谢雅静，时晓敏，颜世敢，朱丽萍

[齐鲁工业大学(山东省科学院)生物工程学院，山东省微生物工程重点实验室，山东 济南 250353]

肠道菌群对于宿主的健康有着重要作用，肠道菌群具有稳定性和多样性的特点。肠道菌群主要涉及硬壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)和梭杆菌门(Fusobacteria)，其中硬壁菌门和拟杆菌门占绝对优势(>98%)。按照其对宿主的作用可大致分为3类：与宿主共生的生理性细菌，如双歧杆菌、乳酸杆菌；与宿主共栖的条件致病菌，如肠杆菌、肠球菌；病原菌，如变形杆菌、金黄色葡萄球菌[1]。在生理条件下，肠道菌群按一定的比例组合，各菌间互相制约，互相依存，在质和量上形成一种生态平衡。肠道菌群具有显著的宿主特异性，还易随宿主内外环境的变化而变化，当其生理组合被破坏时，会产生病理性组合，表现临床症状，称为肠道菌群失调。近年来，肠道菌群失调成为研究热点，研究发现各种疾病的发生均与肠道菌群失调存在关联，如消化道疾病、过敏、心血管疾病、肾病、糖尿病、肥胖、免疫性疾病等多种疾病。现有大量研究证实了肠道菌群失调与精神类疾病之间的关系，如抑郁症、自闭症、阿尔茨海默症、人格分裂症、帕金森病等[2]。

1 肠道菌群失调与精神类疾病的相关性研究

1.1 宏基因组学表征肠道菌群与精神类疾病的相关性肠道菌群调节宿主生理的许多方面，包括免疫系统的成熟和功能。此外，肠道微生物群调节大脑发育、功能和行为。肠道菌群宏基因组学显示，重性抑郁障碍患者(major depressive disorder，MDD)、双向情感障碍患者(bipolar disorder，BPD)、健康对照者(healthy controls，HC)之间的肠道菌群具有显著差异。在MDD组和BPD组中，厚壁菌门和放线菌门的相对丰度增加，拟杆菌门的相对丰度减少。在属水平上，MDD和BPD组与HC相比拟杆菌属、梭菌属、双歧杆菌属、奥斯卡菌属和链球菌属明显增加。在种水平上，与BPD相比，MDD具有更高的普雷沃氏菌科丰富度，此外，梭杆菌科、长双歧杆菌亚种、布拉特埃希氏菌DSM 4481和产酸克雷伯氏菌的丰度显著增加[3]。研究精神分裂症患者和健康对照者肠道微生物群，发现精神分裂症患者的厚壁菌门丰度较低，双歧杆菌、大肠杆菌和乳杆菌数量较少，乳酸菌群细菌数量有所增加，乳酸菌群细菌数量与精神分裂症状严重程度呈正相关[4]。

1.2 粪菌移植验证肠道菌群与精神类疾病的相关性肠道微生物区系的改变可能导致精神类疾病的发生，针对微生物群的干预措施，如粪菌移植(fecal microbiota transplantation，FMT)，即将正常的肠道微生物群引入患病宿主，可能是一种治疗选择。FMT不仅逆转了抑郁大鼠诱导的IL-6和TNF-α的升高，以及血清中5-HT水平的降低，还逆转了抑郁大鼠诱导的γ-氨基丁酸(GABA)水平的下降[5]。另外，将患有自闭症的人类供体的肠道微生物群移植到无菌(germ free，GF)小鼠体内，小鼠大脑显示出自闭症相关基因的选择性表达，同时GF小鼠表现出标志性的自闭症行为[6]。

用GF小鼠进行的研究可以揭示肠道菌群对于神经系统的影响。GF小鼠是一种强大的科学工具，可直接研究微生物群对中枢神经系统功能和发育的影响。该模型的主要优点之一是可以将已鉴定的细菌菌株(例如候选精神药物)引入无菌动物中，并与其他微生物隔离研究它们的作用。此外，可以通过移植人类患者的粪便菌群或从疾病的动物模型中接种将GF小鼠的肠道菌群“人源化”[7]。因此可以研究给定细菌组合在疾病发病机理中的作用。Tab 1,2详细说明了GF小鼠在没有外源微生物的情况下长大后如何影响行为和神经系统，证实了肠道菌群与精神健康的相关性。

2 常见精神疾病的肠道菌群研究进展

2.1 抑郁症抑郁症(depressive disorder)为一种神经心理性疾病，以心境低落、兴趣和愉快感丧失、易疲劳为主要症状，因持久反复发作，严重影响学习、工作及日常生活，出现情绪低落、兴趣缺乏以及意志行为减退的“三低”神经性症状，同时躯体会出现慢性器质性疼痛，具有高患病率、高复发率以及高自杀率等特征[8]。

