它们可能调节其他途径，如牛磺酸代谢、皮质醇代谢。

还发现了这些潜在的精神益生菌改善情绪的其他机制，例如：

产生其他小分子代谢物（例如，组胺、L-谷氨酰胺和盐酸去甲肾上腺素），并减少由 CUMS 引起的肠道通透性和炎症反应的增加。这通过影响肠神经系统和中枢神经系统来改善情绪。

该研究为未来开发基于肠道微生物群的缓解负面情绪对策提供了基础，可以在未来人类在月球或火星的长期太空探险中，减轻机组人员心理健康的风险。同时，也为心理生物学在神经精神治疗中的应用提供了重要的参考。也可以考虑如何在食品中添加这些“精神益生菌”，通过肠道菌群调节来调节情绪。

未来更深入的研究，可以通过模拟封闭环境下的压力，筛选和鉴定更多对机组成员心理健康有益的精神益生菌。也可以探讨如何将特定的精神益生菌与传统的心理治疗方法相结合，以提高调节情绪的效果。