《生命的化学》2014年34卷4期·572 · 综述 收稿日期:2013-11-04 *通信作者:E-mail: wjyzyx93@tom.com 生命的化学, 2014, 34(4): 572-576 doi: 10.13488/j.smhx.20140425 www.life.ac.cn 肠道微生物菌群对脑及行为的影响 仇艳光,时兰春,孙芳,王江雁* (白求恩医务士官学校生化教研室,石家庄 050081) 摘要:肠道微生物菌群组成的变化对正常生理的影响及其在疾病中的作用逐渐成为研究热点.肠道微 生物菌群通过脑肠轴影响宿主生理学的各个方面,包括脑-肠交流、脑功能甚至行为.对无菌动物、 被致病细菌感染的、使用益生菌或用抗生素药物的动物研究表明,肠道微生物菌群可以调节宿主焦虑 样症状及行为.研究表明对肠道微生物菌群的调节可能是治疗复杂中枢神经系统失调症的新策略. 关键词:肠道微生物菌群;脑;行为;微生物菌群-脑-肠轴 Effects of gut microbiota on brain and behavior QIU Yanguang, SHI Lanchun, SUN Fang, WANG Jiangyan* (Department of Biochemistry, Bethune Medical NCO School, Shijiazhuang 050081, China) Abstract: The influence of the composition of gut microbiota on normal physiology and diseases has been becoming major research interests in recent years. The gut microbiota has significantly influenced all aspects of physiology, including gut-brain communication, brain function and even behavior through the gut-brain axis. Studies on the germ-free animals, animals infected with pathogenic bacteria and those exposed to probi- otic agents or antibiotics suggest a role of the gut microbiota in modulating anxiety and depress-like behavior. Most of the studies have suggested that modulation of the gut microbiota may be a strategy for developing novel therapeutics for complex disorders of central nervous system. Key Words: gut microbiota; brain; behavior; microbiota-gut-brain axis 肠道微生物菌群参与了人体许多生理代谢活 动,具有重要的生理意义.研究表明,肠道微生 物菌群组成的结构和比例,与人体的健康状况有 着密切的联系.肠道微生物菌群失调不仅会产生 多种胃肠道疾病,如腹泻、便秘、痢疾、肠炎、 溃疡性结肠炎等,还会诱发肥胖、衰老、代谢综 合征、心血管病、糖尿病,甚至癌症[1] .肠道微生 物菌群甚至还可以影响宿主的大脑功能,进而影 响其情绪行为[2] .本文就近几年来肠道微生物菌群 对宿主大脑及行为影响的研究进展进行综述. 1 肠道微生物菌群与脑肠轴 肠道微生物是一个庞大复杂的群体,不仅仅 指细菌,还包括古细菌、真菌、寄生虫、病毒 等.其中人体肠道细菌总数达100万亿,是人体自 身细胞总数的10倍,而其所含有的基因是我们基 因组的150倍[3] ,肠道内的这些细菌就形成了肠内 微生态菌群.肠道微生物菌群常被认为是人体后 天获得的一个重要器官,可以保护宿主免受病原 菌的侵袭,促进宿主的消化吸收、药物代谢和致 癌物的代谢、影响脂肪的吸收和分布、调节能量 代谢、调节先天免疫和获得性免疫系统等[4,5] . 