抑郁症的病因尚无定论，大量研究提示，其与遗传因素、神经生化因素和心理社会因素有关。越来越多的研究表明，肠道菌群的失调与抑郁症有关。在最近的研究中发现，抑郁小鼠与对照小鼠的肠道菌群有明显差异，23个细菌类群在对照组和抑郁小鼠中最多，6个细菌类群在抑郁小鼠中最多。对照小鼠和抑郁小鼠中差异最大的细菌类群为异形体属和瘤胃球菌科[9]。另外，通过对46名抑郁症患者和30名匹配的健康对照者的76份粪便样本进行焦磷酸测序，发现抑郁组较对照组的肠道微生物组成有显著差异，在门水平上，厚壁菌门、类杆菌门、变形杆菌门显著增加；科水平上，阿西达米球菌科、肠杆菌科、梭菌科、卟啉单胞菌科和雷士菌科显著升高，杆状菌科、白藜芦科、乳螺科、普氏菌科、反刍菌科和韦氏菌科显著低于对照组[10]。越来越多的研究证明，肠道菌群与抑郁症之间存在高度联系，同时对其发病机制的研究不断深入。

Tab 1 The germ-free behavioral profile

Tab 2 The germ-free physiological profile

2.2 自闭症自闭症也称孤独症，是一种弥漫性中枢神经系统发育障碍性疾病，与阿斯伯格综合征、童年瓦解性障碍及其他待分类的广泛发育障碍等疾病统称为自闭症谱系障碍 (autism spectrum disorder，ASD)。患者出现语言沟通、发育障碍和动作迟缓三大症状。ASD起病于婴幼儿期，以男性多见，主要表现为不同程度的言语发育障碍、社交障碍、兴趣范围狭窄和行为方式重复刻板[11]。

与健康对照者相比，ASD患者具有不同的肠道菌群的组成和不同的肠道代谢组。在ASD患者中观察到产生短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)的拟杆菌门丰度较高。此外，产生潜在毒性代谢产物(如苯酚和对甲酚)的双歧杆菌丰度降低且梭状芽胞杆菌属水平升高。肠道微生物代谢产物如对甲酚和SCFAs的改变与ASD症状有关，可能导致ASD患者肠道中血清素含量的增加和脑部血清素合成的减少。ASD患者肠道菌群多样性也存在差异，肠道菌群组成的改变会影响免疫系统，炎症和新陈代谢，从而增加患ASD的风险[12]。18名自闭症儿童在接受了为期2周的抗生素治疗后，随后接受了粪菌移植，移植持续7～8周，最终在一定程度上改善了自闭症的核心症状(例如社交技能缺陷和重复行为)，粪菌移植还增加了ASD患者的总体细菌多样性和有益微生物的丰富性[13]。以上研究表明了肠道菌群与自闭症之间的高度联系。

2.3 阿尔茨海默病阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是在记忆、认知等方面存在严重缺陷的常见神经退行性疾病。老年人发生率较高，其主要表现是出现认知功能障碍、记忆力减退、行为异常、人格失常，最后甚至出现痴呆症状。AD发病机制包括β-淀粉样蛋白过度聚集、Tau蛋白过度磷酸化导致的神经原纤维缠结、神经炎症、糖基化终产物与其受体晚期糖基化终产物相互作用导致的脑细胞损伤等，AD患者的肠道菌群失衡导致外周血液中苯丙氨酸和异亮氨酸异常增加，进而诱导外周促炎性Th1细胞的分化和增殖，并促进其脑内侵润。侵润入脑的Th1细胞和脑内固有的M1型小胶质细胞共同活化，导致相关神经炎症的发生[14]。

采用APPs/PS1转基因小鼠模型评估认知障碍、脑内β-淀粉样蛋白沉积和Tau磷酸化、突触可塑性以及神经炎症。用16S rRNA测序和核磁共振氢谱分析肠道微生物区系及其代谢产物短链脂肪酸(SCFAs)。结果表明，FMT治疗可以改善APPs/PS1转基因小鼠的认知功能障碍，减少β-淀粉样蛋白的脑沉积，伴随着Tau蛋白磷酸化的降低，同时FMT处理逆转了肠道微生物区系和SCFAs的变化[15]。在无菌AD小鼠模型中，具有常规菌群或常规AD菌群的FMT导致其病理学表现明显，后者表现出更强的作用。另外，与健康对照小鼠的粪便相比，在接受AD粪便的老年小鼠中，与神经系统相关的粪便代谢产物含量降低(如GABA)，认知功能下降。另外，AD治疗新型药物GV-971通过重塑肠道菌群平衡、降低外周相关代谢产物苯丙氨酸/异亮氨酸的积累，减轻脑内神经炎症，进而改善认知障碍，达到治疗AD的效果[16]。以上研究表明，肠道菌群与阿尔茨海默症之间的高度联系。

