综述 | 肠道微生物组与中枢神经系统的关系（第一部分）
原文题目：The Central Nervous System and the Gut Microbiome
期刊：Cell
IF：30.41
发表时间：2016年
摘 要 神经发育是一个由内在和外在信号支配的复杂过程。虽然历史上通过大脑来研究，但来自外围的输入会影响许多神经系统的状况。事实上，新数据表明，在焦虑、抑郁、认知和自闭症谱系障碍(ASD)等疾病状态中，肠道与大脑之间存在沟通。健康的、功能性的大脑的发育依赖于关键的产前和产后事件，这些事件结合了环境因素，如来自肠道的分子信号。这些因素主要来源于微生物组，存在于所有动物体内的共生细菌的总和。过去几年的研究表明，肠道微生物组在基本的神经生成过程中发挥作用，如血脑屏障形成、髓鞘形成、神经发生和小胶质细胞成熟，同时也调节动物行为的许多方面。在此，我们讨论神经发育和微生物组的生物学交叉点，并探讨以下假说：肠道细菌是神经系统发育与功能以及心理健康与疾病之间平衡的部分贡献者。
1 简介
哺乳动物大脑的发育是一个复杂的过程，持续到青春期及成年早期。此外，大脑发育的过程涉及到在胎儿发育期间细胞在特定区域或层次上进行很特别的大规模长距离的迁移。事实上，大脑发育的许多过程都是由外在的因素决定的，这些因素通过生成和退化事件塑造了大脑的发育。肠道是我们最大的门户，不同的饮食成分已经被证明可以直接与发育中的大脑进行相互作用，并在成熟的大脑中诱发功能性改变，而且，现在有越来越多的证据表明，肠道微生物组在指导和促进大脑的发育过程中，对健康有长期的影响 (图1和表1)。
哺乳动物微生物组由一系列独特的微生物组成（如细菌，古菌，真菌和病毒），与体内和体表的各种生态位相关。对动物模型和人类的研究将肠道细菌与免疫系统的发育和功能密切联系起来。全部免疫细胞类型的存在需要微生物组，并发现特定的微生物可以促进或改善免疫疾病，如Ⅰ型糖尿病、哮喘和炎症性肠病。如果肠道菌群能如此深刻地影响免疫系统，为什么它的影响无法到达神经系统？事实上，缺乏所有相关的微生物的无菌小鼠，表现出更多的冒险行为和多动症，而且，与SPF 小鼠(没有特定病原菌的小鼠)相比，也表现出学习和记忆的缺陷(表1)。而且，实验显示无菌小鼠的海马体中的5 -羟色胺受体(5-HT1A )、神经营养因子(如BDNF)和N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体亚基基因的表达发生变化，同时显示其血脑屏障功能受损，以及前额皮质的髓鞘增加(表1和图1)。还有关于微生物在神经精神疾病中起潜在作用的证据，尽管只是初步而且大多来自动物模型的，这些疾病包括抑郁、焦虑、自闭症谱系障碍(ASD)、精神分裂症，甚至帕金森病(PD)和阿尔茨海默病(AD)。
在这篇综述中，我们讨论人类和动物模型中哺乳动物微生物组与大脑的交叉点。探索发育轨迹，以及在产前、产后及发育成年的过程中微生物与大脑互作的结果。此外，我们强调了宿主相关微生物在影响健康和疾病状态方面可能发挥积极作用的潜在范例。通过关联微生物作用与小鼠模型和人类大脑中的渐进性结构和功能活动，我们提出了肠道微生物组可能导致神经发育和神经退化的途径。揭示出调控这些联系的微生物和宿主相关途径可以为处理行为、精神病学和神经退化性疾病提供新的方案。
图1 肠道微生物与基本发育过程的交叉点
