孙学军
脑肠轴研究和转化应用 精选
2022-5-27 15:07
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Microbiota–brain axis: Context and causality (science.org)

     肠道菌群对大脑的发育和功能具有重要影响,通过干预肠道菌群实现改善大脑健康和大脑疾病治疗已经取得了许多进展,并在实际应用中取得了很大效果。但是这一领域仍然存在一些问题没有解决,研究这些问题给将来更好利用这些知识治疗大脑相关疾病将带来更好的策略。

肠道菌群与动物的大脑发育和功能,以及情绪、运动和认知行为的改变有关。然而,仍然迫切需要解开支撑微生物与大脑连接的沟通机制和途径。简化动物模型揭示了肠道细菌对大脑活动和行为的重大贡献,尽管这些发现在多大程度上适用于人类还不清楚。粪便微生物组与人类行为和神经系统疾病之间的联系是普遍的。整合基因、环境和经验因素形成和响应肠道微生物功能的纵向研究,以及在细胞和分子水平上修改微生物-大脑相互作用的干预措施,将有助于解决微生物可能影响人类大脑及其健康的环境。因此,针对肠道而不是大脑来改善改变的行为或大脑病理的前景似乎既可行又及时。

在出生时和生命早期暴露于微生物会形成多种微生物生态系统,它们栖息在皮肤、口腔、阴道和肺部,其中大多数人类相关的细菌栖息在下消化道(GI)。人类的微生物群已经被描述为来自众多地理位置和不同条件的个体。宏基因组研究可以重建细菌的生物合成途径,并为潜在的微生物组功能提供见解。将DNA测序与元转录组学、代谢组学、脂质组学和蛋白质组学相结合,为揭示肠道微生物-脑轴的分子介质提供了令人兴奋的机会。

使用无菌小鼠(GF)缺乏所有的微生物提供了证据表明微生物群对大脑发育(1)是至关重要的。无菌老鼠显示大脑神经递质及其受体表达的变化以及神经营养因子显示区域的基因表达血脑屏障受损。甚至小鼠的海马神经发生和神经可塑性也受到肠道菌群缺失的影响。少突胶质细胞的成熟被特定的肠道微生物代谢物所抑制,这些代谢物改变了小鼠边缘系统内的髓鞘化模式,从而促进了焦虑样行为。此外,无菌小鼠或抗生素治疗的小鼠具有更高的冒险性、多动性、以及进食行为和表现出学习和记忆缺陷。在各种动物物种中,包括苍蝇、蠕虫和鱼类,有越来越多的证据表明复杂的行为和肠道菌群组成之间存在联系。此外,改变的细菌群落、抗生素治疗、和粪便微生物移植(FMTs)影响焦虑、抑郁、自闭症谱系障碍(ASD)、癫痫、帕金森病(PD)、肌萎缩侧索硬化症(ALS)和阿尔茨海默病小鼠模型的症状和病理。

大多数将肠道菌群与大脑表型和行为联系起来的证据来自动物模型。这些临床前研究为人类的进一步分析和干预提供了知情的策略,但需要更严格的人类研究来区分因果关系和相关性。

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动物研究为假说的产生和验证提供了有价值的平台和机会。临床前模型在其转化价值方面不断发展和提高;例如,老鼠的免疫系统、肝脏和微生物群可以被人化。然而,在动物模型中捕捉人类基因多样性和各种环境影响仍然具有挑战性,将鼠脑与人脑的功能和结构相似性关联起来具有局限性。同样,跨物种的行为储备也有很大差异,这阻碍了真正的转化解释。然而,动物研究已经令人信服地证明,肠道菌群可以是疾病状态的一个后果,与遗传或环境风险一起发挥作用,或导致大脑功能、行为、大脑病理和疾病相关症状的变化。事实上,针对微生物群的饮食干预或益生菌治疗可以改善某些神经发育和神经退行性疾病动物模型的症状。

尽管有这些突破,人类研究仍落后于动物研究。少量婴儿或成人的脑成像研究将肠道微生物组特征与大脑活动扫描和自然行为进行了比较,得出了有趣的关联。横断面研究显示,重度抑郁症(ASD)患者的肠道微生物组和代谢组存在显著差异。与对照组比较。虽然个体研究在细菌物种水平上的一致性通常是有限的,但汇集多个数据集的大型荟萃分析揭示了特定疾病适应症中以前未实现的趋势。在某些情况下,微生物组特征可以确定疾病亚型,并与药物的使用相关。人类微生物组研究的质量正在提高,样本量也在增加,同时考虑到一些重要的混杂因素,如饮食。探索性临床发现表明,摄入发酵乳制品会改变与焦虑相关区域的大脑活动。精神生物制剂可以改善情绪和影响(情绪状态)以及与肠易激综合征相关的焦虑。在各种研究和开放标签试验中,口服药物、抗生素治疗或FMT对肠道衍生代谢物的调节似乎可以改善ASD相关行为和胃肠道症状。虽然早期以微生物为基础的干预似乎很有希望,但从相关研究到疾病改变的验证仍需要重复和良好的对照研究。

