用斑马鱼来研究人的肠道神经系统被破坏以后肠道和肠道微生物的变化

肠道微生物生活在肠道中，是不会吃白饭的，它们会通过产生一些神经活性物质来参与肠脑的运转，严格来说，真正的肠脑是由肠道微生物和肠道神经系统共同构成的，因此，“肠脑”和大脑之间应该称作菌- 肠- 脑轴（microbiota-gut-brain-axis）。

肠脑可以影响大脑，大脑也可以影响肠脑，它们之间是双向互通的，加上肠道微生物之后，它们之间的关系变成了肠道微生物、肠道神经系统和大脑三者之间相互影响。然而，到目前为止，我们对菌- 肠- 脑轴的了解还非常有限，并不清楚它们之间相互影响的机制。

没有肠道神经系统会怎样？

斑马鱼是一种常见的体型纤细，3~4 厘米长热带鱼，因为身体条纹的颜色类似斑马而得名。斑马鱼饲养方便、产卵量大、繁殖周期短、胚胎在体外受精和发育，并且胚胎是透明的，这些特点使其成为生命科学研究中重要的动物模型。2017 年，美国麻省理工学院（Massachu-setts Institute of Technology，MIT）的杰夫·葛尔（Jeff Gore）研究组以斑马鱼为模型，构建了肠道神经系统发育异常的突变体，以此来研究肠道神经系统被破坏以后肠道和肠道微生物的变化。

研究人员构建了两种控制肠道神经系统发育的基因发生突变的斑马鱼，这种鱼肠道神经系统无法正常发育。他们发现，没有正常肠道神经系统的斑马鱼肠道都发炎了，并且肠道中促炎细菌增多，而抗炎细菌明显缺乏。这些鱼还可以通过共同饲养将炎症传播给其他正常斑马鱼，也就是它们的肠道菌群具有感染性。

斑马鱼

既然这些肠道菌可引起炎症，改变肠道菌是不是肠道炎症会好转呢？紧接着研究人员就把具有抗炎作用的细菌移植给这些突变的斑马鱼，结果不出所料，它们的肠道炎症消失了！这个研究说明，缺少了肠道神经系统管控，肠道微生物组成会紊乱，致病菌可能增加进而影响机体健康。

实际上，每隔几分钟，肠神经系统就会通过肌肉收缩和松弛带动肠道蠕动，进而把肠道内容物往下输送，并且调节肠道的内环境，影响肠道微生物的生存环境。有一种新生儿巨结肠病，跟上述突变斑马鱼一样，是先天性的肠神经系统缺失，他们的肠道不能正常蠕动，粪便会积攒在肠道中不往下走，引起顽固性便秘，随着便秘加重，腹部会越来越胀大。

与突变斑马鱼类似，小肠结肠炎是该病最主要和最严重的并发症。这些患者中，有60% 的人会出现呕吐、腹胀，便秘越重呕吐越频繁。这可能是人体的保护机制，下面出不去了，就会阻止上面再进入或者把已经吃进的食物吐出去。奇怪的是，这类患者主要为男婴，在新生儿或出生后不久即会发病。

小肠结肠炎耶尔森菌

有90% 的病例在出生时无胎便排出或只排极少胎便，即使排出后症状得到缓解，数日后便秘症状又会重复出现，一般一周内会发生急性肠梗阻。对此病，没有什么好的方法，要不切掉病变的肠道，要不就人为地把粪便清除出来，如果治疗不及时，很容易夭折。

没有了肠道微生物会怎样？

肠神经系统缺失，除了影响肠道微生物的组成，还会要人命，即使保住了性命，也会出现消化受阻，营养不良，极度消瘦，发育迟缓，最终影响身体健康。如果肠道微生物出现异常将会怎样呢？

我们先来看一些极端的例子，如果把肠道微生物统统去掉，肠道和大脑会出现什么问题？有一种方法可以在实验室里制备体内和体外完全无菌的动物，在母体临近生产时，进行剖腹产手术，人为地把幼体从无菌的子宫中取出来，然后，把它们饲养在完全无菌的环境中。这样的动物被称作无菌动物（Germ free，GF）。

无菌动物饲育

有研究发现，无菌动物无论是肠道形态结构，还是肠上皮细胞的生长和增殖都明显处于非健康状态。无菌大鼠与正常大鼠相比小肠绒毛异常增生，结肠隐窝细胞数目减少、细胞周期时间延长、增殖活性降低。此外，无菌大鼠的盲肠与正常大鼠相比明显扩大，原因是肠道内黏液不能被细菌降解而大量累积，但是，如果肠道内存在一种微小消化链球菌的话，它们就能降解黏液，从而改善症状，让盲肠缩小。

