编译：yl，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
胃肠道具有内在的神经元网络，即肠神经系统（ENS）。ENS控制运动性、液体稳态和血流，也与肠的其他成分（如上皮细胞和免疫细胞）相互作用。最近的研究表明，伴随着出生后ENS成熟而发生的肠道微生物区系多样化，对于ENS的发育和功能可能是至关重要的。在这里，我们讨论了这种功能关系始于子宫的可能性，母体微生物群将启动ENS发育，并塑造其生理。我们回顾了ENS/微生物区系的相互作用及其在生理和病理生理环境中的调控。虽然现在已经很好地确定了ENS生理的微生物调节机制，但还需要进一步的研究来了解肠道微生物区系对ENS的发育和病理的贡献，并揭示微生物菌群与ENS交流的确切机制。
原名：Microbial Modulation of the Development and Physiology of the Enteric Nervous System
期刊：Trends in Microbiology
IF：13.546
发表时间：2020.12
通讯作者：Filipe De Vadder
作者单位：里昂大学基因组学研究所
3 子宫内ENS的发展：母体微生物和饮食的潜在功能6 通过ENS和微生物-神经免疫相互作用调节宿主生理肠道是一个密集支配的器官，具有外在和内在的支配（ENS）。ENS是一个由不同类型的神经细胞组成的网络，位于胃肠道，从食道延伸到肛门。由于其大部分成分神经元不直接连接到中枢神经系统（CNS），因此ENS代表自主神经系统的一个独立的细分，同时接收交感神经和副交感神经输出。ENS的解剖学在其他地方得到了广泛的描述，简单地说，它包括两个神经节化丛（图1）：位于粘膜下层和环状肌层交界处的粘膜下神经丛和位于肠道两个肌层之间的肌间神经丛。在每个神经丛中，神经元胞体形成称为神经节的群组（图1）。神经系统中的神经元可以通过它们的解剖、投射以及它们分泌的不同神经递质来区分。经典的神经化学编码表明，ENS肌间神经丛主要由胆碱能兴奋性运动神经元和氮能抑制性运动神经元组成。然而，新的分子生物学技术，特别是单细胞测序技术，使肠道神经元的分类得到了完善。这些研究表明，经典的神经元亚型可以根据特定标记基因的表达分为不同的亚群。除了神经元外，ENS还含有胶质细胞，它们形成一个独特的谱系，不同于其他外周和中枢胶质细胞。胶质细胞为神经元提供营养支持，在神经传递中也起着积极的作用，对ENS发挥神经保护作用。与通过血脑屏障与周围环境隔开的CNS不同， ENS与周围组织之间没有物理隔离，因此，ENS紧邻肌肉细胞、基质细胞、Cajal间质细胞、上皮细胞和免疫细胞。为了控制肠道生理和体内平衡，ENS需要这些不同类型的细胞之间进行协调调节。
图1 肠壁解剖图。（A）肠上皮与肠神经系统不同层次和细胞类型的卡通描绘。（B）100μm肠卷的共聚焦图像，显示了肠的结构（C）显示神经胶质细胞网络的肌间神经节放大图（D）神经元。ENS提供运动、分泌、吸收和血管收缩的局部控制（图1）。肠道分泌和血管扩张的耦合使得水和电解质在上皮之间运动。这些功能主要由来自粘膜下神经丛的血管运动和分泌运动神经元调节，通常通过其血管活性肠肽（VIP）或胆碱乙酰转移酶（ChAT）的表达来区分（图1）。吸收与肠道运动和分泌密切相关。食物的消化和营养物质的吸收收到食糜含量制约，食糜通过严格调节的运动冲动沿着胃肠道向下传播。食物摄入后，机械和化学刺激激活机械敏感和内在初级传入神经元（IPAN），以刺激运动（图1）。在肌间神经丛中，运动反射弧通过蠕动和分段混合食糜来诱导推进。运动调节控制营养物质在肠腔中的转运时间，从而控制其吸收的有效性。在粘膜下神经丛中，IPANs调节分泌运动神经元活性，控制粪便稠度。葡萄糖、脂肪酸或氨基酸等几种营养物质间接调节ENS的生理。