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Nature:肠道微生物如何导致大脑疾病

编者按:

近年来,越来越多的研究揭示了肠道微生物大脑疾病之间的相关性,肠-脑轴理论的发现给大脑疾病的治疗带来了巨大希望。

今天,我们共同关注脑-肠轴,特别编译Nature杂志发表的题为“How gut microbes could drive brain disorders”的文章。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些帮助和启发。

① 脑-肠轴

2006 年,Jane Foster 成立了自己的实验室,并在不久后发现了一件她确定会引起轰动的事情。

Foster 和她的团队对两组小鼠进行了研究:一组具有经过筛选的健康肠道微生物,另一组不具有肠道微生物。他们发现,具有肠道微生物的小鼠与不具有肠道微生物的小鼠相比,似乎要更焦虑。当把这些小鼠放置在一个兼有开放的路径和围墙的迷宫中时,不具有肠道微生物的小鼠似乎更喜欢开放的路径。这说明肠道中的微生物或可影响小鼠的大脑与行为。

于是,Foster 将这一研究结果撰写成论文并投稿,但被拒稿了。她重新修改了稿件并重新投稿,然而依然被拒稿。Foster 说:“在当时,人们并不接受这个实验结果,认为这是人为原因导致的。”最终,经过了 3 年和 7 次投稿后,Foster 终于收到了文章的接收通知[1]。

爱尔兰科克大学的 John Cryan 与 Foster 几乎在同一时间加入了这一研究领域,他非常能体会 Foster 当时的感受。2014 年,在他参与的一个阿尔茨海默症会议上,当他开始谈论肠道中的微生物与大脑之间的关联时,他回忆说:“我感觉自己像一个传教者,我从来没有这样过――在一间屋子里作一个没有人感兴趣的报告。”

然而,如今,脑-肠轴在主流的神经科学会议上已经成为一个重要的方向,Cryan 说他自己已不再是当年那个“来自爱尔兰的疯小伙”。在过去十年中,大量的文献报道发现,肠道中庞大的微生物可能对大脑有着重要影响,并且可能与一系列疾病相关。美国国立卫生研究院等机构花费数百万美元以资助相关研究。

但是随着这一研究领域热度的不断上升,过度炒作的现象也开始出现。一些肠-脑研究者声称或暗示一些因果关系,然而实验仅仅显示关联性,澳大利亚悉尼大学的哲学家 Maureen O’Malley 质疑这些结论:“你找到真正的原因了吗?还是仅仅找到了另一个结果?”

O’Malley 说,近几年,这个研究领域中出现了显著的进步。研究者不再将这些微生物看作一个整体,而是开始深入研究,以鉴定某些特定的微生物,并找出复杂和惊人的连接到大脑的途径。

O’Malley 说:“这些才是推断因果关系的依据。”小鼠实验和一些人体初步实验证明微生物可以触发或者改变如帕金森病、自闭症谱系障碍等疾病。一些研究团队和公司已经开始在人体中测试这一结论,以证明微生物组疗法可以预防或治疗这些疾病。

加州理工学院的微生物学家 Sarkis Mazmanian 说:“现在还处于早期阶段,但是对于这些棘手的脑部疾病来说,新疗法的前景是比较乐观的。”尤其是考虑到对肠道的操作要比对脑部的操作简单得多。Mazmanian 表示,对大脑进行治疗一直都很困难,“但是你肯定可以改变微生物组。”

如何传递信号?

1817 年,英国的外科医生 James Parkinson,第一次描述了一种症状为“颤抖性麻痹”的疾病,也就是后来为人们熟知的帕金森病。帕金森病患者的双臂会出现麻木和刺痛感。

Parkinson 发现帕金森病患者的腹部似乎存在着“大量的积累物”。于是,他给患者开了泻药,10 天后,当患者的肠道被清空后,他的症状也消失了。

Parkinson 可能已经发现了一些线索。一些患者在出现行动问题之前有很长一段时间的便秘症状。许多研究者认为,至少在某些情况下,这种疾病开始于肠道。

为了理解这个想法,了解这种疾病的一些基本知识是很有必要的。帕金森症的典型症状有:颤抖、僵硬和动作缓慢,症状出现的原因是负责协调运动的神经元开始死亡。这些神经元死亡的原因尚不清楚,但是一种名为 α-突触核蛋白的蛋白质可能起着关键作用。在帕金森病患者中这类蛋白发生错误折叠。第一个错误折叠的蛋白质会引发更多错误折叠的蛋白,直到这种损伤在大脑中积累发展成为路易体(Lewy bodies)。