由肠道微生物及其产物直接或间接驱动的基本发育过程。(A)肠道微生物通过各种直接和间接机制将信息传递给大脑。(B) 基本的神经发育过程受到GF动物的微生物定殖或肠道细菌的抗生素杀灭结果的调控。具体来说，下列过程是受到调控的：血脑屏障(BBB)形成和完整性、神经发生、小胶质细胞成熟和分枝、神经营养素、神经递质以及它们各自的受体的表达。
2 神经发育的主要过程与母体和新生儿肠道微生物发育的变化一致
2.1 胎儿大脑发育
在人类孕期的第三周，在原肠胚形成完成后，神经干细胞从外胚层分化出来，这是一系列最终产生成人大脑的事件中的第一件(图2)。在人类最复杂的大脑皮层，神经前体细胞(NPCs；也称放射状胶质细胞)在脑室区增殖。定向前体细胞或神经元通过中间区域（距离为多个细胞直径）迁移至皮质层，而NPCs则停留在增殖区。虽然在大多数情况下大脑皮层神经发生在妊娠中期完成，但胶质发生主要是一个产后的过程。神经系统的前后轴和背腹轴模式是通过同样的基本规则、因素和途径形成的。
在皮质发育过程中，大规模神经元扩展和迁移之后，50%的神经元在妊娠期的最后几周凋亡(38-41)，而且只有那些已经整合到网络而且获得神经营养信号支持的神经元才能存活(图2)。脑源性神经营养因子(BDNF)作为神经元生存的信号，促进各种细胞群的维持和分化，并介导神经回路建立的各个阶段。根据神经营养假设，神经元的连接越多，其周围的神经营养物质的浓度就越高，因此存活的机会也就越大。神经发生受微生物的影响(图1)。具体地说，与普通小鼠相比，成年GF小鼠背侧海马体的神经发生增多。有趣的是，在断奶过程中对GF小鼠进行微生物定殖无法逆转这种表型，表明生命早期的微生物信号降低了海马体中神经发生的速度。此外，跟SPF动物相比，成年GF小鼠的扁桃体和海马体(特别是CA2/3)的体积增加，在树突形态上也有所不同，但是大脑总体积没有差异。通过利用控制神经元分化和存活的途径，通过神经营养素和它们的受体，肠道微生物可以影响大脑各区域神经元的命运，进而影响神经发育和健康。
图2 哺乳动物大脑发育的主要事件
小鼠和人类发育轨迹和关键神经发育事件。E，胚胎日龄；P，产后周龄；GSW，妊娠周数。在每个生命阶段，右侧面板上的细菌分类是占优势的。
与神经元、星形胶质细胞和寡突胶质细胞不同，小胶质细胞是中枢神经系统（CNS）的固有免疫细胞，它来自卵黄囊中巨噬细胞的原始子集。尽管仍有争议，但最近的报告表明，小胶质细胞并非来自单核细胞，而是更早地发育并表达不同的细胞标记，而且不同于来源于骨髓的巨噬细胞(特别是 Ly-6ChiCCR2+单核细胞)。相反，研究结果表明小胶质细胞来自CD45c-kit+红系髓系前体细胞，成熟分化为中枢神经系统中的CD45+c-kitCX3CR1+ 细胞。小鼠实验结果表明，小胶质细胞通过血液循环在胚胎8.5日龄(E8.5)时进入大脑，并早在出生后第6天就开始表达小胶质细胞标记Tmem119，并于出生后第28天在大脑中成为网状 (图2)。小胶质细胞来源于卵黄囊祖细胞，并在受损时由来源于骨髓的巨噬细胞补充；在早期发育过程中，这两种细胞都可以受到微生物信号的影响。微生物群在小胶质细胞的发育和成熟过程中起着核心作用。在没有菌群的情况下，小鼠体内小胶质细胞的发育状态明显改变(图1)。这些小胶质细胞表现出的形态特征和基因表达谱表明其发育受到抑制，从而维持不成熟状态。值得注意的是，来自GF小鼠的小胶质细胞对病毒感染和微生物相关分子模式(MAMPs)的反应有限。这种有缺陷的反应可以通过短链脂肪酸(SCFAs)的处理来挽救。