脑和肠之间的信息交流称为脑-肠轴,脑-肠轴 是通过中枢神经系统(central nervous system, CNS) 和肠神经系统(enteric nervous system, ENS)将大脑 和肠道功能整合的双向应答系统.脑和肠通过脑- 仇艳光, 等. 肠道微生物菌群对脑及行为的影响 · 573 · 肠轴进行双向信息交流,外源性信息(如视觉、嗅 觉等)或内感性信息(如情感、思维等)通过中枢神 经系统传出神经冲动影响胃肠道感知、运动及分 泌功能,而内脏感应也可以通过肠神经系统影响 中枢神经系统感知、情绪和行为.强大的生活工 作压力会影响到人的精神状态,而这种不良的情 绪体验会通过脑-肠轴影响到人的胃肠道,引起一 些胃肠道疾病,如功能性消化不良、肠易激综合 征、功能性便秘、功能性腹泻、吞气症等.这些 胃肠道疾病都是典型的心身疾病,长期的胃肠道 疾病引起躯体的不适,也可以导致人精神状态的 异常.临床上约80%以上的胃肠道疾病患者,伴有 焦虑、抑郁、恐惧等症状,而应用抗抑郁类精神 疾病治疗药物,往往对这些胃肠疾病有很好的治 疗效果.研究表明肠道微生物菌群参与了脑-肠轴 的功能反应,在脑-肠轴的信息交流中起到非常重 要的作用,从而出现了微生物-脑-肠轴的概念[6] . 尽管对微生物-脑-肠轴的研究刚起步,但是现有的 证据都表明肠道微生物菌群可以影响宿主的脑功 能及其情绪和行为[7,8] . 2 肠道微生物菌群对脑功能及行为的影响 啮齿类动物研究中发现改变肠道微生物菌群 的组成结构,会影响宿主的脑化学及行为.通过 对无菌动物、致病菌感染的动物、使用益生菌制 剂和抗生素动物的研究,使我们进一步了解了肠 道微生物菌群在调节应激反应和应激相关的精神 疾病如焦虑和抑郁中的作用[6] . 2.1 对无菌小鼠的实验研究 研究肠道微生物菌群与宿主之间关系时,无 菌动物是常用的模式动物.无菌小鼠从出生到长 大没有接触任何活的微生物,通过将特定的微生 物定植到无菌小鼠内,与其它的普通小鼠进行比 较可以用来检测微生物所起的作用.Neufeld等[9] 的研究显示,肠道微生物菌群在中枢神经系统和 行为的发育中扮演着重要角色.他们评估了无菌 成年小鼠与无特定病原体成年小鼠的基本行为特 征,结果显示,在高十字迷宫实验中,无菌成年 小鼠的焦虑程度下降,更经常且更长时间做出冒 险行为.伴随其行为改变的是无菌成年小鼠海马 齿状回中的脑源性神经营养因子(brain-derived neu- rotropic factor, BDNF)表达上调,而5-羟色胺 1A(5?hydroxytryptamine 1A, 5?HT1A)受体和N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体表达下调,这些特点 都与应激反应和情绪性行为相关.BDNF是一种活 跃的蛋白质,存在于大脑海马区、皮质层、小脑 和某些负责学习记忆的重要区域.此前的研究显 示,海马内BDNF水平与焦虑和抑郁有关,海马内 BDNF增加时,具有抗焦虑和抗抑郁作用.另一项 相关研究显示,无菌小鼠在明暗箱和高十字迷宫 实验中,与无特定致病原的普通小鼠相比,焦虑 下降,表现得更有冒险精神[10] .Clarke等[11] 的研究 表明,无菌小鼠海马的5-羟色胺(5?HT)水平及其主 要的代谢物5-羟吲哚乙酸高于传统细菌定植的对照 小鼠,血液中的色氨酸、5-羟色胺前体浓度均上 升.而BDNF、5-羟色胺和谷氨酸盐受体表达的改 变和焦虑相关,但是这些变化降低无菌动物焦虑 性行为的分子机制不清楚. 无菌小鼠的行为表型可通过给予其来自普通 实验室小鼠的肠道细菌而被改变,Bercik等[12] 给无 菌小鼠定植来自普通小鼠的菌群,无菌小鼠的行 为变得与普通实验室小鼠相似(焦虑程度增加),而 且对其海马组织的多聚酶链反应分析表明,BDNF mRNA的表达下调.不同品系的小鼠,具有不同 的行为表型.Bercik等[12] 发现无菌的BALB/c和NIH 瑞士小鼠定植了来自各自品系小鼠的微生物菌群 后,表现出和它们无特异致病菌的对照小鼠相似 的探究行为,如果定植来自其它品系小鼠的细菌 后,表现出和其供体品系相似的行为模式. 