综述 | Gut Microbes：肠道微生物和代谢物可以调节血脑屏障完整性以及大脑健康
编译：逍遥君，编辑：小菌菌、江舜尧。
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人类肠道菌群包括细菌、古细菌、病毒、真菌和原生动物的种群（多样化和动态平衡），与宿主互利共存。当肠道稳态受到干扰时，胃肠道和其他器官系统（包括大脑）的功能可能受损。肠道菌群被认为可破坏血脑屏障并诱发神经退行性疾病。因此我们需要更好地理解肠道微生物和宿主细胞之间的相互作用，以及这些作用对从肠道到大脑的信号传导的影响。随着基于高通量“组学”技术的进步，我们对肠道中不同生态系统的组成和代谢以及包含肠-脑轴的复杂通信网络的理解正在迅速增加。本文总结了将肠道菌群和大脑健康联系起来的研究进展，重点关注肠道微生物及其从饮食成分中生成的代谢物对血脑屏障完整性的影响。并且从目前对特定机制的认识角度，讨论了这些代谢产物如何沿双向神经和循环途径在全身行进。此外作者还强调了通过递送益生元、益生菌和粪便菌群移植操纵肠道菌群对大脑健康的潜在治疗效力。这些方法可以有效治疗胃肠道疾病，虽然治疗神经和神经退行性疾病的适用性和疗效需要研究，但它们是有前景的工具，可以通过精确的微生物靶向治疗为疾病治疗和预防开辟尚未探索的途径。
论文ID
原名：Gut microbes and metabolites as modulators of blood-brain barrier integrity and brain health
译名：肠道微生物和代谢物是血脑屏障完整性和大脑健康的调节剂
期刊：Gut microbes
IF：7.74
发表时间：2019.08
通讯作者：Aimée Parker & Sonia Fonseca
作者单位：Quadram生物技术研究所
论文框架
主要内容
1 健康和神经退行性疾病中的肠道菌群
人类微生物群由多样化和动态的微生物群组成，包括细菌、古细菌、病毒、真菌和原生动物，与宿主建立互惠关系。胃肠道（gastroIntestinal，GI）中包含超过1014个细菌，其中绝大多数（1010-1012 CFU/g肠内容物）位于回肠和结肠。分类多样的肠道菌群与肠道上皮屏障的完整性、肠道代谢和免疫稳态的维持有关。鼠李糖乳杆菌的存在与肠屏障功能和上皮紧密连接蛋白的表达增加以及血清中炎性细胞因子水平降低有关，此外一些种类的乳杆菌属和双歧杆菌属被认为也是对宿主有益的。相比之下，梭状芽孢杆菌过度生长通常是肠道微生物微生态失调和肠道通透性增加（“渗漏性肠道综合征”）的表现特征，也是炎症性肠病和其他免疫相关肠和肠外疾病的表现特征。除了胃肠道，微生物群也可能在包括大脑在内的其他器官系统的功能中发挥作用。对于影响大脑的GI微生物群的研究主要集中于动物研究，特别是无菌啮齿类动物，其中大脑的结构和功能属性可以在微生物暴露和定植之前和之后进行评估。与无常规特异性病原体（Conventional-specificpathogen free，SPF）小鼠相比，肠道微生物的缺失与血脑屏障（Blood-brainbarrier，BBB）的结构改变相关，其特征为紧密连接蛋白的表达降低，导致肠道通透性增加。此外，使用SPF小鼠的粪便干预常规无菌小鼠，降低了BBB的通透性，这为肠道微生物和BBB完整性之间的因果关系提供了证据。还有研究表明使用长期给予抗生素耗尽小鼠肠道菌群可导致小鼠物体识别障碍、减少海马神经发生和记忆减退，通过给予益生菌可逆转这种情况。
最近的研究表明，肠道菌群可能有助于神经退行性疾病和痴呆的发生或发展。神经退行性疾病以运动功能受损和（或）痴呆为特征，是全球老年人致残主要原因之一。痴呆是用于对疾病类型进行分类和诊断的一系列症状。常见形式包括阿尔茨海默病（Alzheimer’sdisease，AD）、血管性痴呆、额颞叶痴呆、帕金森病（Parkinson’sdisease，PD）和路易小体痴呆；均为慢性或进行性，特征为记忆、思维、行为和进行日常活动的能力恶化。所有痴呆的一个共同特征是慢性神经炎症，涉及小胶质细胞（大脑的固有巨噬细胞样免疫细胞）的过度激活和失调。