血脑屏障(BBB)在妊娠期间形成并作为大脑和血液循环之间的选择性屏障。肠道微生物组及其代谢产物在形成BBB过程中的重要性在GF小鼠实验中得到证实 (图1和图2)。跟普通小鼠相比，缺乏肠道微生物的小鼠的BBB对大分子的渗透性更大，这是由大脑内皮中的关键紧密连接蛋白的表达减少造成的。此外，在GF动物微生物定殖或给予丁酸（一种由肠道细菌发酵产生的短链脂肪酸）的过程中，BBB渗透率下降。与成人BBB相比，无菌胎儿的BBB是可渗透的。最近，人们发现了一种将邻近蛛网膜下腔中的脑脊髓液排入到深颈部淋巴结的大脑淋巴脉管系统。这个系统可以使各种免疫细胞以及大分子和代谢产物很容易地进出大脑。BBB和大脑的淋巴脉管系统作为通往大脑的各种信号的通道，它们代表着一种可以直接和间接地将微生物信号从肠道传递到大脑的机制。以上这些信号有多种，如循环免疫细胞以及可溶性分子(包括来源于宿主和微生物的激素和神经递质)，还有随之而来的对迷走神经的刺激。
2.2 妊娠期母体肠道和阴道菌群及其对后代行为的影响
与其他女性生命期相比，在妊娠期，母体微生物组有着明显而动态地变化。随着孕期进展，各分类的微生物在丰度上发生变化而且有些变得更占主导地位。例如，与早期妊娠（孕期的头三个月）相比，在晚期妊娠（孕期的后三个月），肠道内的一些变形菌门和放线菌门的相对丰度明显升高(图2)。在怀孕期间阴道微生物组仍由乳酸菌所主导；然而，随着孕期的进展，物种组成在稳定的常见的状态（CSTs）之间变化。阴道内微生物多样性较高的CSTs与早产有关。一些数据显示哺乳动物的胎儿并不一定像人们预测的那样是无菌的。研究表明胎盘有独特的细菌群落，有时，围绕着胎儿的羊水也是。然而，这些发现仍有争议，需要进一步调查，正如Lauder及其同事(2016)所证明的那样。需要大量的工作来验证和将这些信息应用于治疗或诊断。
已有研究表明，孕妇微生物群落的变化会调节后代的微生物组、神经发育和行为。在人类和小鼠模型中，围产期的抗生素使用可以影响后代的健康和免疫状态。用非吸收性抗生素处理啮齿动物会导致母体和后代肠道微生物组的变化以及活动减退。此外，后代还表现出焦虑样行为和运动缺陷。类似地，在妊娠早期使用非吸收性抗生素会导致Wistar大鼠后代的社会行为减少而且更加焦虑。最近的一份报告指出，孕妇的饮食可能也同时改变了后代的微生物数量和行为，因为临床数据显示孕妇肥胖与儿童的自闭症谱系障碍诊断有关联。与正常饮食相比，孕期小鼠的高脂饮食足以使其后代表现出较少的社会行为，并表现出重复性的行为。这些小鼠的社会行为缺陷可以通过罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）处理得以逆转，而该菌恰是高脂饮食小鼠后代肠道微生物组中缺失的。同样，在怀孕期间，抗生素治疗引起的行为缺陷还可以通过对照组动物交叉哺乳实验得以弥补。这些例子表明，母体的微生物种群会影响后代的行为结果。但这些变化是通过对母性行为的影响间接调控还是直接改变胎儿的大脑发育仍有待确定。