2.2 对细菌感染小鼠的实验研究 肠道致病菌感染也可以引起大脑和行为的改 变.Lyte等[13] 和Goehler等[14] 研究报道柠檬酸杆 菌、空肠弯曲杆菌分别感染小鼠8 h后,洞板实验 中小鼠表现出类似焦虑行为.Bercik等[15] 用葡聚糖 硫酸钠诱导的肠炎小鼠模型中,小鼠表现出更为 焦虑的行为.Bercik等[16] 报道用鼠鞭虫感染小鼠, 发现小鼠在明暗箱实验和跳台实验中表现出更为 焦虑的行为,海马中的BDNF mRNA表达降低,血 浆犬尿氨酸与色氨酸比值上升,血浆促炎细胞因 子肿瘤坏死因子α和干扰素?γ增加.如果在鼠鞭虫 感染前切断小鼠的迷走神经,感染后的小鼠还是 表现出焦虑相似的行为,这表明迷走神经没有参 《生命的化学》2014年34卷4期·574 · 综述 与调节小鼠感染后的行为改变.给予小鼠消炎药 依那西普和布地奈德治疗后,其行为恢复正常, 血清细胞因子降低,色氨酸代谢增加,但是没有 改变感染引起的海马BDNF的mRNA表达降低.给 予试验小鼠益生菌长双歧杆菌后,行为恢复正 常,海马BDNF mRNA表达恢复正常,但是血清细 胞因子或犬尿氨酸没有受到影响.3个实验逆转了 感染引起的小鼠行为的改变,表明肠道细菌可能 通过多种通路向大脑传递信号. 在另一项Gareau等[17] 进行的柠檬酸杆菌感染 小鼠的研究中,发现尽管感染14 d和30 d后,柠檬 酸杆菌没影响小鼠的基本行为,但是接种30 d后, 动物出现认知障碍,而且如果在小鼠感染前7 d后 饮食中加入复合益生菌可以阻止动物出现焦虑行 为,这种饮食疗法减少了血清中皮质酮的增加, 阻止了柠檬酸菌感染后引起的海马BDNF和中枢原 癌基因FOS表达的改变.这些实验研究表明肠道内 致病菌可以增加宿主的焦虑性行为,虽然没有表 明肠道细菌本身具有直接向大脑传递信号的能 力,但是有助于我们更好的了解微生物菌群向大 脑传递信号的可能途径,并进一步了解其如何影 响宿主的行为. 2.3 对给予益生菌的小鼠的实验研究 益生菌是指对宿主有益的活性微生物,可以 改善宿主肠道微生物菌群平衡.在动物和人类的 研究中,益生菌具有广泛的作用,如对肠易激综 合症(irritable bowel syndrome, IBS)的治疗[18] .临床 证据表明,益生菌可以降低肠易激综合症病人焦 虑症状,减少应激反应,改善情绪[19,20] .在另一项 研究中,益生菌还可以逆转大鼠心肌梗塞后引起 的抑郁性行为[21] .Innis[22] 研究表明当小鼠饮食中 添加短双歧杆菌NCIMB 702258时,其大脑脂肪酸 浓度(花生四烯酸、二十二碳六烯酸)上升,而花生 四烯酸和二十二碳六烯酸在神经发育的过程中具 有重要作用,能改变神经传递,保护宿主免受氧 化压力.并且,这些脂肪酸在大脑的浓度与焦 虑、抑郁、学习和记忆有关[23] . 研究表明,联合使用瑞士杆菌和长双歧杆菌 可以降低动物的焦虑性行为,降低血清皮质酮并 对人产生有利的心理效应[24] .Bravo等[25] 报道给予 小鼠食物添加鼠李糖杆菌后,焦虑性行为和绝望 性行为降低,血清中因应激诱导产生的皮质酮也 降低,而有助于促进脑活化性的γ-氨基丁酸(γ- aminobutyric acid, GΑΒΑ)增加.同时大脑几个区 域的GABAA和GABAB受体mRNA的表达改变,而 在动物模型中这些受体和焦虑、抑郁性行为相 关.有趣的是,切断迷走神经后,食用鼠李糖杆 菌小鼠不再表现出抗焦虑和抗抑郁效应,同时中 枢GABA受体mRNA表达不再发生改变,表明这些 效应依赖于迷走神经.先前的研究表明长双歧杆 菌NCC3001可以逆转小鼠炎症和结肠炎诱导的焦 虑以及海马BDNF mRNA的水平,而肠炎症因子和 血清细胞因子没有受到影响.将小鼠迷走神经切 断后,长双歧杆菌NCC3001对小鼠不再具有抗焦 虑效应,表明益生菌的这种效应是通过神经机制 产生的,并依赖于迷走神经系统[15,16] . Desbonnet等[26] 对大鼠的实验研究证明了婴儿 双歧杆菌有类似的抗抑郁作用,并且使大鼠外周 促炎细胞因子和色氨酸浓度保持正常状态,而这 两者被认为参与了抑郁及动物母子分离模型诱导 的抑郁发生过程[27,28] .Tillisch等[29] 研究表明乳双歧 杆菌、保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌,乳酸乳杆 菌4种益生菌的联合使用可以改变健康的志愿受试 者脑岛中后部的脑活性,而脑岛是大脑中调节来 自肠的内感受信号非常关键的区域,并且在焦虑 症发生中有重要作用.