当小胶质细胞被激活时，其形态改变与促炎细胞因子，如IFN-γ、IL-6、TNF-α的分泌增加，活性氧和氮的释放有关，可导致神经元细胞死亡、BBB完整性丧失和脑损伤。BBB完整性的改变是患者神经炎症的原因还是结果是一个尚未解决的主要问题。这个问题已经可以通过使用动物模型，尤其是具有AD或PD特征的转基因小鼠来解决。与常规小鼠相比，表达淀粉样β前体蛋白（Amyloid-βprecursor protein，APP）的转基因小鼠在无菌条件下发生的脑β-淀粉样斑块较少。与这一发现一致，抗生素给药也限制了β-淀粉样蛋白病理学和神经炎症，这或许表明肠道菌群在该小鼠模型神经炎症发病机制中也发挥作用。在PD患者中也做了相关的研究，通过微生物分类分析确定了特定共生细菌和神经炎症之间的可能联系。尽管这些发现有一些新的见解，但迄今为止，仍无法确定肠道微生物可以直接或间接影响BBB的途径。
2 血脑屏障
“血脑屏障”一词最早是由Stern和Gautier提出的，他们通过检查血液和大脑之间化合物（如吗啡）的渗透或排除，提出了该屏障在维持大脑稳态中的作用。20世纪60年代后期的研究证明，BBB位于内皮形成脑内血管壁。至此，BBB作为一种静态的、不可渗透的屏障的概念已经演变为目前一种动态的、高度调节的、特定的细胞系统的观点，随着人们对BBB动态调节的研究，目前认为BBB是神经血管单元（Neurovascular unit，NVU）的一部分（图1），包括脑微血管内皮细胞（Brainmicrovascular endothelial cells，BMEC）、周细胞、星形胶质细胞、神经元、小胶质细胞和细胞外基质（Extracellularmatrix，ECM），这些部件共同调节BBB的稳定性和功能。这种组织见于所有脑区（除了脑室周围器官外），调节自主神经系统和内分泌腺，并有允许分子跨血管壁扩散的通道。
图1 健康（a）和疾病（b）状态下人类血脑屏障神经血管内皮单位的示意图。与创伤或感染相关的通透性增加与内皮紧密连接的破坏有关，导致血源性免疫细胞的进入和移位，炎症介质如细胞因子和微生物及其产物可以激活小胶质细胞，导致局部炎症导致细胞外基质和星形胶质细胞丢失，周细胞和神经元细胞功能障碍和死亡。
BMECs通过由闭锁小带组成的蛋白复合体相互连接，从而限制相邻内皮细胞之间分子的细胞旁流动，以维持脑内离子稳态。连接BMECs的是几种非内皮细胞，包括缠绕在毛细血管内皮周围的周细胞，可以改变血管直径，调节跨细胞凋亡和跨BBB的免疫运输细胞。星形胶质细胞及其末端足在周细胞和内皮细胞周围形成第二道物理、转运和代谢屏障，并与神经元相通，建立内皮-神经元联系。周细胞和星形胶质细胞也将神经元信号传递到局部血管，通过改变小动脉扩张和血流影响屏障生理。虽然在血管生成过程中涉及血管生长的调节，但小胶质细胞在稳态BBB维持中的作用尚不明确，但已有研究表明这些细胞是神经退行性疾病相关炎症的主要参与者，分泌促炎细胞因子和促进BBB破坏和神经元丢失的因子。在炎症状态下，BMEC紧密连接结构的改变增加了跨细胞通透性，使循环中的炎性细胞因子进入大脑。血管内皮的炎症活化可诱导粘附分子和化学引诱物的BMEC表达，允许中性粒细胞和CD4+T细胞的效应Th1和Th17亚群浸润，这与多发性硬化（Multiplesclerosis，MS）、AD和PD的发病机制有关。AD病理早期星形胶质细胞形态及炎性细胞因子和化学引诱物的分泌发生改变。淀粉样β蛋白可诱导BMEC活化和紧密连接重塑，周细胞损伤和丢失导致认知障碍、淀粉样β沉积增加和tau病理改变。综上所述，炎症和组成BBB的细胞功能变化的共同作用导致神经退行性疾病相关的BBB破坏。浸润的免疫细胞、小胶质细胞和星形胶质细胞可能相互激活，驱动慢性炎症，阻止BBB修复，使周细胞损伤和神经元丢失，进一步促进认知功能下降。因此，保留和恢复BBB的完整性是制定神经保护策略和干预措施的主要目标。
3 影响BBB完整性和脑健康的肠道微生物衍生代谢物
肠道菌群将饮食（包括大量和微量营养素、纤维和多酚）转化为一系列代谢产物，包括短链脂肪酸、三甲胺、氨基酸衍生物和维生素。这些微生物来源的代谢物和饮食成分具有基本的代谢和信号功能，可调节宿主稳态，包括BBB完整性和脑功能。影响BBB和脑的微生物代谢物详述如下。