事实上，肠道神经元可以被肠内分泌细胞（EECs）分泌的GI激素激活，以响应营养检测。ENS还通过调节胃肠运动来介导营养物质的作用，从而调节肠腔中的食糜，转化为能量。除了调节神经元兴奋性外，一些研究表明，营养物质还通过影响神经元存活和增殖而导致ENS解剖结构的改变。3 子宫内ENS的发展：母体微生物和饮食的潜在功能在人类和小鼠的胚胎发育过程也就是缺乏微生物区系的情况下，大多数ENS神经元都在分化。然而，有证据表明，微生物会影响胎儿在子宫内的发育，母体微生物区系可能会影响胚胎发育。人的胃肠道中有大量的微生物，它们构成了肠道微生物区系。微生物区系由数百种细菌组成，在宿主生理、稳态和发育中起主导作用。最近的研究表明，肠道微生物群可以影响胚胎神经元的发育。事实上，无菌（GF）小鼠在出生前表现出转录组学特征和小胶质细胞（即大脑的常驻巨噬细胞）的激活，这对神经元发育至关重要。ENS中也存在脑小胶质细胞的功能等同物，例如肌巨噬细胞（MMs），它们参与肠道神经元网络的调节。MMs先于肠神经前体细胞在胎鼠肠道定植，对ENS的发育至关重要。我们可以假设，母体肠道微生物区系的缺失对MMS的影响与对大脑的影响相似。这种可能性提出了一些有趣的问题，即母体微生物区系对胎儿胚胎发育及其介体的潜在影响。然而，还没有关于GF小鼠子宫内胚胎发育的研究来回答这些问题。基于营养型大肠杆菌HA107菌株的可逆妊娠定植模型最近被阐述，这种实验装置可用于研究母体肠道微生物区系的特异性影响及其对子宫内ENS发育的影响。在胎儿发育过程中，来自迷走神经和骶神经嵴的细胞在肠道中定植，并以顺序的方式产生肠胶质细胞和许多亚型的肠神经元。早期出生的神经元，如5-羟色胺能神经元和胆碱能神经元，首先发育。它们对迟生神经元的后续发育至关重要，如氮能神经元和钙结合蛋白阳性神经元（图2）。越来越多的证据表明，早期出生的神经元分泌的5-羟色胺支持发育中的ENS的后期神经发生。母亲在怀孕期间摄入的产品，如抗抑郁药，会改变早期出生的神经元的功能。这些产物与肠道微生物群的组成密切相关，因此可能影响早期和晚期肠道神经元的分化。先天性巨结肠是一种威胁生命的疾病，每5000名婴儿中就有一人受到影响，它是由ENS发育缺陷引起的。ENS前体不能迁移到部分或整个结肠，阻止了ENS正常功能。对斑马鱼的研究表明，维甲酸的供应不足，会导致神经脊细胞沿着肠道的无序迁移，并导致随后出现的无神经节区。发生这一观察支持了子宫内ENS发育受母体饮食影响的观点（图2）。一直以来，限制母体蛋白质会导致子代ENS的组成和功能发生改变，并增加了推进结肠活性。因此，不平衡的母体饮食，如营养不良或高脂饮食，也可能在子宫内产生有害的后果。SCFAs是微生物区系衍生的代谢物，可能作为母体微生物区系与胎儿ENS发育之间的分子联系。事实上，由微生物产生的SCFAs在母体血液中循环，并被认为能够穿过胎盘到达胎儿。在体外，SCFAs对人神经细胞的增殖至关重要，表明在胎儿血液中循环的SCFAs可能影响ENS的形成。
图2 肠神经系统（ENS）和肠道菌群在青少年生活中伴随发育，并受到母体和外在因素的影响。细菌代谢物和副产物通过EECs激活许多肠道相关激素的分泌，这些激素直接向肠神经元发出信号。有趣的是，怀孕期间的抗抑郁治疗显著地改变了微生物生态，并改变了母亲的5-HT水平，增加后代发生GI疾病的风险。在接受产前酒精暴露的幼崽的粘膜和肌间神经丛中发现5-HT的失调，这种情况与母体肠道微生物的改变有关。通过细菌代谢物和微生物调节的信号通路，母体微生物可以在产前促进子代在子宫内的ENS发育。ENS在出生后会进一步发育。GF小鼠的研究表明，在ENS中检测到非常早期的产后改变（早于P3），如神经密度降低和氮能神经元比例增加。此外，GF小鼠前脑发育的改变，包括神经元死亡和小胶质细胞定植的变化，在出生后几个小时已经发生。