由于益生菌可以积极的改 善抑郁症或焦虑的症状,因此被称为精神型微生 物[30] . 2.4 对使用抗生素的小鼠的实验研究 Bercik等[12] 给予成年雄性小鼠混合抗生素类药 (新霉素和杆菌肽)和抗真菌剂那他霉素,连续使用 7 d后,小鼠肠道微生物菌群组成改变,海马内的 BDNF表达增加,杏仁核内BDNF表达降低.在跳 台实验和明暗箱实验测试中小鼠焦虑性行为减 少,探究性行为增加.停止使用抗生素两周后, 小鼠肠道微生物菌群恢复正常,行为也正常.而 给予无菌小鼠抗生素,其行为不受影响,表明抗 生素引起的肠道微生物菌群改变可以影响小鼠行 为.将小鼠迷走神经或交感神经切断后不影响抗 生素诱导的对行为的改变,表明抗生素诱导的行 为改变不依赖于自主神经通路.上述结果表明, 在抗生素诱导引起的行为改变中,脑肠之间还存 仇艳光, 等. 肠道微生物菌群对脑及行为的影响 · 575 · 在其它的尚不清楚的信息交流机制.这些研究数 据着重阐述了微生物在脑肠轴中的作用,同时暗 示我们人类广泛使用抗生素时要评估其对大脑的 影响,对于抗生素使用的研究能进一步探究肠道 微生物菌群对大脑功能和行为的影响. 3 结语 总之,越来越多的实验数据和临床观察表明 了微生物-脑-肠轴的存在,而且也表明肠道微生物 菌群通过脑肠轴可以调节脑功能、情绪及焦虑相 关的行为.肠道微生物菌群与神经行为类疾病研 究表明肠道微生物菌群与孤闭症、应激、焦虑等 神经类行为类疾病相关,这是几十年以来精神医 学研究中始料未及的进步.现有数据表明肠道微 生物菌群通过神经途径(神经递质)、免疫途径(细 胞因子)和神经内分泌途径(激素)和中枢神经系统 进行信息交流,影响宿主脑功能,进而影响情绪 和行为[8,31-33] . 肠道微生物菌群可以产生儿茶酚胺类、GABA、5-羟色胺、褪黑激素、乙酰胆碱等神经信 号物质,通过迷走神经影响中枢神经系统.肠道 微生物菌群还可以作用于免疫系统,使血液中促 炎细胞因子和抗炎细胞因子水平发生改变,可能 影响中枢神经系统从而改变脑功能.神经内分泌 通路指肠道微生物菌群通过调节肠道内分泌细胞 激素的分泌,如脑肠肽、瘦素、促肾上腺皮质激 素释放因子(corticotropin-releasing factor, CRF)、促 肾上腺皮质激素(adreno-cortico-tropic-hormone, ACTH)、肾上腺皮质酮等激素类物质直接作用于 脑,实现脑和肠之间的信息交流[34] .此外,肠道 微生物菌群代谢产生的产物短链脂肪酸(short chain fatty acid, SCFA)类,多为肠道厌氧菌发酵产物, 如乙酸、丙酸、丁酸等,可被肠上皮细胞和肠内 分泌细胞上的受体识别,也可影响宿主神经系统 [35] .总之,肠道共生微生物菌群可通过多种直接 或间接途径影响宿主大脑和行为,由于肠道微生 物菌群的复杂性,其在脑肠轴信息交流中对脑功 能及行为影响的具体机制还不是很清楚,还需要 进一步的实验研究. 鉴于上述新发现,下一步我们要做的是致力 于阐明脑肠交流的神经系统、内分泌和免疫途径 作用机制,了解复杂脑肠交流网络中各种不同因 子的作用,不仅要更好地了解肠道微生物菌群在 正常脑功能中的作用,还要了解其在胃肠道失调 及其他失调症如神经精神性疾病(抑郁、焦虑症)中 的作用.阐明肠道微生物菌群和脑肠轴交流的机 制,对于开发任何以肠道微生物菌群为基础的药 物及利用微生物菌群特异性治疗精神类疾病的策 略都至关重要.如果进一步研究的结果支持细菌 与某些精神疾病存在因果关系,临床医生在防治 精神障碍时就不仅要考虑精神疗法和针对大脑的 药物,而且还可考虑对肠道微生物菌群进行调 节.这样的干预措施或许能为精神科医生提供新 的武器,改善精神病治疗的预后,具有非常诱人 的前景. 参考文献[1] Mancora M. 