3.1 短链脂肪酸
短链脂肪酸（Shortchain fatty acids，SCFA）是小分子有机单羧酸，主要由膳食纤维和复杂植物多糖在结肠发酵产生。对于醋酸盐：丙酸盐：丁酸盐，SCFA在结肠腔中的浓度约为100 mM，比例分别为60:25:15。生成丙酸盐的细菌主要为厌氧菌梭状芽孢杆菌目，生成乙酸盐和丁酸盐的细菌种类较为多样。在结肠中产生的SCFA，超过95%均可被被健康个体的粘膜吸收，在外周血中可检测到的所有三种SCFA的比例（醋酸盐，22-42μM；丙酸盐，0.9-1.2μM；丁酸盐，0.3-1.5μM）。SCFA刺激结肠血流、上肠运动，影响水和盐摄取，增强饱腹感。它们还可以通过血流进入BBB，直接影响其完整性。有研究表明无菌小鼠在定植产丁酸菌（Clostridium tyrobutyricumor）后，口服丁酸钠后，通过上调紧密连接蛋白，使BBB通透性下降。创伤性脑损伤后，静脉或腹腔内给予丁酸钠可阻止BBB破坏，促进神经发生。因此调节SCFA水平可能有助于预防或治疗神经衰退。此外，还有研究表明，腹腔注射丁酸盐或增加饮食中可溶性纤维（菊粉）的摄入量可改善衰老小鼠的神经炎症，在CK-p25转基因小鼠中，表现出突触和神经元的丢失和学习，侧脑室注射丁酸盐可改变海马组蛋白乙酰化，以改善记忆和学习。在人脑内皮细胞培养模型中也发现丙酸盐治疗具有保护、抗炎和降低致死率的作用。同时，在自闭症小鼠模型中，大脑中高水平的丙酸盐会加剧症状，但通过补充丁酸盐可以减轻这一点，这表明代谢物平衡可能对宿主很重要。对无菌小鼠饮用水中给予SCFA鸡尾酒4周可以挽救小胶质细胞数量、功能和形态的减少。在特异性优化SCFA补充剂的临床试验之前，假设提供SCFA混合物或简单地增加膳食纤维可以挽救包括AD在内的神经退行性疾病中与神经元功能障碍相关的低代谢。最近在AD患者死后大脑中检测到细菌、病毒和真菌来源的核酸和蛋白质的少数研究表明，微生物代谢物（如SCFA）可能由脑驻留或浸润微生物在局部产生。“大脑微生物组”的可能性仍然存在争议，在解释组织样本中低丰度微生物核酸的检测时，需要考虑可能的污染问题，Carrasco及其同事提供了阿尔茨海默病患者死后脑组织中各种真菌种类的支持性免疫染色数据。这些包括白色念珠菌（环境中难以分离），其常见于哺乳动物肠道中，并检测到出芽和菌丝形式，表明真菌在活体组织内生长。虽然肠道微生物产生的代谢物可以通过循环影响肠道和大脑，但它们是否在脑部存在，并对大脑内的SCFA可用性有显著影响仍有待确定。还需要更多的工作来了解促进健康衰老的外周和大脑中SCFA的最佳平衡，并进一步了解如何操纵肠道（和潜在的大脑）的微生物组来实现这种平衡和保护认知健康。
3.2 三甲胺
三甲胺是饮食（鸡蛋、坚果、乳制品、肉类和鱼类等食物）中胆碱、卵磷脂、肉碱和三甲胺-N-氧化物（Trimethylamine-N-oxide，TMAO）的肠道微生物代谢产生的代谢产物。胆碱降解为三甲胺（Trimethylamine，TMA），在肝脏被含黄素的单加氧酶（Flavin-containingmonooxygenases,FMOs）转化为TMAO，并去甲基化为二甲胺和甲胺。肠源性TMA由Anaerococcus、Clostridium、Escherichia、Proteus、Providencia和Edwardsiella属的细菌生成。人脑中TMAO的存在表明其能够穿过BBB。高血浆TMAO水平与结直肠癌风险增加相关，并通过影响胆固醇代谢与发生动脉粥样硬化和心血管疾病的风险相关。这对于包括AD和血管性痴呆在内的神经退行性疾病是有意义的，其中心血管疾病和胆固醇代谢改变与风险增加密切相关。在FMOs遗传缺陷的个体中，细菌TMA的产生导致了三甲胺尿的症状。古菌疗法和试图通过给予TMA代谢古细菌的特定菌株来调节肠道菌群已被提出作为心血管疾病和三甲胺尿的治疗方法。产甲烷菌（Methanomassiliicoccales）可以通过将其转化为甲烷来降低肠道中的TMA浓度，从而降低肝脏中TMA产生TMAO。TMAO的有益作用包括减少脂肪细胞的内质网应激和脂肪生成，增加胰岛的胰岛素分泌和减弱饮食诱导的糖耐量受损。此外，上述疗法在预防神经退行性疾病如糖尿病方面也可能是有益的。TMAO还被证明可以恢复突变的tau蛋白促进微管组装的能力，其中微管拆卸和神经元死亡是AD的特征性病理特征。除了可以用作AD生物标记物外，TMAO还可以通过优先水合部分变性的蛋白质来纠正折叠缺陷并熵稳定天然构象，从而在AD和其他蛋白质错误折叠条件中也具有治疗作用。
