富玛特生物科普——【Cell】一文了解肠道菌群与肠脑轴

菌群-肠-脑轴涉及跨器官系统、多种途径和不同时间尺度的复杂相互作用。Cell近期发表的图文概述，尝试总结和解读其机制，或有助于寻找治疗大脑和行为障碍的新靶点。

肠道微生物组对大脑发育的影响

肠道微生物群在生命的最初阶段就开始影响宿主的生理特性。肠道菌群的改变可能对关键过程有害对器官系统的发育很重要，包括大脑。对无菌饲养的动物，用抗生素治疗的动物，或受环境因素影响的动物的研究母体或产后早期微生物组报告了脑免疫、血脑屏障通透性、脑结构和神经回路通过调节的异常神经元的产生、身份和成熟。这些影响会持续到成年，并容易导致长期的行为缺陷，这就突出了它的重要性在关键的神经发育窗口期维持平衡的微生物群。虽然微生物组对胎儿体内平衡影响的证据正在迅速出现，进一步需要研究揭示肠道微生物调节早期大脑发育和成熟的确切机制。肠道微生物群和大脑之间的积极交流肠道微生物组和中枢神经系统(CNS)之间的主动通信可以通过至少三个平行和相互连接的途径实现。

免疫

肠道微生物群与肠道免疫系统密切相互作用。微生物产物，包括代谢物，如短链脂肪酸(SCFAs)和膜成分，如多糖A，形成免疫稳态和局部免疫反应的促炎或抗炎状态。微生物与局部免疫细胞的相互作用可以导致功能变化，这种变化超出了胃肠道，例如，通过改变细胞因子的释放进入体循环或通过免疫细胞的调节进入身体其他部位，包括大脑。除了微生物对外周免疫的影响细胞，肠道微生物群也被报道调节小胶质细胞，脑驻留免疫细胞的发育，成熟和功能。在神经炎症的背景下血脑屏障通透性的紊乱和改变可促进微生物产物的通过和外周免疫细胞侵入脑实质。大脑对中风等疾病的反应产生的炎症可以改变肠道微生物群的组成，从而导致肠道微生物群的恶性循环生态失调加剧了神经免疫反应，加重了脑部病理和行为。

内分泌/系统

微生物产物和代谢物，如次生胆汁酸、吲哚衍生物和短链脂肪酸，可以通过肠内分泌细胞(EECs)和肠染色质发出信号细胞(ECCs)调节神经肽的分泌，如食欲调节激素GLP1和神经调节剂，如激素和神经递质5 -羟色胺。此外，肠道细菌亚群可以直接合成和释放神经递质和神经调节剂(表1)。如果被吸收并释放到门静脉血液循环，它们直接影响中枢神经元活动的潜力将取决于它们穿越血脑屏障的能力。肠道菌群也是与下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴介导的神经内分泌信号通路有双向相互作用。应力诱发的HPA轴影响胃肠道功能，并随后改变肠道微生物组的组成。相反，肠道菌群的消耗会改变在体内平衡和对微生物群缺乏的应激反应中，糖皮质激素水平的变化证明了HPA轴的功能。

神经元

微生物产物亚群、微生物群调节的激素和微生物群依赖的免疫介质可以直接与肠道内神经元和支配迷走神经和脊髓传入神经相互作用。然后，局部信号通过感觉回路传递到大脑中涉及认知、情绪、恐惧/焦虑、躯体感觉和/的区域或者喂养行为。反过来，迷走神经和脊髓传出神经投射到肠粘膜并直接影响胃肠道稳态(例如，寄生虫的调节)通过脊髓神经源性信号侵入或间接通过与肠神经系统相互作用侵入。通过自上而下的信号调节肠道内神经元的活动或者微生物相关分子最终影响胃肠道生理、局部免疫功能和肠道微生物群的组成。

通信路由之间的串扰

构成微生物-肠-脑轴的免疫、内分泌、全身和神经通路是高度复杂和相互关联的。例如，刺激肠道常驻免疫细胞可导致局部和全身炎症细胞因子的释放，并影响肠道和脑的通透性，这有利于微生物的通过副产物进入门静脉循环和肠实质，调节局部神经末梢的兴奋性，最终改变脑内稳态。此外，肠道微生物的一个子集被认为是关键的神经调节剂，可以通过这三种途径影响中枢神经系统在生理和/或生理上的功能病理背景，这进一步突出了这些生物学途径之间的复杂关系系统也进行了描述。脑脊液的一个子集表现出细胞质突出，即“神经足”，它与传入迷走神经纤维接触，起兴奋作用突触。这种超微结构具有直接和快速地将微生物相关信号传递到大脑并告知胃肠道健康的潜力。

未来的前景

微生物-肠-脑轴涉及跨器官系统的复杂相互作用，这些相互作用通过多种途径和不同的时间尺度发生。新型分子和细胞介质不断涌现，有可能揭示行为背后的综合系统相互作用的基本见解，并进一步确定治疗大脑和行为障碍的新靶点。需要继续进行研究，以揭示其基本原理和精确机制健康和疾病中微生物-肠-脑轴的信号传导。