不管胎儿环境是否有可能存在微生物组，胎儿在母体内暴露于微生物代谢产物中，例如次生代谢产物、发酵产物、脂多糖(LPS)和/或肽聚糖(PG)。2016年Gomez 等人证明，在给无菌小鼠短暂地定殖营养缺陷型的大肠杆菌菌株期间，在母体肠道中产生的微生物代谢产物可以到达胎儿并介导产前特定的发育程序。细菌细胞壁的成分也会影响后代：肽聚糖可以穿过胎盘，到达胎儿的大脑，通过提高FOXG1基因的表达从而诱导额叶皮层神经元的增殖，FOXG1是前脑发育和神经发生的关键调节因子。产前暴露于肽聚糖的后代的认知功能下降。产前胎儿和新生儿接触其他微生物代谢产物会都对孩子的行为产生影响。通过皮下注射的方式使啮齿类动物的幼仔暴露于丙酸或LPS后，其表现出焦虑样行为。即使这些幼仔是在初生期暴露于这些物质，研究人员也观察到这些效应，这表明是这些物质而非母亲的行为对它们的焦虑样行为造成直接影响。母代微生物组的代谢产物或其他微生物产物在驱动健康的发育程序中起重要作用，而当其受到扰乱时足以导致子代的行为缺陷。
母体免疫系统及肠道微生物都与胎儿存在密切互作。妊娠期免疫激活对后代的生理、神经病理、行为以及微生物组都有潜在的严重影响。大规模流行病学研究表明，产前感染显著增加了后代患精神分裂症的风险，而且数据表明自闭症谱系障碍也是如此，虽然这还不是决定性的结论。基于这些发现，已经开发出了用于母体免疫激活(MIA)的啮齿类动物模型。在这些动物模型身上，在产前使用Toll样受体的配体LPS（用于替代感染），会对后代的神经病理和行为产生有害影响。此外，有报道称，母体免疫激活的后代的微生物组发生变化，这暗示这些后代的血清中的代谢物谱也发生变化。使用人类共生菌Bacteroides fragilis的干预纠正了许多由母体免疫激活引起的不利影响。具体地说，B . fragilis治疗降低了肠道屏障的通透性，降低了潜在致病性代谢物的浓度。此外，最近的一项研究发现，母体免疫激活表型依赖于Th17细胞和IL-17A的产生。有趣的是，这种T辅助细胞的发展以前被证明依赖于肠道细菌。母体免疫激活模型展示了一种可能存在的轴，通过该轴，肠道微生物组和免疫系统协同作用，塑造后代的生理、行为和神经病理。
2.3 产后大脑发育
产后大脑发育主要受突触发育和可塑性的控制，包括在孩子十岁前过度产生和消除突触。虽然产后神经发生是高度受限的，而且局限于侧脑室的脑室下区和海马齿状回的亚粒层，但是胶质细胞继续增殖、迁移，并在整个产后发育期及整个生命周期的一部分中分化。神经胶质细胞在前脑的脑室区增殖并迁移到大脑的各个区域，在那里它们分化为寡突胶质细胞和星形胶质细胞。寡突胶质细胞前体细胞扩展到邻近的轴突，并分化为寡突胶质细胞和髓鞘，这一过程在人类生命的前两年到三十年中在大脑皮层额叶中延长，这对于提高人类的认知功能至关重要(图2)。
成年小鼠的长期抗生素治疗足以诱导其海马神经发生减少，并导致新的目标识别能力出现缺陷。自发的运动和益生菌治疗足以逆转这些表型。在抗生素处理的动物的大脑中观察到的是CD45+CD11b+Ly-6chiCCR2+ 单核细胞而非小胶质细胞的数量减少。值得注意的是，CCR2-／- 敲除动物以及Ly-6chi-单核细胞缺失动物显示出海马神经发生减少。最后，将Ly-6chi-单核细胞接受性转移到抗生素处理的动物，足以挽救海马体神经发生减少的表型，这表明循环单核细胞在成年动物神经发生过程中起着重要的作用。这些报告表明，神经发生、细胞凋亡和突触修剪可能受到微生物组信号的调控。然而，需要更多的实验来研究微生物群落在动物模型和人类这些过程中的作用。血清素会促进成人的神经发生。而且研究发现肠道细菌可以通过5-羟色胺途径在肠道和大脑的不同区域中都发挥作用。