3.3 氨基酸代谢物
肠道菌群在氨基酸分解代谢中发挥重要作用，其产物可影响大脑正常功能所必需的兴奋性和抑制性神经递质产生之间的平衡。乳杆菌属和双歧杆菌属的菌种代谢大脑中最丰富的游离氨基酸和兴奋性神经递质谷氨酸，产生主要的抑制性神经递质为γ-氨基丁酸。由生孢梭菌分泌的脱羧酶有助于将色氨酸（一种在多种食物中发现的必需氨基酸）转化为神经递质色胺，后者参与肠内分泌和肠神经系统细胞释放血清素。细菌将色氨酸转化为芳香烃受体的配体吲哚，可通过激活星形胶质细胞降低MS小鼠模型的脑部炎症并限制疾病的发展。色氨酸是许多其他多种微生物和宿主代谢物的前体，其中包括在胃肠道具有抗炎特性并被认为具有神经保护作用的尿酸和喹啉酸，后者是一种神经毒素和BBB调节剂，与糖尿病的病因有关。因此色氨酸和谷氨酸代谢微生物可能执行重要的BBB和脑保护功能，但需要更多的认识和研究来利用其治疗潜力，同时避免潜在有害衍生物的影响。
3.4 维生素
与膳食维生素在小肠中被吸收相比，摄入微生物源的维生素主要在结肠中。维生素在整个生命中都可以维持和保护肠道和全身健康。维生素K是血栓形成过程中必不可少的成分，在新生儿出生后不久便会在肠道微生物群建立之前给予其预防出血性疾病。维生素K含量低与载脂蛋白Eε4等位基因相关，这是与AD相关的危险因素。维生素K还被证明在与PD相关的α-突触核蛋白原纤维化的调节中具有有益作用。饮食中维生素K摄入量的增加可延缓老年人主观记忆的减轻。随着肠道微生物群的建立，维生素B的合成会增加，其缺乏会导致严重的神经系统疾病（包括多发性神经病和小脑共济失调）。维生素B9在神经管缺陷，冠心病，癌症和神经精神疾病的发展中具有预防作用。叶酸缺乏与抑郁症有关，甲基叶酸是唯一获得许可用于治疗抑郁症的医疗食品之一。叶酸摄入量低于建议的每日摄入量也可能增加老年女性轻度认知障碍和痴呆的风险。同样，大剂量维生素B治疗（包括B6，B9和B12）可以降低高半胱氨酸（维生素B的产物）水平，并减缓与AD认知功能下降相关的大脑特定区域的萎缩。
综上所述，SCFA和其他微生物代谢产物可直接作用于脑神经元上的肠上皮屏障，血脑屏障，或通过调节内分泌和免疫系统来防御与衰老和疾病相关的病理和炎症，并且还可以通过限制病理微生物及其产物进入大脑的运输和流入来预防神经变性。
4 微生物菌群-肠-脑轴
肠道代谢健康状况通过神经和循环途径传递到大脑（图2）。双向肠-脑神经控制饱腹感信号，调节食欲。通过迷走神经激活肠内分泌细胞对腔内代谢产物的检测，上皮细胞衍生的激素和神经递质以及神经途径（包括神经上皮连接）传达给大脑。饮食代谢物和上皮来源的可溶性因子也可能通过血流到达血脑屏障，在血脑屏障上表达的各种营养转运蛋白和特定受体促进特定营养素（例如葡萄糖，乳酸）跨过屏障进入脑内。并允许循环肽激素与其他可调节大脑活动的因子结合。上面讨论的微生物代谢物（包括SCFA，TMA，氨基酸代谢物和维生素）可以通过或调节这些途径，从而影响肠，肝，肾，胰腺和脑中的神经内分泌，神经元和免疫细胞。
图2 沿肠道菌群脑轴的交流途径。上皮，免疫和神经细胞信号网络的复杂相互作用涉及感知和传达肠道和大脑中微生物代谢产物的变化，涉及循环和神经途径。
4.1 内分泌和神经内分泌信号
在肠上皮中，存在专门感知肠内分泌细胞表达一系列G蛋白偶联受体（G-protein-coupledreceptors，GPCR），转运蛋白和其他脂肪酸、碳水化合物、水合物、肽、氨基酸和植物化学物质的受体。细菌产物与这些受体的结合会诱导肽激素（包括肠降血糖素激素GLP-1和GIP以及神经肽CCK，PYY和5-羟色胺）的释放，这些激素可局部作用于肠神经元，或进入循环并激活神经神经元。门静脉，通过迷走神经向脑干发出信号。一些循环激素可能到达并直接作用于大脑。例如，GLP-1可能通过穿越血脑屏障或通过作用于脑室结构而到达大脑。肠神经元表达SCFA和胆汁酸的受体，促进调节胃肠道运动的代谢产物，并允许将跨越上皮屏障的代谢产物以及肠道固有层中这些代谢物的浓度快速传递给大脑。例如，管腔葡萄糖的浓度既激活肠神经内分泌细胞又激活肌间神经丛，结节神经节和脑干的神经细胞。
