基于脑–肠轴探索FGIDs肠道菌群与内脏高敏相关性

To Explore the Correlation between Intestinal Flora of FGIDs and Visceral Hypersensitivity Based on Brain-Gut Axis

摘要: 功能性胃肠病(Functional Gastrointestinal Disorder Diseases, FGIDs)是一种常见的胃肠道功能性疾病，目前明确的发病机制并不明确，但是可以确定与内脏的高敏性、胃肠道功能紊乱、肠道黏膜屏障及低度炎症、免疫功能的改变、肠道菌群变化及脑肠轴互动异常等机制有关，是多种因素交叉作用于人体的结果。其中，肠道菌群与内脏高敏性都与FGIDs联系密切，尤其内脏高敏性是FGIDs发生腹痛、腹泻等主观不适症状的主要原因，因此基于脑–肠轴探索FGIDs肠道菌群与内脏高敏性之间的联系，将肠道菌群作为治疗FGIDs的新靶点，对于减轻胃肠道不适症状、提高人类生存质量、改善人类健康具有重要的影响。本文将从羟色胺(5-Hydroxytryptamine, 5-HT)、促肾上腺皮质激素释放因子(Corticotropin Releasing Factor, CRF)、内源性神经营养因子(Brain-Derived Neurotrophic Factor, BDNF)和神经生长因子(Nerve Growth Factor, NGF)四条信号通路来论述FGIDs肠道菌群与内脏高敏性之间的联系。

Abstract: Functional gastrointestinal disorder diseases (FGIDs) is a common gastrointestinal functional disease, the pathogenesis of which is not clear at present. However, it can be confirmed that it is related to the mechanism of hypersensitivity of internal organs, gastrointestinal dysfunction, intestinal mucosal barrier and low inflammation, changes in immune function, changes in intestinal flora and abnormal interaction of brain-gut axis, etc., which is the result of multiple factors acting on the human body. Both intestinal flora and visceral hypersensitivity are closely related to FGIDs, especially visceral hypersensitivity, which is the main cause of subjective discomfort symptoms such as abdominal pain and diarrhea in FGIDs. Therefore, the association between intestinal flora and visceral hypersensitivity of FGIDs is explored based on brain-gut axis, and the intestinal flora is considered as a new target for FGIDs treatment. It has an important influence on alleviating the symptoms of gastrointestinal discomfort, improving the quality of human life and improving human health. In this paper, we will analyze 5-hydroxytryptamine (5-HT), corticotropin releasing factor (CRF), endogenous neurotrophic factor (Brain-Derived Neurotrophic Factor, BDNF) and nerve growth factor (Nerve Growth Factor, model NGF) four signaling pathways to discuss FGIDs between intestinal flora and visceral hypersensitivity sexual contact.

1. 引言

功能性胃肠病(Functional Gastrointestinal Disorders, FGIDs)是一种以恶心、呕吐、腹胀痛、便秘、腹泻等消化系统症状为主要临床表现的慢性、反复发作的、经各项检查后无器质性改变的胃肠道疾病[1]。由于心理压力增大、饮食不节等多种因素的影响，FGIDs的患病率日益增加，流行病学显示欧美国家FGIDs患病率普遍高于40%，我国患病率为30.0%~39.9% [2]。Rome Ⅳ [3]将FGIDs一共分为8大种类，临床常见功能性消化不良(Functional Dyspepsia, FD)和肠易激综综合征(Irritable Bowel Syndrome, IBS)。虽然FGIDs中不同病种的主要临床症状和特点并不相同，但在症状上往往存在相互交叉重叠现象——IBS与FD症状重叠尤其多见，其病理机制是共通的[4]。