在产后脑发育过程中，星形胶质细胞和小胶质细胞被认为可以通过补体激活和随后的吞噬作用来促进弱神经突触的修剪。例如，在缺乏小神经胶质细胞的情况下，成人大脑明显有更多的突触，这说明这些胶质细胞是突触修剪的必要条件。在中枢神经系统中，补体成分由多细胞分泌，而星形胶质细胞和小胶质细胞是补体的主要生产者。小神经胶质细胞产生大量的C1q蛋白，这是补体激活级联中的第一种蛋白质，并表达各种补体受体。突触修剪以及其他过程，在细胞分化和迁移后形成神经元的连接，在产后大脑发育的主要事件后改进神经元网络。
神经轴突的适当传导对信息和信号传递至关重要，而髓鞘的形成是大脑健康发育的关键过程。两份报告证实了完整的肠道微生物组的存在可以调节髓鞘形成。抗生素处理或无菌小鼠的实验表明，是前额叶皮层而非其他大脑区域中的髓鞘相关转录本增加 (图1)。有趣的是，尽管抗生素处理足以导致非肥胖型糖尿病（NOD）小鼠中髓鞘相关基因的表达量升高，而且将这种小鼠的微生物组移植到C57BL/6小鼠，后者的髓鞘相关基因的表达量也会升高，但是将来自SPF动物的微生物组定殖到GF动物却不能逆转髓鞘的这种表型。这些观察结果表明，对微生物群落的早期接触是对生命后期微生物群落变化的动态应答所必需的。此外，寡突胶质细胞的发育和分化依赖于各种信号，其中包括趋化因子CXCL1及其受体CXCR2。值得注意的是，CXCL1基因的表达在缺血性脑卒中小鼠模型的大脑中表现出差异，这种小鼠的微生物组与普通小鼠的不同，这提示微生物组在稳态和发育过程中有潜在的作用，尽管还需要进一步的研究。
2.4 生命早期的肠道微生物组及其对大脑发育和行为的影响
假设胎儿是无细菌的，婴儿出生时才第一次直接接触微生物。通过阴道分娩出生的婴儿由类似于母体阴道的微生物群落所定殖，而且以乳杆菌属和普氏菌属中的菌种为主 (图2)。相比之下，剖宫产的婴儿则暴露于皮肤微生物中，如葡萄球菌和棒状杆菌。这种对不同的微生物种群的初步接触对新生儿的健康和发育有各种各样的影响，并由此进一步产生长期的影响。此外，产前应激改变了阴道微生物组，并已被证实可以对后代的肠道菌群和代谢组进行重建。有数据表明剖腹产的孩子患自身免疫性疾病的风险更高。然而，通过将新生儿暴露于从母亲阴道提取的微生物中，可以实现对由于缺乏阴道源微生物而出现的症状的一些恢复。婴儿微生物组对饮食和抗生素治疗等各种各样的扰动非常敏感。此外，婴儿通过与父母和兄弟姐妹的亲密接触，以及接触新环境，而接触到多种新的微生物。Ba ̈ckhed 等(2015)已经确认婴幼儿一岁内各个阶段的特征性微生物门类。而新生儿的肠道主要是有氧的，而且定殖着双歧杆菌、肠球菌、埃希氏菌属/志贺菌属、链球菌、拟杆菌、罗氏菌属，其肠道细菌群落明显类似于母亲的，而到一岁时其肠道变得厌氧 (图2)。在这个阶段，儿童肠道已经定殖了梭菌属、瘤胃球菌属、韦永氏球菌属、罗氏菌属、Alistipes、真细菌、Faecalibacterium和普氏菌等等。在孩子三岁前，肠道菌群更容易受到扰动。有趣的是，由于一些细菌可以从母亲传播到新生儿，在怀孕期间母亲使用益生菌可以将特定的物种转移到新生儿身上。因此，生命的这段时间对于建立一个健康稳定的微生物组至关重要。