最近的研究揭示了上皮和肠神经之间的直接物理联系。一些肠内分泌细胞可直接与局部神经网络突触形成“神经上皮单位”，并响应代谢物结合传递化学和电信号。目前，循环、神经和神经上皮途径在将管腔信息传递到大脑中的相对平衡和重要性尚不清楚。考虑到胃肠道管腔环境内的复杂性，准确传达不同的时空条件和波动的微生物和代谢状态可能需要多种途径相互作用。
通过在行为过程中测量神经活动，绘制神经元间连接图谱，这产生了丰富的数据，能够描述和预测饮食营养素、常见激素和调节因子的影响。在此基础上，最近的研究试图将细菌代谢与影响大脑功能的特定神经信号联系起来。例如，Schretter及其同事描述了如何通过改变糖代谢来挽救无菌果蝇的自发活动过度（表现为步行速度和日常活动增加），还包括给予短乳杆菌定植或给予短乳杆菌衍生的木糖异构酶处理。无菌果蝇的行为多动效应被证明是由八胺能神经元介导的，因为对这些神经元的特异性刺激或外源性给予章鱼胺（去甲肾上腺素的无脊椎动物对应物）可阻止了木糖异构酶的丢失，进而缓解该病症。在小鼠模型中，体内细胞连接追踪和肠内分泌-神经共培养表明，葡萄糖刺激CCK阳性的肠内分泌细胞通过基于谷氨酸的神经传递激活迷走神经结神经元。这种信号可能对BBB完整性和神经退行性疾病的调节有什么影响仍有待确定，但它是连接特定肠道上皮-神经回路和发展必要的理解以追踪微生物-大脑交流的必要一步。
4.2 免疫和神经递质信号代谢产物
除了对肠内分泌和神经细胞有作用外，还可以通过GPCR和其他受体发挥作用，指导粘膜免疫系统的发育和正常功能。调节免疫细胞的募集，发展，维持和激活。饮食和细菌代谢产物的平衡对于维持免疫耐受和指导肠道炎症反应非常重要。
肠道中的代谢免疫细胞相互作用可以通过三种主要途径传递给大脑。第一种是通过将细胞因子和其他免疫信号分子分泌到血液中，最终到达血脑屏障。由营养不良，感染，损伤或与年龄相关的变性导致的上皮屏障的破坏使细菌、其代谢物和其他成分（如毒素和脂多糖（LPS））进入，触发了炎症性免疫反应和肠道神经元损害。如果肠道炎症持续不解决（炎症性肠病的标志）可以促进慢性全身性炎症，其特征在于血清TNF，IL-6和IL-1β升高，通过增加BMEC层的通透性破坏BBB，并允许溶质和毒素进入大脑。全身和脑部炎症的增加还促进了免疫细胞的外渗，并刺激了NVU和脑小胶质细胞的发炎信号，使脑部炎症和神经变性的恶性循环持续存在。体内感染模型表明，果蝇肠道细菌感染的加重使得TNF升高，同时驱动了脑部病理变化。在MS小鼠模型中，通过抑制TNF受体1（TNF receptor 1，TNFR1）阻止BBB内的TNF可以降低免疫细胞的浸润并改善疾病的严重程度。因此，代谢物-免疫细胞相互作用、肠屏障功能障碍和细菌感染可能是通过改变肠-脑细胞因子信号和免疫细胞转运启动神经退行性疾病的重要早期事件。
在第二种途径中，代谢物诱导的免疫细胞细胞因子和神经递质的分泌可能局部作用于支配肠道的肠神经元，并改变迷走神经向大脑的信号传导。随着年龄的增长（神经退行性疾病的主要危险因素），肠道巨噬细胞极化的改变及其细胞因子的产生改变了肠道神经对炎症信号的反应，并增加了肠神经元的凋亡和丧失。肠神经元的缺失不仅改变了肠道功能，而且对肠道与大脑沟通的能力有影响。此外，细胞因子环境通过产生神经胶质细胞源性神经营养因子（Glialcell-derived neurotrophic factors，GDNFs）支持和调节肠神经元功能。胶质细胞GDNF的产生是对微生物免疫细胞信号的响应，并可能通过SCFA-GPCR激活诱导先天性淋巴样3型细胞产生IL-22，从而促进对上皮屏障的保护和恢复。因此在将微生物和宿主信号整合到肠道粘膜的神经免疫反应中很重要。