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《生命的化学》2014年34卷4期·572 · 综述 收稿日期:2013-11-04 *通信作者:E-mail: wjyzyx93@tom.com 生命的化学, 2014, 34(4): 572-576 doi: 10.13488/j.smhx.20140425 www.life.ac.cn 肠道微生物菌群对脑及行为的影响 仇艳光,时兰春,孙芳,王江雁* (白求恩医务士官学校生化教研室,石家庄 050081) 摘要:肠道微生物菌群组成的变化对正常生理的影响及其在疾病中的作用逐渐成为研究热点.肠道微 生物菌群通过脑肠轴影响宿主生理学的各个方面,包括脑-肠交流、脑功能甚至行为.对无菌动物、 被致病细菌感染的、使用益生菌或用抗生素药物的动物研究表明,肠道微生物菌群可以调节宿主焦虑 样症状及行为.研究表明对肠道微生物菌群的调节可能是治疗复杂中枢神经系统失调症的新策略. 关键词:肠道微生物菌群;脑;行为;微生物菌群-脑-肠轴 Effects of gut microbiota on brain and behavior QIU Yanguang, SHI Lanchun, SUN Fang, WANG Jiangyan* (Department of Biochemistry, Bethune Medical NCO School, Shijiazhuang 050081, China) Abstract: The influence of the composition of gut microbiota on normal physiology and diseases has been becoming major research interests in recent years. The gut microbiota has significantly influenced all aspects of physiology, including gut-brain communication, brain function and even behavior through the gut-brain axis. Studies on the germ-free animals, animals infected with pathogenic bacteria and those exposed to probi- otic agents or antibiotics suggest a role of the gut microbiota in modulating anxiety and depress-like behavior. Most of the studies have suggested that modulation of the gut microbiota may be a strategy for developing novel therapeutics for complex disorders of central nervous system. Key Words: gut microbiota; brain; behavior; microbiota-gut-brain axis 肠道微生物菌群参与了人体许多生理代谢活 动,具有重要的生理意义.研究表明,肠道微生 物菌群组成的结构和比例,与人体的健康状况有 着密切的联系.肠道微生物菌群失调不仅会产生 多种胃肠道疾病,如腹泻、便秘、痢疾、肠炎、 溃疡性结肠炎等,还会诱发肥胖、衰老、代谢综 合征、心血管病、糖尿病,甚至癌症[1] .肠道微生 物菌群甚至还可以影响宿主的大脑功能,进而影 响其情绪行为[2] .本文就近几年来肠道微生物菌群 对宿主大脑及行为影响的研究进展进行综述. 1 肠道微生物菌群与脑肠轴 肠道微生物是一个庞大复杂的群体,不仅仅 指细菌,还包括古细菌、真菌、寄生虫、病毒 等.其中人体肠道细菌总数达100万亿,是人体自 身细胞总数的10倍,而其所含有的基因是我们基 因组的150倍[3] ,肠道内的这些细菌就形成了肠内 微生态菌群.肠道微生物菌群常被认为是人体后 天获得的一个重要器官,可以保护宿主免受病原 菌的侵袭,促进宿主的消化吸收、药物代谢和致 癌物的代谢、影响脂肪的吸收和分布、调节能量 代谢、调节先天免疫和获得性免疫系统等[4,5] . 