因此，ENS出生后的发育很可能可能直接受到肠道微生物区系的调节。人类婴儿的早期微生物区系受到母体微生物群的高度影响。值得注意的是，出生后24小时，婴儿肠道微生物区系中50%的物种来源于母体。出生后，婴儿的微生物群发生了剧烈的变化，包括多样性的增加和特定门的增殖（图2）。在围产期，微生物群在肠道的定植受到许多因素的影响，如分娩方式、出生时的胎龄、早期应激、药物使用和喂养方式（图2）。同时，ENS神经发生、成熟和突触形成仍在继续。值得注意的是，在生命的头几周，晚期出生的神经元分化，IPA Ns对5-HT的反应性增加，胆碱能神经肌肉传递发展。断奶发生在小鼠出生后约3周和人类大约6个月，同时伴随着与母乳喂养中断和转向固体食物相关的饮食模式的改变，这会导致婴儿肠道微生物群发生巨大变化（图2）。这些细菌能够消化植物来源的低聚糖，产生对维持健康肠道至关重要的SCFAs，并且与ENS中的神经化学可塑性有关。在同一时期，ENS经历了显著的化学和突触重塑，导致神经元网络的成熟。肠神经元和胶质细胞在肌间神经丛中增加，粘膜下神经丛中的神经元化学成分发生变化。这些观察表明，在人类和小鼠的围产期和断奶后阶段，ENS和微生物区系成熟之间存在显著的时间耦合。GF成年小鼠具有新生儿般的ENS，具有可塑性，可以在成年期被微生物群定植激活。因此，青春期ENS的变化可能与肠道微生物群的变化有关。此外，塑造婴儿肠道微生物区系的母乳含有神经营养因子和细胞因子，促进体外肠神经元存活和生长。然而，这些结果需要在体内翻译，才能充分证明母乳的神经源性效应。这些数据表明，饮食、肠道微生物群和ENS在出生后的发育之间存在直接和间接的联系。抗生素的研究进一步证明肠道微生物区系对青少年时期ENS发育的影响，表明微生物调节神经密度、神经元亚型比例和肠道运动。古霉素治疗新生小鼠导致ENS改变，包括神经元密度降低，胆碱能钙结合蛋白阳性神经元增加，氮能神经元减少，结肠收缩的频率和传播速度增加。相反，在青少年小鼠中，抗生素使肌肠胆碱能神经元的减少而改变ENS，从而诱导肠道运动降低。新生小鼠和青少年小鼠万古霉素治疗的差异是值得注意的。事实上，万古霉素不影响相同的神经元亚型，并且对结肠收缩引发相反的作用。此外，P3 GF小鼠氮能神经元的比例增加，而P0-P9万古霉素处理的小鼠氮能神经元的比例降低。同样，在幼鼠中的广谱抗生素治疗会导致肌肠神经元的丢失，这与高脂饮食喂养中观察到的情况相同。然而，抗生素治疗小鼠的结果需要谨慎对待，因为抗生素本身直接调节神经反射。因此，需要进一步的实验来阐明抗生素治疗对微生物区系的影响。ENS中的选择性CHAT缺失与盲肠和结肠微生物组成的改变有关。抗生素治疗可引起青少年小鼠胆碱能神经元的减少，这一发现表明ENS与微生物组成之间存在相互作用。肠道微生物组成的变化可能改变ENS，从而导致运动障碍，其本身也会改变微生物的组成。对成年个体的研究表明，肠道微生物群组成的改变，会改变肠道动力。肠道动力，如粪便一致性评估，微生物区系组成的一个强有力的预测因子。值得注意的是，青少年时期的抗生素治疗改变了脑源性神经营养因子（BDNF）的表达模式，而BDNF是ENS发育和成熟的关键调节因子。这些数据为肠道微生物区系与产后发育的ENS之间的分子机制提供了潜在的见解。在肠易激综合征（IBS）患者的活检中也观察到BDNF信号的类似修饰。IBS是一种功能性胃肠疾病，与排便紊乱和腹痛有关，主要是由于ENS功能障碍所致。人们认遗传和环境因素驱动IBS的发病机制，一些研究已经将儿童IBS的发展与肠道微生物的改变联系起来。因此，微生物群、饮食和出生后ENS早期发育之间的关系可能会对能量稳态和疾病发病机理产生系统的和/或长期的影响。粪便菌群移植已成功用于治疗艰难梭菌感染，可能是治疗功能性胃肠道疾病的一种相关治疗方法。如前所述，肠道微生物群在ENS的发育和成熟中起着至关重要的作用。