除免疫调节性细胞因子外，细菌代谢产物与肠细胞的结合还可以触发局部肽神经递质的释放，包括PYY和5-羟色胺。例如，Clostridiumsporogenes将色氨酸脱羧成色胺可诱导肠嗜铬细胞释放5-羟色胺，它作用于肠神经元以刺激胃肠蠕动。5-羟色胺还参与调节发育过程中的神经发生，但由于哺乳动物大脑中表达多种5-羟色胺受体亚型，使它在成年神经变性中的作用错综复杂。肠道微生物也可能通过上皮细胞，免疫细胞和神经元细胞上的Toll样受体信号触发神经递质的释放。最后，细菌代谢产物可能直接充当神经递质，在局部和大脑中起作用。乳酸杆菌和双歧杆菌可以代谢谷氨酸以产生GABA，GABA是大脑的主要抑制性神经递质和肠道功能的调节剂。各种肠细菌也能够合成和释放一氧化氮，乙酰胆碱，去甲肾上腺素，和多巴胺。新兴的“精神生物学”领域提出操纵这些产生神经递质的细菌来调节肠道和大脑功能。
在第三种途径中，代谢物激活的免疫细胞可以通过血流在BBB处释放可溶因子，从而影响其完整性并改变脑细胞的炎症状态。全身性炎症和升高的循环TNF通过上调BBB和大脑中的黏附分子、趋化因子和基质金属蛋白酶并通过下调紧密连接来促进白细胞和巨噬细胞向大脑外渗。在稳定状态，感染期间以及脑损伤后，来自肠道的T细胞可以运输到大脑。循环免疫细胞可能穿过BBB和脉络丛进入大脑和局部引流淋巴结或通过脑膜血管通道渗透。SCFA信号转导可能减轻其中一些效应，因为SCFA引起的肠道淋巴细胞迁移改变可改善葡萄膜炎，微生物群及其代谢物的调节可影响神经炎症和神经退行性病变。
4.3 神经退行性疾病中的微生物-肠-脑途径
尽管到目前为止，肠-脑传播机制仍不清楚，但大量研究表明多种神经系统疾病和神经退行性疾病与肠道营养不良有关。越来越多的动物和流行病学研究将PD与致病性α突触核蛋白（αSyn）蛋白生成和胃肠道蓄积联系起来。这些研究涉及年龄-感染或共生驱动的肠道中αSyn蓄积，导致病理形式的αSyn从肠神经元跨突触传递至迷走神经，以及沿迷走神经逆行轴突转运至脑干。该模型借鉴了Lewy小体的尸检研究，观察到PD患者胃肠道症状的发生，以及PD动物模型中胃肠道组织中病理性αSyn的检测是在运动症状发生之前观察到的。此外，啮齿类动物研究在肠神经元中化学诱导αSyn表达，或将重组αSyn递送至胃壁和/或十二指肠壁，随后报告在迷走神经和多个脑区检测到αSyn。根据最近描述的这些细胞亚群和迷走神经传入神经之间的突触连接，提供了肠腔-大脑通信通路，肠道肠内分泌细胞内也识别了αSyn。
哪些事件可能触发肠道中致病性αSyn的初始生成，以及αSyn从肠到迷走神经和/或脑干的繁殖是否在人类中发生并在人类PD病理中起因尚不清楚。尽管通过迷走途径的αSyn传播受到了最广泛的关注，但也有可能通过其他神经途径（例如，神经支配结肠的内脏神经，嗅觉神经元）或通过运输免疫细胞进行肠脑传播。此外，因为迷走神经切开术会延迟但不能阻止小鼠的PD样病理学，迷走神经传播并不是PD发育的绝对必要条件，而一些人类流行病学研究表明，迷走神经切开术与PD发生的风险相关性较低。有研究表明阑尾切除术的病史与PD症状的延迟发作有关，而该患者胃肠道中存在着各种各样的微生物，并且还可以检测到与病理相关的αSyn。作为微生物和免疫细胞的储存库，阑尾仍然可以通过以下方式调节PD风险：影响微生物和免疫稳态。鉴于上文讨论的肠道微生物，肠内分泌细胞，肠神经元和肠道免疫系统之间的相互作用，以及最近的证据表明细菌蛋白可以增强动物模型中的αSyn聚集，可以想象特定肠道微生物的活动或更普遍的“微生物营养不良”在从良性到致病性αSyn状态的转变中发挥作用。
总之，上皮，免疫和神经细胞信号传导网络之间信号传导的复杂相互作用涉及肠道和大脑中微生物代谢产物的变化，并且可能涉及神经退行性疾病的病因。试图剖析这些相互作用的过程正在取得进展，但是现在对微生物-大脑交流的更好理解需要跨学科，基于多器官的研究。
5 调节肠道菌群作为促进和恢复大脑健康的潜在治疗工具
现在，肠道微生物群复杂生态系统的破坏与肠道和大脑的多种疾病有关，并且微生物可能作用于肠-脑轴的某些途径也已开始阐明。因此，作为一种预防或治疗各种肠道外疾病的可行策略，对微生物群进行处理或定型备受关注。“最佳”肠道菌群的有益作用包括免疫和上皮稳态、肠道神经系统调节以及最佳消化和新陈代谢。从理论上讲，这将通过预防与神经退行性疾病相关的代谢，心血管和炎性疾病而预防神经退行性疾病，如上所述，还可以通过更直接的方式保护BBB完整性和脑功能。目前正在考虑的治疗方法包括通过以下方法改变肠道中现有的微生物组成：改变养分利用率以促进特定种类的细菌（益生元）生长；引入或扩大“有益”物种（益生菌）；或通过从其他肠道供体全部或部分移植（粪便微生物移植和更具选择性的粪便移植）。下面主要讨论它们在改善血脑屏障稳态和大脑健康中的潜力。