脑和肠之间的信息交流称为脑-肠轴,脑-肠轴 是通过中枢神经系统(central nervous system, CNS) 和肠神经系统(enteric nervous system, ENS)将大脑 和肠道功能整合的双向应答系统.脑和肠通过脑- 仇艳光, 等. 肠道微生物菌群对脑及行为的影响 · 573 · 肠轴进行双向信息交流,外源性信息(如视觉、嗅 觉等)或内感性信息(如情感、思维等)通过中枢神 经系统传出神经冲动影响胃肠道感知、运动及分 泌功能,而内脏感应也可以通过肠神经系统影响 中枢神经系统感知、情绪和行为.强大的生活工 作压力会影响到人的精神状态,而这种不良的情 绪体验会通过脑-肠轴影响到人的胃肠道,引起一 些胃肠道疾病,如功能性消化不良、肠易激综合 征、功能性便秘、功能性腹泻、吞气症等.这些 胃肠道疾病都是典型的心身疾病,长期的胃肠道 疾病引起躯体的不适,也可以导致人精神状态的 异常.临床上约80%以上的胃肠道疾病患者,伴有 焦虑、抑郁、恐惧等症状,而应用抗抑郁类精神 疾病治疗药物,往往对这些胃肠疾病有很好的治 疗效果.研究表明肠道微生物菌群参与了脑-肠轴 的功能反应,在脑-肠轴的信息交流中起到非常重 要的作用,从而出现了微生物-脑-肠轴的概念[6] . 尽管对微生物-脑-肠轴的研究刚起步,但是现有的 证据都表明肠道微生物菌群可以影响宿主的脑功 能及其情绪和行为[7,8] . 2 肠道微生物菌群对脑功能及行为的影响 啮齿类动物研究中发现改变肠道微生物菌群 的组成结构,会影响宿主的脑化学及行为.通过 对无菌动物、致病菌感染的动物、使用益生菌制 剂和抗生素动物的研究,使我们进一步了解了肠 道微生物菌群在调节应激反应和应激相关的精神 疾病如焦虑和抑郁中的作用[6] . 2.1 对无菌小鼠的实验研究 研究肠道微生物菌群与宿主之间关系时,无 菌动物是常用的模式动物.无菌小鼠从出生到长 大没有接触任何活的微生物,通过将特定的微生 物定植到无菌小鼠内,与其它的普通小鼠进行比 较可以用来检测微生物所起的作用.Neufeld等[9] 的研究显示,肠道微生物菌群在中枢神经系统和 行为的发育中扮演着重要角色.他们评估了无菌 成年小鼠与无特定病原体成年小鼠的基本行为特 征,结果显示,在高十字迷宫实验中,无菌成年 小鼠的焦虑程度下降,更经常且更长时间做出冒 险行为.伴随其行为改变的是无菌成年小鼠海马 齿状回中的脑源性神经营养因子(brain-derived neu- rotropic factor, BDNF)表达上调,而5-羟色胺 1A(5?hydroxytryptamine 1A, 5?HT1A)受体和N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体表达下调,这些特点 都与应激反应和情绪性行为相关.BDNF是一种活 跃的蛋白质,存在于大脑海马区、皮质层、小脑 和某些负责学习记忆的重要区域.此前的研究显 示,海马内BDNF水平与焦虑和抑郁有关,海马内 BDNF增加时,具有抗焦虑和抗抑郁作用.另一项 相关研究显示,无菌小鼠在明暗箱和高十字迷宫 实验中,与无特定致病原的普通小鼠相比,焦虑 下降,表现得更有冒险精神[10] .Clarke等[11] 的研究 表明,无菌小鼠海马的5-羟色胺(5?HT)水平及其主 要的代谢物5-羟吲哚乙酸高于传统细菌定植的对照 小鼠,血液中的色氨酸、5-羟色胺前体浓度均上 升.而BDNF、5-羟色胺和谷氨酸盐受体表达的改 变和焦虑相关,但是这些变化降低无菌动物焦虑 性行为的分子机制不清楚. 无菌小鼠的行为表型可通过给予其来自普通 实验室小鼠的肠道细菌而被改变,Bercik等[12] 给无 菌小鼠定植来自普通小鼠的菌群,无菌小鼠的行 为变得与普通实验室小鼠相似(焦虑程度增加),而 且对其海马组织的多聚酶链反应分析表明,BDNF mRNA的表达下调.不同品系的小鼠,具有不同 的行为表型.Bercik等[12] 发现无菌的BALB/c和NIH 瑞士小鼠定植了来自各自品系小鼠的微生物菌群 后,表现出和它们无特异致病菌的对照小鼠相似 的探究行为,如果定植来自其它品系小鼠的细菌 后,表现出和其供体品系相似的行为模式. 