全基因组关联研究(GWASs)使用大型协作团队的方法来增加样本量并揭示复杂疾病的遗传风险。然而,微生物组比人类基因组更多样化和更动态,这一特点带来了明显的挑战。生活在不同地点和环境中的人体内的人体微生物的复杂性,其随生活方式而形成的时间变异性,以及仍不完整的人类相关细菌清单,都对理解其对人类结果的因果影响构成了障碍。粪便DNA的细菌和病毒群落分析已经产生了各种神经系统疾病中微生物组变化的证据,但仍然缺乏充分解释这些结果所需的关键信息。例如,一些精神和神经退行性疾病伴随肠道问题;弄清微生物群是否与肠道症状有关,还是被与胃肠道表现相关的病理和/或生活方式所重塑,将影响对观察到的微生物群差异的解释。纵向研究的相对缺乏并不能说明微生物组的变化是否先于临床诊断。

大多数队列研究将社区控制与患者进行比较,没有捕捉到共享环境和饮食对微生物群的影响,可通过分析家庭控制和/或兄弟姐妹进行评估。收集遗传信息,例如与神经精神疾病或神经退行性疾病相关的已知风险等位基因,将允许对肠道菌群对基因-环境相互作用影响的贡献水平进行更精细的分析。因此,预测微生物群对人类结果的因果关系(即使在有限的情况下)需要采取的方法是,捕捉多个变量,这些变量可以随着时间的推移影响微生物群的可塑性,混淆在简化的动物模型中没有遇到。

微生物-大脑研究的一个关键方面是其跨学科性质,需要不同的专业知识来解开对人类神经或行为结果的复杂影响(见图)。随着时间的推移,跟踪人类在其原生环境中的种群的大型自然史研究是探索微生物群对兴趣影响的贡献的理想平台,因为可以收集可获取的粪便样本和伴随的生活方式数据,不仅提供微生物组剖面的纵向信息,而且还提供可能影响其组成和功能的生活经验的实时跟踪。值得注意的是,这些体验包括环境变化以及情绪压力源、身体压力源、昼夜节律、损伤、感染和神经疾病诊断(例如,潜在的脑-体反馈)。与博物学研究类似,出生队列研究对于研究某些在生命早期表现出来的条件很有帮助,比如ASD。该方法可在高危人群中进行微生物组分析,并可在怀孕期间开始,预计在出生后35年诊断疾病。出生队列中的微生物组评估可以结合基因检测、代谢谱、饮食和生活方式信息。将血液或尿液生物标志物、免疫图谱和微生物产物与行为和神经生物学终点纵向关联,将有助于深入了解可能介导肠道-大脑相互作用的细胞和分子机制。

跨群体复制将是至关重要的,但会带来后勤和物资方面的挑战。在大规模人群研究中确定因果关系的方向将为产生可以在人类和实验系统中验证的假设提供前所未有的机会。此外,在没有疾病状态的情况下,微生物群对正常行为反应的相对贡献还需要验证——例如,探索微生物群是否在稳态内感受(内部)反应中发挥作用,确定微生物群如何影响免疫或代谢塑造日常行为,揭示个体间认知、社会或压力反应的差异是否由微生物影响介导。

值得注意的是,可以想象的是,除了某些类型的感染外,肠道细菌对人类环境的影响并不是因果关系。通过为免疫、代谢和内分泌系统的活动和功能设置稳态阈值,一个不健康的微生物群本身可能不会导致疾病,而是使其宿主对包括遗传风险、不健康的饮食或生活方式,或遇到情绪或身体压力在内的压力源的影响不那么有弹性。微生物群是复杂疾病的一个组成部分,这一组合病因学的观点得到了重大观察的支持,这些观察发现,具有特定遗传或环境风险的ALSASDPD小鼠会根据其微生物组组成表现出不同的症状(12-15)。因此,通过饮食或FMT建立健康微生物群的干预措施,或用益生菌或益生元纠正微生物的细微偏差,可能会赋予生物弹性,减轻潜在的遗传或其他影响大脑疾病的因素。也许动物与它们的微生物密切共同进化的观点,这些微生物从根本上广泛而动态地与整个身体相互作用,解释了为什么这么多的结果和疾病被归因于肠道细菌的功能(或功能障碍)。鲁棒性是通过复杂菌群的重叠和互补功能实现的,而微生物多样性的耗尽或变化可能会侵蚀对应激源的恢复能力,从而增加疾病风险。

以微生物为基础的介入研究用于概念验证或治疗目标的前景令人兴奋。已经有证据表明FMTs在成年人身上是可行的、可扩展的和安全的。成功的干预针对的是微生物群,而不是人类,改善改变的行为或大脑病理学,将有助于证实肠道细菌有助于神经疾病。此外,与目前需要穿过血脑屏障的方法相比,在肠道内靶向给药的潜力可能会提供更强的治疗可加工性和安全性。

 


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