内脏敏感性增高是FGIDs的主要特征和病理机制之一，主要指内脏对疼痛和不适的阈值降低，内脏–躯体感应异常放大，往往呈多部位、弥漫性分布，与抑郁、焦虑、紧张等心理因素密切相关[5]。FGIDs又被称作脑–肠相互作用障碍，作为一组无器质性病变的胃肠道功能性紊乱疾病，无法从解剖学或组织学的角度解释其疼痛与不适发生的原理，而内脏高敏性多见于各种功能性胃肠病，其结合胃肠动力学可解释患者腹痛、腹泻、腹胀等不适症状的发生[6]。

近些年来，肠道菌群失调及其代谢产物紊乱在FGIDs发病过程中的作用日益受到密切关注，肠道微生物群紊乱能够改变肠黏膜上皮通透性、引发低度炎症、激活免疫系统、影响肠道动力，参与FGIDs的发病机制，通过脑–肠轴从中枢和外周影响内脏高敏性的发生，其作用机制主要是通过神经递质、免疫分子、激素水平等增加内脏敏感性，涉及神经系统、内分泌系统和免疫系统。

因此基于脑–肠轴探索FGIDs肠道菌群与内脏高敏性之间的联系，将肠道菌群作为治FGIDs的新靶点，对于改善胃肠道不适症状、提高人类生存质量、减轻社会医疗负担、改善人类健康具有重要的影响。

2. 内脏高敏性是FGIDs发生的重要病理机制

胃肠向中枢神经系统的内脏感觉输出是连续发生的，正常的生理活动，如扩张和收缩通常是无痛的。当胃肠受到刺激，发生异常的膨胀、蠕动或者充血，刺激的频率或幅度增加，或对典型的疼痛(痛觉过敏)或非疼痛(痛觉超敏)刺激的敏感性增加，主观感觉就可能会发生变化[7]。人和动物的研究已经确定了许多导致这种变化的因素，内脏高敏感现在被认为是FGIDs的中心机制之一。

研究证明，引起IBS腹痛、腹部不适或排便异常的“元凶”正是内脏高敏性[8]。中枢处理异常、胃肠动力异常和内脏高敏感是IBS的主要病理生理机制，这些因素相互作用，影响IBS症状的发生与发展。一些脑区如前扣带回皮层(ACC)可能在人类疼痛与疼痛相关情绪的产生中起主要作用，与健康受试者相比，IBS患者在疼痛性直肠扩张期间表现出更大的外周ACC激活[9]。这就意味着，大多数IBS患者中，在非伤害性刺激期间，较低的结肠痛阈会被大脑认为是异常疼痛。由于FGIDs无明显器质性病变，因此在研究IBS和FD发病机制以及相关药理研究时，多采用内脏高敏感性动物模型。

FD的内脏高敏感会导致患者出现早饱、腹痛和恶心等症状，FD患者的感觉阈值与其他肠道疾病患者和健康对照者不同。在一项研究中，研究者利用胃和直肠压力传感器对11例FD、8例IBS和11例FD-IBS重叠成年人进行内脏高敏感性测试，FD患者以胃超敏反应为主，IBS患者以直肠超敏反应为主，重叠患者对两种均有超敏反应[10]。

3. 脑–肠互动异常是内脏高敏性发生的重要原因

内脏高敏感性是FGIDs的主要特征，由外周因素和中枢因素共同调节。内脏敏感性机制可能涉及神经系统的多个层面，包括终末器官水平的初级内脏传入纤维的敏化、背角神经元的高兴奋性以及脑内对肠道刺激的感知增强等[11]。此外，神经介质(如P物质、降钙素基因相关肽和血清素等)、黏膜炎症和肠道菌群对内脏高敏感也有影响。脑–肠互动，又称作脑–肠轴，是中枢神经系统(CNS)和肠神经系统(ENS)以及自主神经系统(ANS)之间形成的双向神经–内分泌–免疫网络，在维持人体的动态平衡上起着重要作用[12]。牵一发而动全身，脑–肠轴涉及神经系统、内分泌系统和免疫系统，某个环节发生异常，就会导致会引起整个脑–肠互动紊乱,而内脏敏感性的发生机制正涉及神经系统的多个层面和其他相关物质的水平异常。研究也表明，IBS患者外周受到刺激会出现中枢的高反应性，中枢受到应激反应可出现肠道高敏感性，因此推断脑–肠互动异常是内脏高敏性发生的重要原因[13]。