2.2 对细菌感染小鼠的实验研究 肠道致病菌感染也可以引起大脑和行为的改 变.Lyte等[13] 和Goehler等[14] 研究报道柠檬酸杆 菌、空肠弯曲杆菌分别感染小鼠8 h后,洞板实验 中小鼠表现出类似焦虑行为.Bercik等[15] 用葡聚糖 硫酸钠诱导的肠炎小鼠模型中,小鼠表现出更为 焦虑的行为.Bercik等[16] 报道用鼠鞭虫感染小鼠, 发现小鼠在明暗箱实验和跳台实验中表现出更为 焦虑的行为,海马中的BDNF mRNA表达降低,血 浆犬尿氨酸与色氨酸比值上升,血浆促炎细胞因 子肿瘤坏死因子α和干扰素?γ增加.如果在鼠鞭虫 感染前切断小鼠的迷走神经,感染后的小鼠还是 表现出焦虑相似的行为,这表明迷走神经没有参 《生命的化学》2014年34卷4期·574 · 综述 与调节小鼠感染后的行为改变.给予小鼠消炎药 依那西普和布地奈德治疗后,其行为恢复正常, 血清细胞因子降低,色氨酸代谢增加,但是没有 改变感染引起的海马BDNF的mRNA表达降低.给 予试验小鼠益生菌长双歧杆菌后,行为恢复正 常,海马BDNF mRNA表达恢复正常,但是血清细 胞因子或犬尿氨酸没有受到影响.3个实验逆转了 感染引起的小鼠行为的改变,表明肠道细菌可能 通过多种通路向大脑传递信号. 在另一项Gareau等[17] 进行的柠檬酸杆菌感染 小鼠的研究中,发现尽管感染14 d和30 d后,柠檬 酸杆菌没影响小鼠的基本行为,但是接种30 d后, 动物出现认知障碍,而且如果在小鼠感染前7 d后 饮食中加入复合益生菌可以阻止动物出现焦虑行 为,这种饮食疗法减少了血清中皮质酮的增加, 阻止了柠檬酸菌感染后引起的海马BDNF和中枢原 癌基因FOS表达的改变.这些实验研究表明肠道内 致病菌可以增加宿主的焦虑性行为,虽然没有表 明肠道细菌本身具有直接向大脑传递信号的能 力,但是有助于我们更好的了解微生物菌群向大 脑传递信号的可能途径,并进一步了解其如何影 响宿主的行为. 2.3 对给予益生菌的小鼠的实验研究 益生菌是指对宿主有益的活性微生物,可以 改善宿主肠道微生物菌群平衡.在动物和人类的 研究中,益生菌具有广泛的作用,如对肠易激综 合症(irritable bowel syndrome, IBS)的治疗[18] .临床 证据表明,益生菌可以降低肠易激综合症病人焦 虑症状,减少应激反应,改善情绪[19,20] .在另一项 研究中,益生菌还可以逆转大鼠心肌梗塞后引起 的抑郁性行为[21] .Innis[22] 研究表明当小鼠饮食中 添加短双歧杆菌NCIMB 702258时,其大脑脂肪酸 浓度(花生四烯酸、二十二碳六烯酸)上升,而花生 四烯酸和二十二碳六烯酸在神经发育的过程中具 有重要作用,能改变神经传递,保护宿主免受氧 化压力.并且,这些脂肪酸在大脑的浓度与焦 虑、抑郁、学习和记忆有关[23] . 研究表明,联合使用瑞士杆菌和长双歧杆菌 可以降低动物的焦虑性行为,降低血清皮质酮并 对人产生有利的心理效应[24] .Bravo等[25] 报道给予 小鼠食物添加鼠李糖杆菌后,焦虑性行为和绝望 性行为降低,血清中因应激诱导产生的皮质酮也 降低,而有助于促进脑活化性的γ-氨基丁酸(γ- aminobutyric acid, GΑΒΑ)增加.同时大脑几个区 域的GABAA和GABAB受体mRNA的表达改变,而 在动物模型中这些受体和焦虑、抑郁性行为相 关.有趣的是,切断迷走神经后,食用鼠李糖杆 菌小鼠不再表现出抗焦虑和抗抑郁效应,同时中 枢GABA受体mRNA表达不再发生改变,表明这些 效应依赖于迷走神经.先前的研究表明长双歧杆 菌NCC3001可以逆转小鼠炎症和结肠炎诱导的焦 虑以及海马BDNF mRNA的水平,而肠炎症因子和 血清细胞因子没有受到影响.将小鼠迷走神经切 断后,长双歧杆菌NCC3001对小鼠不再具有抗焦 虑效应,表明益生菌的这种效应是通过神经机制 产生的,并依赖于迷走神经系统[15,16] . Desbonnet等[26] 对大鼠的实验研究证明了婴儿 双歧杆菌有类似的抗抑郁作用,并且使大鼠外周 促炎细胞因子和色氨酸浓度保持正常状态,而这 两者被认为参与了抑郁及动物母子分离模型诱导 的抑郁发生过程[27,28] .Tillisch等[29] 研究表明乳双歧 杆菌、保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌,乳酸乳杆 菌4种益生菌的联合使用可以改变健康的志愿受试 者脑岛中后部的脑活性,而脑岛是大脑中调节来 自肠的内感受信号非常关键的区域,并且在焦虑 症发生中有重要作用.