GF小鼠的ENS的形态和活性的异常突显了微生物区系与ENS相互作用的相关性。通过上皮细胞直接或间接检测肠道微生物群或其代谢产物是一个核心的感觉系统。微生物组成的改变激活外源性交感神经肠投射神经元，调节生理肠道功能，包括运动。GF小鼠表现出转运时间延迟，而重新定植恢复了粘膜的转运时间和神经支配。微生物区系衍生因子可通过Toll样受体（TLRs）检测，TLRs在上皮细胞、胶质细胞和神经元中表达并特异性识别病原体相关分子模式（PAMPs）。例如，TLR2（一种识别细菌细胞壁脂蛋白的受体）信号通过控制ENS结构和肠道神经肌肉功能来调节炎症。此外，在成年小鼠结肠中，TLR2促进抗生素治疗后的神经发生。然而，TLRs在肠道中由几种类型的细胞表达，这使得识别连接微生物区系和ENS之间的信号的特定细胞变得困难。最近的几项研究进一步提示了肠道微生物群与ENS之间的分子耦合（图3）。结果表明，远端胃肠道的大多数神经元表达芳基烃受体，这是一种由几种色氨酸衍生代谢物激活的核受体。肠道微生物群能够诱导神经元中该受体的表达，增加肠道运动，以及其他模式。Chandrasekharan等人研究了广泛应用的益生菌鼠李糖乳杆菌GG的影响，发现其在胃肠道中的存在刺激了胆碱能神经元的神经元分化，最终促进了肠道运动。同样，Aktar等人证明GF小鼠与人类肠道Bacteroides thetaiotaomicron的定植足以恢复肠道运动，增加神经元密度。肠道微生物调节ENS生理的能力涉及与宿主的沟通。无法通过ENS的成分直接检测腔内含量，检测这些内容物的第一行是上皮细胞，它们与肠腔直接接触。因此，神经元或胶质细胞与上皮细胞之间的相互作用代表了微生物介导的向ENS传递的关键线索。在肠道上皮细胞中，肠道的EECs仅占上皮的1%，但它们对肠道生理是必不可少的。越来越多的证据表明，肠道神经元和EECs之间的联系可以调节肠道生理。最近的工作表明，某些称为“神经泡细胞”的EECs，通过修饰的突触直接与神经元通信（图3）。肠道神经元的单细胞RNA测序显示它们表达多种肠道激素的受体，包括HTR3a，HTR4（5-HT受体），因此可以对肠嗜铬细胞激活作出反应。由于肠上皮每7天更新一次，这就提出了这些突触的动力学和可塑性的问题。事实上，ENS参与了肠上皮的增殖。毒蕈碱乙酰胆碱（Ach）受体（命名为M1至M5）在上皮中广泛表达，而敲除M2，M3或M5受体会增加肠道增殖，这与胆碱能神经元上5-HT2A受体的激活有关。此外，肠道干细胞与肠神经元和神经胶质细胞的体外共培养可促进上皮细胞的增殖并分化为EECs。
图3 微生物群与上皮细胞之间的串扰调节了肠神经系统（ENS）生理。肠道中肠嗜铬细胞可作为机械传感器，释放大量的5-HT，以响应机械扩张。EECs分泌的5-HT可以直接影响肠道神经元。事实上，GF Tph1缺乏的小鼠（即上皮中不产生5-HT的小鼠）的定植导致肌肠神经元数量减少，表明EECs衍生的5-HT对肠道微生物定植后ENS的完整性至关重要。此外，5-HT的分泌可直接与肠道微生物和肠道稳态的调节有关。肠道中5-羟色胺的产生受形成芽孢细菌的调节。虽然5-羟色胺主要从基底侧释放，但几项研究发现，EECs衍生的5-羟色胺最终会进入肠腔和粪便。最近的一项研究发现，5-羟色胺能促进Turicibacter sanguinis的肠道定植。T.sanguinis和粘膜5-HT都被发现具有强烈的促炎性，会导致肠道的运动能力降低。然而，之前人们认为5-HT与ENS相互作用而促进运动。5-HT确实可以激活初级感觉神经元的末端，但是最近的数据挑战了5-HT是运动反射回路的发起者的这一概念。小肠肠嗜铬细胞的转录分析表明，这些细胞缺乏G蛋白偶联受体、营养代谢物和微生物代谢物受体，但在基底侧高表达Glp1r。GLP-1诱导5-HT在体外释放。因此，L细胞可以作为营养感知和5-HT释放之间的中介，以刺激小肠的肠道运动。