4. 肠道菌群是脑–肠互动的关键环节

人体肠道内天然存在的共生菌群大约由2000个种类的3.8 × 10¹³个细菌细胞组成，在促进食物和药物的新陈代谢、保护病原微生物、维持肠道黏膜屏障、免疫调节等方面发挥着重要作用[14]，肠道细胞和微生物之间的稳态对维护宿主机体健康起到了不可忽视的作用。

FGIDs患者肠道菌群失调主要体现在微生物比例失衡与代谢活性产物的改变。依照自然属性分类，人肠道中大部分细胞均属于厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门，拟杆菌门作为机会致病菌可诱导内毒素血症的发生，厚壁菌门可调节肠道菌群结构，当肠道内厚壁菌门/拟杆菌门比值降低代表肠道菌群出现紊乱；变形菌门还可涉及代谢紊乱和炎性肠病[15]。随着对微生物深入研究，肠道菌群在脑–肠轴中的作用越来越受到重视，从而进一步提出了“微生物–脑–肠轴”的概念。大量证据表明，肠上皮屏障功能障碍和微生物失调通过下调肠上皮细胞紧密连接蛋白表达和增加细胞旁通透性，在支配下肠的伤害性神经元的慢性应激相关内脏痛觉过敏中起着潜在的重要作用[16]。肠道菌群产生的SCFAs、色氨酸衍生的吲哚类物质以及胆汁酸，会与其特异性受体结合，从而维持机体的免疫稳态[16]。构成肠道微环境的复杂细胞元件阵列(肠上皮细胞、肠内分泌细胞、免疫细胞、平滑肌细胞、间质Cajal细胞、肠神经元和神经胶质细胞)主要通过识别Toll样受体、神经递质、神经肽和神经激素受体来响应微生物因子[17]。肠道菌群失衡可抑制结肠中紧密连接蛋白1 (Zonula Occludens-1, ZO-1)和增加Toll样受体4 (Toll-Like Receptors 4, TLR4)的表达，增加肠黏膜屏障的通透性，诱发慢性低度炎症反应，活化肥大细胞促发传入神经释放疼痛介质，从而导致传入神经末梢对疼痛刺激不断增加[18]。

4.1. 菌群及其代谢产物影响5-HT的释放与结合

5-羟色胺(5-HT)是胃肠道中重要的信号分子，90%以上都储存在肠黏膜的嗜铬细胞(Chromaffin Cell, EC)中，同时它也是脑–肠轴上一种重要的神经递质，可以通过作用于胃肠道的黏膜受体和传入神经受体，调节胃肠运动、感觉和分泌，其信号通路的异常会导致内脏高敏性[19]。5-HT大量生成释放后，会刺激肠道黏膜下以及肠壁神经丛中5-HT不同亚型受体与之结合，其中5-HT3受体和5-HT4受体被认为与内脏高敏性密切相关。5-HT3能促进感觉传入神经末梢神经迅速活化，进一步影响胃肠道的收缩或扩张以及分泌，参与疼痛信号在神经元的传导，导致中枢致敏。与5-HT4受体结合可加快释放γ-氨基丁酸(GABA)、降钙素基因相关肽(CCRP)、Ｐ物质(SP)和乙酰胆碱(Ach)等神经介质，影响内脏感知敏感性和胃肠动力[20]。CCRP等神经活性物质增加可能活化肥大细胞、单核细胞等免疫细胞，进一步释放出更多致痛物质、炎症因子等，造成外周致敏[21]。而多种研究表明，肠道菌群的代谢产物会影响5-HT的生成与释放，进而影响宿主的生理功能。肠道菌群可以通过发酵未消化的食物残渣产生多种代谢产物，短链脂肪酸(SCFAs)是肠道菌群的重要代谢产物，主要包括(乙酸、丙酸、丁酸等)可以直接作用于肠嗜铬细胞，诱导色氨酸羟化酶(Tryptophan Hydroxylase，Tph1，5-HT合成限速酶)的转录，刺激5-HT的生成和释放[22]。郑煌洪[23]研究证明，IBS患者肠道微生物定植抗力下降、乳杆菌和双歧杆菌数量等有益菌数量减少、肠球菌和肠杆菌等有害菌数量增多，会直接导致SCFAs水平增加，进一步作用于EC促进 5-HT的合成与释放，导致肠道蠕动增强且痛觉阈值降低。梭状芽胞杆菌及其一些代谢物，特别是脱氧胆酸盐，能够刺激肠嗜铬细胞分泌5-HT。除此之外，肠道菌群代谢产生的其他物质，如脱氧胆酸、γ氨基丁酸和酪胺等，能影响肠嗜咯细胞表面G蛋白偶联受体5 (TGR5)，促进嗜咯细胞分泌5-HT [24]。研究发现[25]，植物乳杆菌PS128能够显著降低5-HTP注射和结直肠扩张诱导的大鼠模型的内脏高敏感性，逆转SP、CGRP、BDNF和NGF等神经递质蛋白水平在模型大鼠背根神经节和脊髓中的表达。