由于益生菌可以积极的改 善抑郁症或焦虑的症状,因此被称为精神型微生 物[30] . 2.4 对使用抗生素的小鼠的实验研究 Bercik等[12] 给予成年雄性小鼠混合抗生素类药 (新霉素和杆菌肽)和抗真菌剂那他霉素,连续使用 7 d后,小鼠肠道微生物菌群组成改变,海马内的 BDNF表达增加,杏仁核内BDNF表达降低.在跳 台实验和明暗箱实验测试中小鼠焦虑性行为减 少,探究性行为增加.停止使用抗生素两周后, 小鼠肠道微生物菌群恢复正常,行为也正常.而 给予无菌小鼠抗生素,其行为不受影响,表明抗 生素引起的肠道微生物菌群改变可以影响小鼠行 为.将小鼠迷走神经或交感神经切断后不影响抗 生素诱导的对行为的改变,表明抗生素诱导的行 为改变不依赖于自主神经通路.上述结果表明, 在抗生素诱导引起的行为改变中,脑肠之间还存 仇艳光, 等. 肠道微生物菌群对脑及行为的影响 · 575 · 在其它的尚不清楚的信息交流机制.这些研究数 据着重阐述了微生物在脑肠轴中的作用,同时暗 示我们人类广泛使用抗生素时要评估其对大脑的 影响,对于抗生素使用的研究能进一步探究肠道 微生物菌群对大脑功能和行为的影响. 3 结语 总之,越来越多的实验数据和临床观察表明 了微生物-脑-肠轴的存在,而且也表明肠道微生物 菌群通过脑肠轴可以调节脑功能、情绪及焦虑相 关的行为.肠道微生物菌群与神经行为类疾病研 究表明肠道微生物菌群与孤闭症、应激、焦虑等 神经类行为类疾病相关,这是几十年以来精神医 学研究中始料未及的进步.现有数据表明肠道微 生物菌群通过神经途径(神经递质)、免疫途径(细 胞因子)和神经内分泌途径(激素)和中枢神经系统 进行信息交流,影响宿主脑功能,进而影响情绪 和行为[8,31-33] . 肠道微生物菌群可以产生儿茶酚胺类、GABA、5-羟色胺、褪黑激素、乙酰胆碱等神经信 号物质,通过迷走神经影响中枢神经系统.肠道 微生物菌群还可以作用于免疫系统,使血液中促 炎细胞因子和抗炎细胞因子水平发生改变,可能 影响中枢神经系统从而改变脑功能.神经内分泌 通路指肠道微生物菌群通过调节肠道内分泌细胞 激素的分泌,如脑肠肽、瘦素、促肾上腺皮质激 素释放因子(corticotropin-releasing factor, CRF)、促 肾上腺皮质激素(adreno-cortico-tropic-hormone, ACTH)、肾上腺皮质酮等激素类物质直接作用于 脑,实现脑和肠之间的信息交流[34] .此外,肠道 微生物菌群代谢产生的产物短链脂肪酸(short chain fatty acid, SCFA)类,多为肠道厌氧菌发酵产物, 如乙酸、丙酸、丁酸等,可被肠上皮细胞和肠内 分泌细胞上的受体识别,也可影响宿主神经系统 [35] .总之,肠道共生微生物菌群可通过多种直接 或间接途径影响宿主大脑和行为,由于肠道微生 物菌群的复杂性,其在脑肠轴信息交流中对脑功 能及行为影响的具体机制还不是很清楚,还需要 进一步的实验研究. 鉴于上述新发现,下一步我们要做的是致力 于阐明脑肠交流的神经系统、内分泌和免疫途径 作用机制,了解复杂脑肠交流网络中各种不同因 子的作用,不仅要更好地了解肠道微生物菌群在 正常脑功能中的作用,还要了解其在胃肠道失调 及其他失调症如神经精神性疾病(抑郁、焦虑症)中 的作用.阐明肠道微生物菌群和脑肠轴交流的机 制,对于开发任何以肠道微生物菌群为基础的药 物及利用微生物菌群特异性治疗精神类疾病的策 略都至关重要.如果进一步研究的结果支持细菌 与某些精神疾病存在因果关系,临床医生在防治 精神障碍时就不仅要考虑精神疗法和针对大脑的 药物,而且还可考虑对肠道微生物菌群进行调 节.这样的干预措施或许能为精神科医生提供新 的武器,改善精神病治疗的预后,具有非常诱人 的前景. 参考文献[1] Mancora M. 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