2.4 人格分裂症精神分裂症(schizophrenia)是一种严重的精神疾病，起病于青壮年，病因未明，预后差，易复发，复发导致症状恶化，严重影响社会功能，给家庭和社会造成严重影响。精神分裂症患者常伴有幻觉、妄想和思想障碍，精神分裂症的病因尚未阐明，受遗传和环境等多因素共同影响[17]。

研究发现，移植精神分裂症患者粪便诱导了GF小鼠的精神分裂症相关行为，并伴随着海马区谷氨酸、谷氨酰胺和GABA水平的改变。精神分裂症患者肠道微生物区系在属水平上表现出更高的α多样性，在种水平上表现出更高的β多样性。另外，精神分裂症患者肠道菌群中含有多种兼性厌氧菌，如发酵乳杆菌、屎肠球菌、奥兰嗜碱杆菌、图里克斯菌等，这些菌在健康人肠道中是罕见的[18]。通过鸟枪宏基因组测序和16SrRNA测序，预测了精神分裂症患者和健康对照者的肠道微生物群相关表位，发现与健康对照组相比，精神分裂症患者的肠道菌群丰度明显降低。基于两阶段宏基因组关联研究，发现19种肠道菌群与精神分裂症有关，谷氨酸合酶(GOGAT)在精神分裂症患者的肠道中比在健康对照组中更活跃，高GOGAT活性与肠道IgA水平相关的肠道微生物群的改变有关[19]。以上研究表明肠道微生物区系精神分裂症之间存在着密切的联系。

2.5 帕金森病帕金森病(Parkinson′s disease，PD)又称震颤麻痹，是一种好发于中老年人的神经退行性疾病。常见的临床表现为静止性震颤、动作迟缓和肌强直、肌张力增高等运动性症状，同时伴随认知障碍、嗅觉障碍、睡眠障碍、胃功能紊乱等自主神经非运动症状。其最主要的病理改变是中脑黑质致密部多巴胺能神经元的变性、缺失和α-突触核蛋白异常折叠或聚集形成的路易士小体[20]。

PD患者的肠道微生物群组成和代谢组与健康个体不同。研究发现PD患者于年龄匹配的对照者相比，PD患者中布拉氏菌、粪球菌、玫瑰菌、变形菌的丰度增加，同时粪肠球菌、前肠杆菌科丰度下降，且肠杆菌科水平与姿势不稳和步态艰难的严重程度呈正相关，PD患者粪便的普雷沃菌大量减少，而艾克曼菌增加[21]。另外，通过对65例PD患者进行研究，发现PD患者粪便样本中类杆菌、变形菌和疣微菌明显增加；与健康对照个体相比，PD病患者的黏膜乳酸杆菌科明显减少，草酸杆菌科显著增加，粪便厚壁菌门显著减少；此外，在PD患者中发现了更多的促炎性肠道细菌，例如产生LPS的变形菌，以及较少的产生抗炎性丁酸盐的肠道细菌[22]。以上研究可表明肠道菌群与PD病存在联系。

3 肠道菌群失调引发精神疾病的机制

严重的精神障碍，包括重性抑郁症、双相情感障碍和精神分裂症等，被列为全球最重要的致残原因。它们代表具有多维精神病理学和重叠诊断边界的复杂表型。压力在严重精神疾病的病因和进展中起着重要作用，机体产生压力会激活下丘脑-垂体-肾上腺轴(hypothalamic pituitary-adrenal axis，HPA)和交感神经系统，进而适应环境需求。然而无效应对压力的情况下，机制的过度激活可能会引发产生有害影响的全身性生物学反应，进而引发精神和情绪障碍，例如HPA轴功能障碍[23]。

肠道菌群对脑功能的影响越来越受到关注，肠道菌群与肠道和脑之间进行着密切的信息交流，行为和情绪的调控方式有了全新和更全面的认识，近年来HPA轴的概念扩展为脑-肠-微生物群轴(microbial brain gut axis，MBGA)。肠道菌群是肠-脑轴的主要组成部分，该轴包括肠道和中枢神经系统之间进行交流的各种途径。肠道菌群通过多种微生物信号传导途径与大脑保持恒定的双向通讯，包括神经分泌和内分泌等途径，参与肠道菌群到大脑的信号传导，并且响应肠道菌群或大脑的改变来调节这种通讯，而大脑又可以通过自主神经系统改变微生物的组成和行为[24]。