4.2. BDNF/TrKB通过感觉神经介导内脏高敏感

脑源性神经营养因子(BDNF)是神经营养因子家族中的一员，在促进神经元存活和生长、突触可塑性和增强突触通讯中发挥核心作用[26]。在中枢神经系统中，BDNF是影响情绪、行为和认知功能的关键分子，其水平的改变与内脏疼痛的感知密切相关[27]。在胃肠道中，BDNF从不同的细胞类型中释放，包括肠细胞、肠神经胶质细胞和神经元，并在调节感觉和运动功能中发挥重要作用。BDNF在肠神经元回路中代表神经递质，有利于感觉和运动神经元的肠内分泌分子和神经递质的局部释放，增强肠蠕动和肠道动力[28]。其主要通过结合并激活BDNF的高亲特异受体络氨酸激B (The Receptor Tyrosine Kinase B, TrkB)，影响神经系统的发育和再生，促进感觉神经生长介导内脏高敏感，在许多慢性疼痛中发挥重要作用。研究发现[29]，通过新生母体分离法建立IBS大鼠模型，IBS模型大鼠胸腰段脊髓BDNF、TrkB受体表达均增强，突触后电流频率增加，引起内脏高敏感性，ANA-12 (TrkB的选择性拮抗剂)在阻断BDNF/TrkB信号通路后，能够减轻NMS大鼠内脏超敏反应和突触活动。Yu Zhang在针对腹泻行肠易激综合征(IBS-D)患者的一项临床实验中得出结论，IBS-D患者肠黏膜BDNF表达增加与腹痛和疾病严重程度呈正相关，与内脏敏感性参数呈负相关[30]。

内脏高敏感肠神经系统的神经丛位于人体的肌肉、黏膜下层和黏膜固有层，与BDNF分布大量重合，因此传入神经末梢对BDNF的表达变化十分敏感。而肠道菌群变化可作用于黏膜下神经发挥对肠道感觉的调节，介导炎性机制，影响BDNF的表达，进一步导致内脏敏感性发生[31]。研究发现，杏仁核星形胶质细胞中炎症因子IL-33的过度表达通过抑制BDNF的表达而导致焦虑样反应[32]。Michela Bistoletti也表明，青春期使用抗生素诱导肠道菌群失调，会导致ENS和CNS的神经元易损性失调，从而导致IBS等慢性胃肠道疾病的发生，表现出明显的精神共病，在幼年小鼠ENS和CNS中，菌群失调对BDNF-Trk B的表达均有不同程度的影响[33]。

