肠-脑轴芯片｜揭示肠道菌群如何“操控”大脑的秘密
众所周知，我们的大脑和消化道的关系是非常密切的，比如，当我们感到紧张时，可能会引起胃部不适；再比如饥饿的状态下，更容易导致情绪焦虑等。这说明驻扎在肠道的菌群会对大脑的行为进行影响，但也只是找到了两者的相关性，但对于其中的因果关系，至今也没有明确的答案。
因此，在科研界也流行着一句顺口溜——“遇事不决，量子力学； 机制难寻，肠道菌群”。
虽说是句调侃的话，但也在侧面说明一定的道理：通过识别某些特定的肠道菌，发掘菌群与大脑之间的联系，印证肠道菌群是否是某些神经性疾病的诱因，这样就可以通过调节肠道菌群来预防或治疗这些难以攻克的大脑疾病。
但肠道菌群与大脑之间的这种复杂的相互作用，很难在老鼠等动物身上进行模拟，因为它们的生理系统与人类之间的差别十分巨大。
为了更好的模拟肠脑轴，《Science Advances》近期发表了一篇文章 “ Human physiomimetic model integrating microphysiological systems of the gut, liver, and brain for studies of neurodegenerative diseases ” 中报道，麻省理工学院研究人员开发了一种可模拟肠脑轴的“多器官芯片”系统，该系统包含肠、肝、脑、免疫等多个组织器官部件的体外模拟系统，可以实现大脑、肝脏和结肠之间的相互作用。
肠-脑轴芯片
我们知道，帕金森病（PD）是神经退行性疾病（ND）的典型，与肠道微生物和全身免疫功能相关，其病因尚未明确，同时也没有有效的疗法。PD作为晚期发作的慢性神经退行性疾病，在神经元遭受明显损害后，会聚集大量错误折叠的α-突触核蛋白，并会导致大脑丧失对运动控制的能力。早在几年前，Sarkis Mazmanian教授的研究发现，短链脂肪酸与小鼠帕金森病之间存在联系，该研究表明细菌所产生的短链脂肪酸会加速疾病的发展，但在无菌小鼠中却没有那么快。因此，麻省理工的团队想利用器官芯片技术来进一步的探索。
该研究团队利用器官芯片技术平台开发了肠-肝-大脑微生理系统来研究帕金森病（PD）中的肠-肝-脑互作。该系统将肠胃和肝脏的微生理系统与人源多功能干细胞衍生的脑器官进行连接，同时在培养过程中，在培养基中加入CD4+ T细胞循环，来模拟帕金森患者的病理模型。并通过该模型发现，肠-肝-脑之间的互作会增强大脑神经元以及胶质细胞相关成熟特征基因的表达。通过加入肠道微生物相关的短链脂肪酸（SCFA）可以增加PD患者病理相关基因的表达。
该器官芯片系统，为3个重复单元，每个单元有肠、肝、以及大脑MPS，该系统具有按照生理缩放比例的精确流量控制。同时，具有独立的液体混合系统和电路系统。
首先，通过对脑微生理系统、脑微生理系统+肠肝系统、脑微生理系统+肠肝系统+免疫细胞三种模式的比较发现，含有免疫细胞以及肠肝系统的脑生理模型中的有助于成熟神经元体内平衡的相关基因，如GAP43和CNR1等有所增加，在有Treg/TH17免疫细胞存在的情况下，相互作用期间，神经元成熟度的增强将更加明显。同时相关的细胞因子异丙胺、干扰素等水平也在显著增加，这表明免疫的相互作用，可以促使大脑胶质细胞的成熟。
在转录和代谢特征上，也验证了这一点，通过使用带有PD的A53T相关突变的神经元、胶质细胞来建立PD脑芯片，由于这种突变会导致α-突触核蛋白的积累，从而损害神经元并引起脑细胞炎症。
该PD脑芯片具有PD相关的转录和代谢特征，如该PD脑芯片中的CYP26B1的表达显著增加，GNPMB是一种糖蛋白，同PD患者一样，也是过度表达。同时PD脑芯片中也存在丰富的间质酸和肌酸代谢。总之，上述结果表明该PD脑芯片达到了PD的基本代谢和转录。
通过加入短链脂肪酸（SCFA）发现，可以有效的减少相关PD炎症因子的水平，通过PCA分析发现，不管有没有免疫细胞Treg/TH17细胞的加入都会看到样本数据有一定的偏移。TH17细胞是在炎症条件下可穿过血脑屏障的淋巴细胞之一，其产生的IL-17有助于PD的发展，但SCFA的加入可以促进Terg细胞的分化，并增加T 细胞的效应功能。
通过对比有无免疫细胞的情况下，加入SCFA后，来对PD脑芯片中与病理相关的转录组学进行分析发现，SCFA对PD脑芯片在转录水平上的影响表现出不同的机制，如蛋白质转化相关的PABPC1、蛋白质分解相关的SERPINA3等基因上调，这样的结果导致胶质细胞激活，导致蛋白质错误折叠水平升高。
同时，在相同条件下，Terg/TH17细胞和SCFA的存在显著增强病理相关的小胶质（DAM），特别是依赖TREM2阶段DAM的相关基因的上调。
同时麻省理工的团队还发现，在SCFA作用下的一些PD脑芯片的独特转录变化，SCFA对PD脑芯片的影响相比于对照组而言，影响更大。也就是说，在健康脑细胞而言，短链脂肪酸对于脑细胞是有利的，不仅可以增加神经元细胞的成熟度，可以增强免疫功能，促进神经元相关功能基因的表达。
但在PD脑芯片中，正好相反，SCFA可以减少与神经发生的相关通路，同时增加了与神经退行性病理学相关的基因表达。
总而言之，短链脂肪酸可以通过肠道来影响神经元，但这种影响在健康脑细胞和患病脑细胞之间是不一样的，对于健康细胞而言，短链脂肪酸的存在可以有效帮助脑细胞成熟，但对于患病脑细胞而言，这种有益的作用就没有了，相反，带来的更多的是蛋白质的错误折叠和细胞死亡。
在该文章，首先实现了在体外通过构建肠脑轴来实现大脑体外模型特征，这一点就很值得称赞，同时肠细胞也采用的是正常的结肠组织HC176，这同时也将免疫细胞和干细胞诱导的脑细胞带入到该系统中，来增强系统的生理完整性。
但该文章仅仅是利用了肠道细菌所产生的短链脂肪酸来进行验证，并没有加入真正的肠道细菌来验证这种模型的作用，小编猜测可能有两个原因，一是加入肠道菌会由于无法控制细菌的扩增导致整个系统的崩溃，二是该系统是开放式系统，无法对厌氧菌进行测试。
但该肠脑轴模型已经很厉害了，这种新颖的模式已经可以模拟肠道微生物对大脑的和帕金森病的模拟，来揭示一些肠道微生物与神经退行性疾病的关联。
参考文献：
Publisher URL：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33514545/
DOI：10.1126/sciadv.abd1707
编辑｜harry ；grimmi 校对｜zmin
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