在结肠中，类似的转录分析表明肠嗜铬细胞同时表达营养和微生物代谢物受体，表明5-HT的释放与结肠中GLP-1的分泌无关。有趣的是，GF小鼠降低了GI的运动能力，但GLP-1水平升高。GF小鼠获得能量的能力降低，因此它们的结肠能量状态可能被同化为慢性营养不良。在这种情况下，GLP-1会使通过时间变慢。对GLP-1在肠道和结肠中的功能的差异性尚不清楚。我们可以假设，转运减慢是一种生理适应，以适应由营养缺乏和微生物改变引起的慢性营养不足，增加能量获得，补偿结肠腔中营养物质减少。现在的目的是了解复杂的微生物群/EEC/ENS的关系及其在肠道功能受损相关疾病病理生理学中的参与。6 通过ENS和微生物-神经免疫相互作用调节宿主生理肠道免疫系统是维持肠道稳态的关键。ENS与免疫细胞之间的相互作用被彻底描述为肠道生理的主要调节因子（图4）在免疫介导的肠道运动调节中，与肌间神经丛紧密接触的MMs已被证明可通过分泌骨源性形态发生蛋白2（BMP2）来刺激蠕动，从而刺激肠神经元，进而分泌菌落刺激因子1（CSF1） 来调节巨噬细胞数量。此外，来自肠道微生物群的信号调节BMP2和CSF1的水平，从而调节肠道神经元和巨噬细胞之间的相互作用。然而，其他类型的细胞也参与了微生物区系与ENS之间的相互作用。3型先天淋巴细胞（ILC3）通过整合细胞因子衍生信号促进肠道和代谢稳态。ILC3细胞分泌白细胞介素22（IL-22），促进上皮细胞产生抗菌肽和粘蛋白。这些细胞表达VIP受体2（VPAC2），位于固有层VIP能神经元附近。因此，调节微生物-免疫相互作用可能是治疗代谢疾病的有效方法，这些疾病通常与肠道炎症有关。事实上，代谢性疾病中肠道炎症与肠道神经元功能障碍有关。对固有层和MMs的分析表明，后者主要表达M2型伤口愈合和抗炎基因。此外，MMS表达β2肾上腺素能受体，在ENS中诱导神经保护并限制感染引起的神经元损伤。内在神经支配在宿主抵抗病原体方面也起着作用。特别是肠神经元衍生的白介素18调节上皮细胞产生靶向病原体的抗菌肽。因此，免疫细胞在微生物信号从肠腔耦合到肠神经元中起着重要作用。
图4.微生物群-免疫相互作用和肠神经系统（ENS）调节宿主生理。除了在感知营养物质方面的作用，最近的一项研究表明，ENS在调节葡萄糖稳态方面也起着至关重要的作用。Muller等人研究了可卡因和安非他明调控转录本（CART）表达神经元在ENS的特殊作用。与GF小鼠相比，具有肠道微生物区系小鼠表达CART的神经元数量增加了两倍。此外，CART神经元的特征是内脏分离（即轴突投射到内脏），并通过腹腔神经节和肠系膜上神经节与肝和胰腺多突触相连。ENS中，CART的特异性激活导致血糖升高和胰岛素降低，而神经元的特异性消融导致肝脏血糖降低、胰岛素增加和糖异生减少。总的来说，来自ENS的特定神经元可以直接调节血糖，而不需要CNS的任何输入。现在已经证实，调节肠道微生物群的环境信号导致ENS的发育和生理的持续变化。肠道神经元和胶质细胞对微生物信号的反应是这些生理适应的关键驱动因素。然而，驱动ENS发育和功能变化的具体分子和细胞路径仍有待阐明。科学文献缺乏关于母体微生物环境如何塑造子宫内ENS的发展的数据，以及这些变化是否对胃肠道的生理和生理病理有长期的影响。未来的研究需要集中在ENS在维持能量稳态方面的具体作用。肠道神经元对食物信号作出反应的能力表明，ENS可能通过肠-脑通信维持能量平衡。最近在成像和单细胞测序技术方面的进展有利于肠道神经元回路的研究，并有助于确定具有检测营养物质和微生物源信号机制的神经元亚型。将这些进展与遗传操作和生理分析相结合，将使研究人员能够从功能上剖析这些特定的肠道神经元亚型对微生物调节肠道发育和生理的贡献。
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