4.3. NGF/TrkA信号通路与内脏高敏性

神经生长因子(Nerve Growth Factor, NGF)是一种在大脑中枢系统中起着关键作用的生物活性物质。它对于神经系统的生长发育具有显著影响，通过与特定的受体相互作用，参与调控神经元的生长、分化和功能维持[34]。NGF通过与其特异性受体酪氨酸激酶受体A (TrkA)结合来发挥作用，主要通过影响了炎性介质的释放以及离子通道的开放状态，增加内脏对刺激的敏感性，进而引发一系列相关的病理生理过程。当大脑中NGF的表达出现异常时，可能导致突触可塑性受到损害，进而诱发焦虑、抑郁等情绪障碍。这些情绪障碍随后通过自主神经系统的调节，影响胃肠道的动力，从而引发腹痛、腹部不适等一系列FGIDs的症状[35]。

NGF可以通过刺激神经元产生中枢神经递质导致中枢敏化，刺激初级传入神经元释放SP，CGRP等痛觉相关脑肠肽，这些脑肠肽通过脊髓背角中枢二级感觉神经元传递疼痛信号，病理性地放大中央痛觉感受，增强内脏敏感性。肠神经胶质细胞是ENS重要的营养和支持细胞，因此抑制结肠神经胶质细胞和NGF/TRKA信号通路的活性，改善突触可塑性，能缓解内脏高敏性的发生[36]。除此之外，NGF还能通过与HPA轴之间相互作用，促进EC细胞和5-HT的增生，加重胃肠道敏感性。

肠道微生物可激活Toll样受体，控制肠神经系统，被激活的Toll样受体能够提高平滑肌细胞分泌的NGF表达[37]。外周致敏环节，肠道微生态失衡导致肠道NGF异常表达时，会大量触发下游瞬时受体电位香草酸受体1 (TRPV1)活化，致使神经元电位阈值降低，内脏痛觉敏感性增加，同时神经元在受到TRPV1刺激后也能反过来释放SP、CGRP等物质增强中枢敏化的作用[38]。人双歧杆菌的其中一种代谢物——吲哚-3-乳酸，也会诱导增加NGF特异性受体TrkA和NGF下游蛋白的表达[39]。除此之外，NGF和BDNF能共同作用于中枢神经系统，促进谷氨酸能神经递质的释放，持续性加强大脑中枢神经系统的致敏作用[40]。

4.4. CRF通路与内脏高敏性

促肾上腺皮质激素释放因子(Corticotrophin Releasing Factor, CRF)是脑肠轴上重要的信号调节因子。下丘脑–垂体–肾上腺(HPA)轴受应激激活，由CRF触发，细胞因子可以导致小胶质细胞过度激活，增加大脑中的氧化应激，并降低重要大脑区域的神经可塑性，这些变化可能激活HPA轴，导致低度胃肠黏膜炎症，增加胃肠道敏感性，并加重胃肠道症状[41]。

皮质醇由肾上腺产生以改变微生物群，并通过修饰紧密连接蛋白(TJP)损害肠道屏障。包括短链脂肪酸(SCFAs)在内的细菌代谢产物也可以改变肠道屏障的完整性，并通过迷走神经和/或通过循环直接作用于大脑来调节大脑和行为，从而可能导致精神共病，这在IBS中经常发生[42]。CRF也由应激触发的外周组织包括胃肠道释放，并作用于外周CRF受体。外周CRF的分泌可能由大脑通过自主神经控制。外周CRF受体的激活通过TLR4修饰TJP，增加结肠通透性。随后，细菌移位导致菌群失调，并增加脂多糖。反过来，脂多糖激活免疫细胞中的TLR4，触发促炎细胞因子的产生，通过激活内脏传入神经，诱导内脏高敏感，并通过修饰TJP损伤肠屏障。同时，肥大细胞具有CRF受体和TLR4，释放化学介质，包括CRF和脂多糖触发的促炎细胞因子，也可以诱导这些胃肠道变化[43]。LPS和促炎细胞因子可以进入循环，作用于大脑改变情绪和认知，这可能导致IBS的精神共病。此外，促炎细胞因子还刺激下丘脑分泌CRF，导致HPA轴的激活。此外，脂多糖激活外周CRF受体，进一步增加结肠通透性。因此，CRF和TLR4-促炎细胞因子信号形成恶性循环，导致肠道渗漏和肠道菌群失调，从而引起IBS的症状。