5.1 通过益生元促进有益微生物的生长
益生元是不可消化的短链碳水化合物，当选择性摄取时，它们会刺激某些促进健康的结肠细菌的生长。益生元所表现出的营养特性来自其对上消化道的抗水解性以及在大肠中的发酵能力。常见的益生元包括二糖（乳果糖），低聚糖（低聚果糖（FOS），低聚半乳糖（GOS））和多糖（菊粉）。也包括抗性淀粉，果胶，全谷物和多酚在内的可以被视为益生元的化合物。肠道中的益生元化合物一旦被宿主微生物群代谢，产生的代谢物（例如SCFA）就会通过不同的途径作用于大脑，从而影响BBB的通透性和神经系统健康（如上所述）。多项动物研究已经分析了益生元对脑功能的影响，包括通过激活或抑制下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴或“压力”轴来调节情绪和压力反应。血清和唾液皮质醇是HPA激活（压力）的可靠指标，可以通过益生菌进行调节。施用益生菌可降低无菌啮齿类动物中循环皮质醇的水平。在健康小鼠中，补充长链FOS或短链GOS可促进有益物种（如双歧杆菌）的生长，减少与焦虑相关的行为。健康成年志愿者摄入GOS后应激反应（唾液皮质醇唤醒反应）降低。在早产儿中，与对照组相比，补充不同的益生元可改善大脑发育。益生元与益生菌的协同组合被发现可以改善大鼠与年龄有关的记忆障碍，目前正在人类临床研究中进行试验。
此类研究的一个简单目标是设计优化的健康饮食，其中包括减少有害肠道菌群数量所需的所有营养素和益生元，以及增加产生对免疫学有益作用代谢物的微生物浓度，使健康最大化。
5.2 通过益生菌改变肠道菌群组成
益生菌是添加到食品中或天然存在于食品中的非病原性活微生物，当以适量的剂量给药时，它们可以给宿主带来健康益处。最近的证据表明，益生菌的生存能力不是在宿主中产生健康促进作用的必要条件。灭活的益生菌微生物被称为副益生菌，已被证明能给宿主带来益处，而不存在免疫功能低下者炎症反应增强的风险。与这一概念一致，后生元（postbiotics）这个术语也称为代谢产物（metabiotics），是指活细菌分泌或细菌裂解后释放的生物活性可溶性因子，这强化了细胞活力并非诱导健康效应必不可少的观点。
益生菌治疗与调节动物模型和人类的情绪和焦虑有关。最早报道使用益生菌治疗精神健康状况的试验于20世纪初发表，描述了使用乳酸菌成功治疗忧郁症和便秘的方法。后来人们创造了“精神药物”一词来描述这种细菌，当其被摄入后证明精神药物可以改变精神状态。在健康志愿者中，摄入瑞士乳杆菌和长双歧杆菌可减少24小时的尿游离皮质醇（应激反应的生物标记物）。在检查前一天，饮用含Lactobacillus casei strainShirota发酵乳学生的血浆皮质醇比安慰剂组低。鼠李糖乳杆菌的益生菌菌株对产后抑郁症状表现出保护作用。精神药物改变情绪的一种可能机制是通过增加神经递质的产生，例如控制神经兴奋抑制平衡的GABA和谷氨酸。另一个可能的机制是通过改变循环中促炎和抗炎细胞因子的平衡，恢复炎症诱导的血脑屏障通透性，防止潜在有害物质进入大脑并促进心理健康。
益生菌调节也显示出缓解PD症状的希望。给予一些益生菌培养物对PD患者的胃肠道症状有益。益生菌也可能有助于治疗AD。在小鼠和大鼠AD模型中，双歧杆菌/乳酸杆菌混合物的给药显示了一些益处，包括改善记忆和学习测试，降低氧化应激指标，减少脑组织病理学标志物，以及恢复神经元细胞的蛋白水解功能。一些比较补充益生菌前后AD患者的小规模探索性人体研究再次使用双歧杆菌/乳酸杆菌混合物，表明其可改善简易精神状态量（Mini-mentalstate examination，MMSE）评分和一些代谢和炎症标志物。最近的两项随机、双盲、安慰剂对照临床试验显示，在接受含有双歧杆菌和乳酸杆菌的益生菌混合物的患者中，MMSE评分改善，血清C反应蛋白（一种炎症标志物）降低，胰岛素代谢改善。与PD一样，AD研究中益生菌促进的神经保护作用机制仍有待确定，但可能反映出对肠道屏障健康的积极作用，从而改善免疫和代谢健康（例如，预防II型糖尿病、减少全身性炎症），这反过来可防止BBB破坏和神经病理学改变。