是什么引发了这种损伤积累?在 2015 年肯塔基州路易斯维尔大学的神经学家 Robert Friedland 提出了一种新的理论。他发现肠道细菌可以产生与畸形的 α-突触核蛋白结构相似的蛋白质,所以他假设,这种细菌蛋白可能为蛋白质错误折叠提供了模板[2]。

他和他的同事将一种特殊的大肠杆菌(Escherichia coli)饲喂给大鼠,这种大肠杆菌在肠道中可以产生与畸形的 α-突触核蛋白结构相似的蛋白质。结果他们发现,在动物的脑部积累了更多的α-突触核蛋白[3]。这项工作在 2020 年由 Mazmanian 及他的团队发表,支持了 Friedland 的理论[4]。

目前还不清楚肠道中的信号如何到达大脑。但是其中可能的一条途径是通过迷走神经。迷走神经连接脑干和多个器官,包括结肠,因此,迷走神经是十二种传递脑部与其他身体部位信号的颅神经中最长的一种。

Cryan 说:“这确实是一条高速路。”在人体和动物中的研究表明,肠道和脑部之间传递的信息,至少其中某些信息,是具有重要功能的。

在 20 世纪 70 年代,治疗胃溃疡的常规方法是切除胃中全部或部分神经来抑制胃酸分泌。但是在最近的数十年中,研究者发现了一种奇怪的副反应:接受这种治疗方式的患者似乎不易患有帕金森病[5]。

在一项小鼠实验中,研究者把错误折叠的 α-突触核蛋白注射到小鼠肠道中,结果小鼠的大脑中产生了这种 α-突触核蛋白。但是如果预先移除迷走神经,大脑中不产生这种蛋白质[6],注射的 α-突触核蛋白似乎留在了肠道中。

这项工作的其中一位作者,约翰霍普金斯大学的神经学家 Valina Dawson 认为在这中间可能存在一种多米诺效应:错误折叠的蛋白通过迷走神经将这种错误信号传递到大脑,最终合成了这种错误折叠蛋白。Mazmanian 与他的同事目前正在进行实验,观察这种存在于肠道中的卷曲蛋白质是否可以促使切断迷走神经的小鼠产生帕金森症状。

由于错误折叠的蛋白也是其他几种影响大脑疾病的标志,包括阿兹海默症和运动神经元疾病( 肌萎缩性侧索硬化症, ALS),所以 Friedland 认为细菌蛋白与这些疾病也有关联。

Dawson 认可这个想法,但他认为细菌淀粉样蛋白并不是唯一因素。拿帕金森病举例,这是一种复杂的疾病,在不同的患者中症状都不同。即便如此,Friedland 仍然认为:“这可能是让事情开始的一种方式。”

③ 加速衰退

肠-脑关联这一观点的支持者认为微生物组不仅仅会引发某些神经退化性疾病,它们还可以影响疾病的严重程度。

以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所和海德堡德国癌症研究中心的免疫学家 Eran Elinav 正在进行一项关于 ALS 发展过程差异性的研究。一些 ALS 患者的疾病进程较慢,而一些患者的恶化速度较为迅速。

Elinav 怀疑微生物组可以帮助解释这些差异,所以他和他的团队利用最常用的 ALS 鼠模型展开了研究工作。他们发现,使用抗生素去除微生物组或者从出生起就无菌的小鼠的疾病进程要比具有正常微生物组的小鼠发展得更快[7]。

研究团队比较了 ALS 小鼠与健康小鼠的肠道细菌,发现了一些可能与疾病有联系的菌种。他们仔细地将这些菌种一个一个地移植到缺乏肠道细菌的小鼠中,发现两种细菌会使 ALS 的症状恶化,一种似乎可以改善症状。Elinav 说:“于是我们问自己,这些生活在肠道中的细菌是如何对脑部疾病产生如此惊人的影响的?”