3.1 迷走神经途径微生物群、肠道和大脑通过MGBA轴以双向方式进行通信，这种方式涉及神经系统。迷走神经传入纤维分布在消化壁的所有层，但不穿过上皮层，它们不与肠道菌群直接接触。因此，这些纤维只能通过细菌化合物或代谢物的扩散，或者由位于上皮中的其他传递细胞信号的细胞而间接地检测微生物信号[25]。肠内分泌细胞(EEC)占肠道上皮细胞的1%。EEC和迷走神经传入之间的相互作用是在肠化学传感的界面上。EEC通过释放位于迷走神经传入纤维上的5-HT活化5-HT受体。迷走神经还可以通过肠道菌群产生的SCFAs直接传感微生物群信号，如长油酸油酸酯通过缩胆囊素介导的机制作用于迷走神经传入，而丁酸短脂肪酸则具有直接作用。在传入终端上，Toll样受体4 (TLR4)在迷走神经传入纤维上表达，这些纤维可以感知细菌产物(如LPS)来激活大脑[26]。

3.2 内分泌途径肠道被认为是人体内最大的内分泌器官。肠道菌群可通过HPA轴作用于肠内细胞。肠道菌群有助于增加细胞因子的释放和小的生物活性分子的合成。反过来，某些细胞因子，如IL-1、IL-6和TNF-α会穿过血脑屏障，成为HPA轴的有效激活剂，此外，肠道菌群还可通过释放脂多糖和肽聚糖来激活HPA轴。大肠杆菌可以产生模仿α-黑素蛋白(α-MSH)的Clp-β蛋白，而α-MSH可以刺激前黑素皮质素的释放，进而促进促肾上腺皮质激素的合成。另外，细菌在消化碳水化合物过程中产生SCFAs可稳定肠道完整性和下调免疫炎症过程而对肠道环境产生多种有益作用[23]，SCFAs能够穿过血脑屏障降低小胶质细胞的活性，从而缓解局部炎症。研究还表明，SCFAs可以减少编码HPA轴中涉及的蛋白质的基因的表达。

3.3 免疫途径肠道菌群可通过对人体免疫系统的调节刺激各种细胞因子进而影响宿主大脑的生理活动。巨噬细胞通过TLR和Nod样受体(NLR)产生促炎细胞因子IL-1β，IL-1β的释放激活先天淋巴细胞(innate lymphoid cells，ILCs)产生粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子和IL-2，从而维持调节性T细胞(Treg)稳态，诱导Treg细胞的增加，中枢神经系统中CD4+T细胞产生IL-4含量升高，进而恢复神经元组织稳态，表明2型辅助性T细胞(TH2)在中枢神经系统损伤中具有神经保护作用[27]，另外，神经胶质细胞存在于中枢神经系统中，对大脑发育和体内平衡至关重要。小胶质细胞是大脑中最丰富的常驻免疫细胞，占神经胶质细胞的5%～20%，它的功能包括吞噬作用、抗原呈递、细胞因子产生和炎症反应的激活等。精神类疾病的产生可能会导致其功能障碍。在损伤后和疾病中进入中枢神经系统的外周免疫细胞可能直接影响小胶质细胞的功能。除小胶质细胞外，星形胶质细胞是参与维护中枢神经系统(central nervous system，CNS)健康和疾病的主要胶质细胞，为形成血脑屏障的内皮细胞提供支持，并通过抗原呈递以及细胞因子和趋化因子的产生在CNS发育和炎症中发挥免疫调节作用，还可释放IL-1、IL-33以激活小胶质细胞突触吞噬和神经回路发育[28]。

4 总结与展望

以上研究证实了肠道菌群失调与精神健康之间的关系，并且也对其可能地发生机制“微生物-肠-脑轴”进行了简单介绍，但是就其精神疾病的研究还需不断深入。目前临床上对上述精神类疾病的治疗主要依靠益生菌治疗法和粪便微生物移植法(fecal microbiota transplantation，FMT)，后者在临床上取得了一定成效，感染艰难梭菌患者在接受粪便移植治疗后，治愈率达到94%[29]，表明肠道菌群的改变对“微生物-脑-肠轴”功能有影响；但是，比较遗憾的是，国内目前缺乏大规模的临床研究，同时该类实验无法准备的考虑到人类肠道菌群的复杂性和多样性，对于个体差异无法进行更多的深究，因此，在今后的研究中还可结合代谢组学、蛋白质组学、微生物组学等手段，以便进一步进行数据挖掘[30]。