5.3 通过粪便微生物菌群移植（FMT）改变肠道菌群
FMT是通过灌肠，鼻胃，鼻肠或内窥镜途径从健康供体向患有营养不良相关病症和粪便中含有肠道菌群受者的治疗性给药，以恢复微生物群落的正常多样性和功能。第四世纪，中国炼金术士葛洪第一次在撰写的紧急情况医学手册中对FMT进行了描述，他报告说，经口服粪便悬浮液（“黄龙汤”）后，患有食物中毒和腹泻的人康复了。据记载，FMT可用于治疗艰难梭菌感染的患者，有效率约90％。FMT也已用于治疗溃疡性结肠炎，但疗效低于25％。迄今为止，使用该技术的一些随机对照试验的总体结果，FMT治疗肠易激综合症在改善严重程度方面的疗效尚无定论。沿微生物群-肠-脑轴的双向信号相互作用，FMT也被认为是治疗肠外疾病（包括神经系统疾病）的一种潜在方法。Bercik和同事发表了第一批使用FMT调节小鼠脑功能和调节宿主行为的研究。在FMT之后，BALB/c小鼠表现出更少的胆怯和更多的探索行为，这与脑中BDNF的升高有关。在反向实验中，将BALB/c微生物菌群定植于无菌NIH Swiss小鼠中会降低探索行为，表明肠道微生物群在行为中起着关键作用。为了支持这项研究，Zheng及其同事显示了移植了重度抑郁症微生物菌群的无菌小鼠。患者表现出抑郁行为。Kelly及其同事还发现，将抑郁症患者的粪便微生物群移植给无菌大鼠后，大鼠表现出抑郁症的生理和行为特征，以及类似于自闭症，精神分裂症和神经退行性疾病中所报道的色氨酸代谢失调。来自正常小鼠的粪菌微生物在PD小鼠模型中具有神经保护作用，包括减少TNF驱动的神经炎症和增加脑中多巴胺和血清素的水平，从而导致运动症状改善。目前，仍旧缺乏针对FMT对人类神经退行性疾病作用的研究。有趣的是，有报道称FMT会导致慢性便秘的PD患者出现神经功能改善。根据上文讨论过的，病原菌αSyn可能通过肠-脑繁殖，使用FMT调节αSyn的肠道可通过提供“保护性”来预防PD微生物群，它既不促进异常蛋白折叠，也不能维持免疫，神经和上皮屏障的稳态，从而使肠腔中的任何异常蛋白折叠都受到局部抑制。然而，在将FMT研究成果转化方面，安全性仍然是一个主要问题。目前已经对FMT的粪便供体和样品进行了各种潜在致病性细菌，病毒，寄生虫和其他微生物的检测，仍然远远不知道要移植样品的完整微生物组成，这既增添了安全性方面的担忧，也涉及到如何解释的难题。如粪便替代移植疗法（Stool substitute transplant therapy，SSTT）或微生物生态系统疗法（Microbial ecosystem therapeutics，MET）中的选择性微生物混合物的输送，其中将源自单个健康人类供体纯化的有益肠细菌培养物输送至患者的胃肠道中，可最大程度地减少潜在致病性的风险，这种风险不仅是由于感染引起的，而且还包括代谢疾病的发展或致癌的可能性。通过使用FMT和SSTT等方法诱导肠道菌群的大规模转移，肠道中的代谢产物和随后循环的可用性也可能会发生显着变化。一项最近的关于Nothobranchius furzeri的研究，通过对肠道，大脑，肝脏，心脏，骨骼肌，血清和粪便的代谢组学分析，发现在鱼衰老的过程中重要的代谢途径发生了改变，而这些变化可能会从年轻捐赠者中的一部分逆转肠道微生物群那里发生转移。关于代谢组学的新工作，对于理解宿主与微生物之间复杂的代谢相互作用以及代谢谱与健康和疾病之间的关系至关重要。通过利用这些方法，并将此信息与微生物组学和系统生物学方法相结合，可能会发现有益和有害的微生物和代谢谱以及肠道和脑部健康的途径，并结合微生物和饮食干预努力优化个人疗法以达到有益的条件。我们对肠道和大脑屏障中微生物与宿主相互作用的理解以及改进，将有望促进使用微生物群调节疗法预防和治疗神经系统疾病和神经退行性疾病的研究。
结论
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