造成这些影响的可能是细菌的代谢物――由细菌产生的小分子可以进入血液并到达全身各个部分。至少血液内一半的小分子“不是由微生物产生就是由微生物调节的”,Elinav 认为。

他的研究团队分析了由有益微生物产生的代谢物,并将其中的一种,一种名为烟酰胺的分子,也称为维生素 B3,注射给了易患 ALS 的小鼠。他们发现这种分子进入了脑部,并改善了症状[7]。Elinav 说:“我们可以证明有一种细菌,有一种细菌产物,可以到达某些靶标器官,并可以对某些疾病起到有益作用。”

当他们比较患有 ALS 患者和他们不患有此病的家人的微生物组时,发现在 ALS 患者中烟酰胺的含量较少[7]。这种代谢物目前可作为补充剂随时获得,Elinav 说他们正在计划一项与此相关的临床研究。

目前,至少有一个研究团队已经开始小范围测试维生素 B3 在 ALS 治疗中的作用,尽管是与其他成分结合的方式。他们给 ALS 患者服用了四个月。治疗组发生了一些改善,但是安慰剂组中几乎所有患者的健康状况都发生恶化[8]。

Elinav 说:“这仅仅是一个开始。人体中有许多细菌和它们的代谢物,它们会对体内所有细胞都产生影响。一旦你开始察觉到这一切,你会开始理解微生物组带来的影响,不仅仅是在它们真正存活的部位。”

④ 传递到下一代

影响甚至可以从一代传递到下一代。拿自闭症谱系障碍(ASD)举例。疾病的引发原因还知之甚少,然而流行病学研究发现,母亲孕期的感染似乎可以增加孩子患有 ASD 的风险。例如,近 180 万瑞典人的数据显示,母亲曾在怀孕期间因任何感染而住院的人被诊断为 ASD 的风险比其他人高出 79%[9]。

对小鼠的研究也可以支持这些关联。为了模拟感染,研究人员给怀孕小鼠注射了双链 RNA,机体将其视为病毒侵入者。这些经过注射的怀孕小鼠比起未经注射的怀孕小鼠,其所产的幼崽出现了更多的重复行为和焦虑,并且与其他小鼠互动少――症状与人类中相似[10]。

麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的神经科学家 Gloria Choi,以及她的丈夫也是她的合作者――波士顿哈佛医学院的免疫学家 Jun Huh 想要了解其中的原因。

他们聚焦于一类细胞,这些细胞通过产生细胞因子来抵抗细菌和真菌的感染。当 Choi 和 Huh 在小鼠身上模拟感染时,这些叫做辅助性 T17 细胞的细胞,变得极度活跃并分泌出一种叫做 IL-17 的细胞因子。这些分子可能通过胎盘到达发育中胚胎的脑部,并与脑部的受体结合。这似乎对动物有重要的影响:这些子代会表现出更多的神经活动,引起自闭症样行为[11]。

但是 Huh 说:“不是每一个怀孕期间发生过感染或住院治疗的孕妇都会有患有神经发育障碍或自闭症的孩子。”一定有一种触发母亲免疫系统过度活跃状态的因素。

Choi 和 Huh 集中于收集一种分段丝状细菌,在之前的研究中表明该细菌可以提高助性 T17 细胞的形成。他们先向孕鼠注射抗生素,杀死这种细菌,接着刺激小鼠产生免疫反应,结果仔鼠并没有发生异常的行为[12]。

Choi 和 Huh 想要知道冠状病毒大流行是否会造成 ASD 风险的增加。他们收集了感染 SARS-CoV-2 病毒的孕妇的样本并且记录她们肠道中的细菌与血液中 IL-17 的含量。

在加州大学戴维斯分校研究自闭症的 David Amaral 说,这种冠状病毒像其他的感染一样,激活了母体的免疫系统,SARS-CoV-2 很有可能增加改变脑部发育和潜在精神障碍的风险。这是合理的,不过,研究人员还没有发现支持这一理论的证据。

Mauro Costa-Mattioli,德克萨斯州休斯顿贝勒医学院的神经生物学家,也在研究细菌与 ASD 之间的联系。但是他并没有着眼于引起疾病的微生物,而是发现了一种可能治疗这些症状的微生物。

Costa-Mattioli 五年前偶然发现了这种细菌。当时,他正在研究后代有自闭症样的小鼠。当这些小鼠与无神经学特异表现(neurotypical)小鼠一起生活时(像所有小鼠都习惯做的一样,吃它们的排泄物),它们的自闭症样行为消失了。Costa-Mattioli 和他的同事发现那些受到影响的小鼠体内缺少一种细菌:罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)。