抗生素或饮食的剧烈变化对微生物组造成破坏，反之，增加益生菌对微生物群落及其生命轨迹有深远的影响。微生物群落的扰动可能对发育中的个体有显著的影响，对新陈代谢，生理和免疫状态有着持久的影响，正如在动物研究中所显示的那样。另一些人则报告称，在生命的第一年，抗生素的使用与生活中的抑郁及生命晚期行为困难有关。在动物模型中，产前或产后的抗生素处理改变了母亲或其后代的生理状态，进而可能影响后代大脑的发育轨迹，或者通过主要影响母亲行为来调控行为。在短时间内，动物的相关微生物群的部分缺失可能并不总是影响行为；用万古霉素短期处理大鼠幼崽对其成年期的焦虑样和抑郁样行为没有影响。然而，在成年期，这些大鼠表现出内脏超敏性，表明肠道细菌会影响痛觉。在成年小鼠中，7天的非吸收抗生素的处理足以减少焦虑样行为。有趣的是，这种效应是短暂的，并且在两周内行为就正常化，因为微生物群落很可能回到了最初的状态。从断奶到成年长期使用广谱抗生素，重塑了微生物组，进而改变了大脑的化学物质和行为。与SPF动物(表1和图1)相比，GF动物表现出不同的行为和发育表型，这些观察表明微生物组和行为之间有密切的联系，并显示了它们相互作用的可能途径。
益生菌的使用增加了特定微生物的数量，无论是短暂的还是永久的，都可以改变微生物组的结构和功能，以及与宿主的相互作用。益生菌已经被证明可以改变、逆转或阻止小鼠模型及人类的各种不良状态。此外，通过粪便微生物移植(FMT)进行肠道微生物种群重建的实验正在进行中。发现有益菌可以减少对压力和焦虑的反应以及抑郁的行为，并促进社会行为，减少重复行为，改善动物的认知功能和交流。这一概念也被扩展到人类，通过fMRI观测控制感觉和情绪的大脑区域显示，那些饮用发酵牛奶产品(含有多种益生菌)的健康志愿者在注意力任务测试中表现出不同的大脑活动。
越来越多的证据表明，大脑和肠道微生物之间的交流是双向的。De Palma 等(2015)利用小鼠的母体分离模型，证明了肠道微生物组对生命早期压力导致的焦虑样表型的反应差异巨大。此外， GF动物和SPF动物的杏仁核中的基因表达存在差异。有报道表明肠道菌群相互作用，特定的细菌或完整的微生物组合对宿主的压力和抑郁样行为有影响。虽然目前还不清楚这是由直接的肠脑互作驱动的，还是由疾病状态引起的其他生理因素介导的，这些报告和其他的研究结果说明了微生物组、胃肠道和大脑之间存在潜在的相互作用。
3 成人的稳态微生物组
在成年期，在细菌的丰度和多样性方面，微生物组达到了相对平衡，在稳定的环境或健康条件下不会有明显的变化。已知的决定微生物组的因素是基因、饮食、生活方式和地理。健康被明确定义为“没有任何明显的疾病”。最近，Lloyd- Price 等(2016)对健康的人体微生物组进行了广泛的研究。人类微生物组是特定的生态位，而且各生态位之间的微生物多样性和丰度不同。每一生态位都被特定的微生物群落所定殖，在肠道中拟杆菌门和厚壁菌门是优势菌门；而在口腔中优势菌则是链球菌；皮肤的是棒状杆菌属、丙酸杆菌属和葡萄球菌属；阴道的是乳酸菌 (图2)。较高的微生物多样性与健康相关。重要的是，健康微生物组是暂时稳定的，即使在反复出现轻微干扰的情况下也是如此。有报道显示，在多种疾病中，微生物组的多样性减少。
4 神经发育和情绪障碍相关微生物组
4.1 自闭症谱系障碍
4.2 精神分裂症
4.3 抑郁症
4.4 神经变性和老年期的微生物组
4.5 神经退行性疾病中的微生物组
5 展望
4-5将于第二篇微文中分享。
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