研究发现[44]，伤害性超敏反应相关的神经元环路涉及室旁核CRF神经元，CRF神经元和HPA轴的激活受到糖皮质激素反馈、谷氨酸能神经元兴奋性和γ-氨基丁酸(GABA)能神经元抑制性等机制的调节，母子分离建模方法可使成年小鼠室旁核内CRF神经元的放电频率升高，抑制GABA能神经元，从而建立小鼠高敏感模型。除此之外，CRF还可以作用于其他网络通路，释放去甲肾上腺素、多巴胺和5-HT来敏化内脏伤害性感受[45]。葛根素可抑制炎性细胞因子的表达，增加IBS-D大鼠肠道微生物的丰度和多样性，下调下丘脑CRF1受体蛋白的表达，抑制HPA轴，还可介导结肠TJ蛋白occludin的表达，参与上皮屏障的重建，降低肠黏膜通透性[46]。口服鼠李糖乳杆菌TF318可降低海马CRH和CRF和血清皮质酮水平，并恢复海马5-HT、多巴胺和去甲肾上腺素水平，纠正皮质酮诱导的肠道菌群异常，显著增加了厚壁菌门的相对丰度[47]。

5. 通路间的相互作用

各条通路之间并不是单独存在或者独立运转的，5-HT、CRF、BDNF和NGF系统之间是相互协同的，具体机制图见图1。

Figure 1. Mechanism pathways of gut microbiota regulating visceral hypersensitivity

图1. 肠道菌群调节内脏高敏性的机制通路

6. 展望与启示

当前社会压力日益增加，饮食不节与心理压力过载等不良生活习惯大大影响人们的身体健康，胃肠功能失调现象日益普遍，FGIDs患病率不断上升，严重影响患者的生活质量，增加患者社会生活负担。而现有的治疗方法多对症治疗，即针对胃肠道给予促动力药物、粘膜保护剂等，针对脑部给予抗焦虑抑郁药物、神经递质类药物等，疗效差强人意。

探究FGIDs肠道菌群与内脏高敏性之间的联系，为治疗和预防FGIDs的发生、阻断疾病的进一步发展、提高患者生活质量提供了新思路。将维护肠道微生物群稳态作为治疗靶点，通过服用益生菌、针刺、中药、食疗等绿色健康疗法改善菌群比例失调的情况，保护肠道黏膜屏障，抑制肠道低度炎症，降低内脏高敏性的发生的可能性，在治疗FGIDs具有极大优势，能够代替现有部分药物疗法。除此之外，当下更有一些新兴手段，在调节肠道菌群、治疗胃肠疾病等方向也已取得有效成果，例如，粪菌移植(FMT)作为新兴的治疗手段，通过口服冻干菌胶囊等方式，移植健康供体的功能菌群，重建受体的肠道菌群，恢复受体正常的肠道微生态，达到治疗胃肠等疾病的目的[48]；随着工业技术的发展和产业的进步，相较于益生菌，“后生元”作为一种灭活的益生菌，在加工和存储过程中具有更好的稳定性和安全性，对感染性腹泻、抗生素相关腹泻、慢性腹泻以及肠易激综合征等多种胃肠道疾病产生积极的影响[49]；伴随人们对肠道菌群的深入认知以及基因工程等交叉学科的迅速发展，基因工程菌(GEB)通过基因工程改造使得细菌具有更加高效的表达外源蛋白质或分子化合能力，相比传统药物具有诸多优势，也已逐渐在医学领域的应用成为研究热点[50]。

NOTES

^*通讯作者。