他们在其他鼠模型中测试了L. reuteri,这种细菌可以在一定程上逆转各类小鼠的 ASD 样行为。而且,就像 Parkinson 的研究一样,研究人员如果切断小鼠的迷走神经,就会阻断这种效应[13]。

L. reuteri具体传递了什么类型的信号还不清楚。但是该研究团队发现一些菌株可以缓解症状,而另一些菌株却不具备这样的能力,团队正在研究哪些基因影响了这些结果。如果他们发现了产生关键代谢物的基因,那么,如 Costa-Mattioli 所说:“我们可以把这个基因放到任何一个细菌里,也就说我们拥有了一种潜在治疗方案。”这种策略正等待测试。

一个意大利的研究小组已经在尝试使用L. reuteri治疗 80 位自闭症患儿。参与者将摄入 6 个月的L. reuteri或者安慰剂,并且在这期间,研究人员会对他们的症状进行监测。Costa-Mattioli 希望可以尽快开展他自己的试验。

虽然这是否会起作用还有待于观察,但是都柏林圣三一大学的神经遗传学家 Kevin Mitchell 还不认为小鼠实验的结果具有说服力。他认为,由于病情具有复杂性,有关治疗潜力的讨论还为时过早,现在讨论“有点不负责任”。

与此同时,研究人员还在探索更多的脑部疾病,包括阿兹海默症和抑郁症。肠道微生物甚至可能会影响大脑创伤后的恢复。德国慕尼黑大学中风和痴呆研究所的神经生物学家 Corinne Benakis,与她的同事在诱导小鼠中风之前,用抗生素去除了小鼠肠道中的一些微生物。结果,他们发现抗生素能减缓脑部损伤的严重程度[14]。

关于这些疾病,还存在许多机制方面的问题。这一研究领域的研究者也承认,他们还没有完整的微生物到脑部的通路。并且最难的是将这些在动物中的发现应用到人体中并进入试验。Mitchell 说:“这些是非同寻常的论断,需要非同寻常的证据。”

不过,对这一领域的研究兴趣不仅仅来自于科研院校。2019 年 2 月,一家名为 Axial Therapeutics 的公司融资了 2500 万美元。该公司由 Mazmanian 与其他人共同成立,致力于研发神经退行性疾病和神经精神疾病的治疗方法。另一家公司名为 Finch Therapeutics 的公司正在开发一种治疗自闭症的口服微生物制剂药物,该公司在 2020 年 9 月份宣布完成了 9000 万美元的融资。

自 Cryan 发表演讲以来,与这一方向相关的数据越来越多。他发现越来越多的证据为人们所信服,也发现了基于微生物组治疗方法的巨大前景。他说:“不像你的基因组,你除了埋怨你的亲人们之外没有别的办法,但是你的微生物组是可以修改的。这给了病人很大的帮助,这是令人兴奋的。”

参考文献:

1.Neufeld, K. M., Kang, N., Bienenstock, J. & Foster, J. A. Neurogastroenterol. Motil. 23, 255Ce119 (2011).

2.Friedland, R. P. J. Alzheimer’s Dis. 45, 349C362 (2015).

3. Chen, S. G. et al. Sci. Rep. 6, 34477 (2016).

4.Sampson, T. R. et al. eLife 9, e53111 (2020).

5.Svensson, E. et al. Ann. Neurol. 78, 522C529 (2015).

6.Kim, S. et al. Neuron 103, 627C641 (2019).

7.Blacher, E. et al. Nature 572, 474C480 (2019).

8.de la Rubia, J. E. et al. Amyotroph. Lateral Scler. Frontotemp. Degen. 20, 115C122 (2019).

9.al-Haddad, B. J. S. et al. JAMA Psychiatry 76, 594C602 (2019).

10.Careaga, M., Murai, T. & Bauman, M. D. Biol. Psychiatry 81, 391C401 (2017).

11.Yim, Y. S. et al. Nature 549, 482C487 (2017).

12.Kim, S. et al. Nature 549, 528C532 (2017).

13.Sgritta, M. et al. Neuron 101, 246C259 (2019).

14.Benakis, C. et al. Nature Med. 22, 516C523 (2016).

原文链接:https://www.nature.com/articles/d41586-021-00260-3

作者|Cassandra Willyard

编译|gemiu

审校|617