无菌小鼠小肠绒毛的毛细血管网发育明显受限，缺乏肠道细菌的刺激，小肠血管的再生也会出现问题。当给肠道接种了一种多形拟杆菌后，小肠绒毛的微血管网络发育恢复良好。这是因为肠道细菌发酵植物多糖产生的短链脂肪酸具有为肠上皮细胞提供能量，刺激其分化增殖的作用。

上面的研究证实了肠道菌群除了能够帮助宿主消化吸收食物中宿主自身不能代谢的物质、提供营养和能量外，还可以促进肠道发育，维持肠道免疫系统健康和肠道的正常运转。

肠道菌群与宿主在肠黏膜表面的不断接触对宿主获得性免疫系统的建立和发展具有“教育训导”作用。研究发现，无菌动物的肠黏膜免疫系统发育不完全，肠黏膜淋巴细胞数量少，特化性淋巴滤泡也小，血液中免疫球蛋白浓度还低。但是，如果将正常肠道菌群接种到无菌动物体内，肠道上皮内淋巴细胞数目大大增加，肠黏膜淋巴滤泡和固有层内分泌免疫球蛋白细胞的生成增加，血液中免疫球蛋白含量增加。

抗生素也可以杀死肠道微生物，给动物大量服用“抗生素鸡尾酒”就能杀死肠道中的大部分微生物，达到跟无菌动物类似的肠道状态。研究发现，用抗生素杀死部分肠道微生物后，会导致致病菌艰难梭菌的比例上升，其产生的毒素增加，导致肠上皮的通透性增加和肠道细菌的移位。

为了研究不同细菌在肠道的定植对肠道的影响，加西亚·拉富恩特（Garcia-Lafuente）等人将单一肠道细菌定植于经抗生素处理的大鼠肠道内，检测细菌定植后肠道对葡聚糖和甘露糖的清除率。结果发现，条件致病菌大肠杆菌、肺炎杆菌和链球菌都能显著增加肠上皮通透性，增加肠道中葡聚糖和甘露糖的清除率，而益生菌短乳杆菌具有相反的作用，定植后甘露糖的清除率反而降低。这就说明肠道菌群结构失衡会造成肠上皮通透性增加，从而导致疾病的发生。

缺失肠道微生物，影响大脑正常运行

无菌小鼠除了出现肠道方面的问题，大脑也会受到影响。2017 年有几项研究显示，给无菌小鼠慢性束缚应激处理（把小鼠捆着不让动）后，它们的焦虑样行为与存在肠道微生物的小鼠相比明显减少，且下丘脑- 垂体- 肾上腺（HPA）轴中的促肾上腺皮质激素释放激素、促肾上腺皮质激素、皮质醇等紧张激素水平较高。此外，另一个研究发现，无菌小鼠的大脑中杏仁核及前额皮质与焦虑样行为相关的基因表达出现了异常，表现出明显的焦虑、社交和认知障碍以及类似抑郁的行为，如果给无菌小鼠定殖正常的肠道菌群后，大脑中部分基因表达就会恢复正常。

有研究发现，肠道中的某些梭菌能够产生神经毒素，对于人体的神经系统具有损伤作用，这类细菌的过度生长会导致肠功能紊乱，神经毒素进入血液后会造成神经系统的损伤。自闭症儿童肠道内梭菌的数量较多，且有9 种梭菌是正常儿童中未发现的，自闭症患儿肠道溶组织梭状芽胞杆菌数量较正常儿童显著增多。

来自芬兰的研究者们，比较了正常人与帕金森患者肠道微生物组成特征，发现相比于正常样本，帕金森患者肠道微生物群中普雷沃菌科的细菌丰度发生了明显的下降。我参与的一项研究也证明，与健康对照相比，帕金森患者肠道中Blautia，Faecalibacterium 和Ruminococcus 属等具有纤维素降解作用的细菌显著降低，而大肠- 致贺杆菌、链球菌、变形杆菌和肠球菌属等具有潜在致病性的细菌在帕金森受试者中明显增加。

肠道微生物还参与了机体的运动调控。有研究发现，无菌小鼠的运动技能明显优于那些肠道具有完整微生物组的小鼠。帕金森患者明显症状就是身体不受控制的抖动，研究者构建了帕金森的小鼠模型，并且移除这些模型小鼠的肠道菌群，结果发现，清除肠道微生物后帕金森模型小鼠的运动技能也会跟着恢复。

最近，有研究发现，肠道菌群可能在多发性硬化症（MS）的发病中起重要作用。MS 是一种免疫介导的最常见的中枢神经脱髓鞘疾病。有研究对比了MS 患者与年龄和性别相匹配的健康对照的粪便菌群，发现MS 患者与健康对照相比，具有不同的肠道微生物特征。MS 患者中Psuedomonas、Mycoplana、Haemophilus、Blautia 和Doreagenera 等菌丰度增加，而对照组中则是Parabacteroides、Adlercreutzia 和Prevotella 属的丰度增加。

重庆医科大学的谢鹏教授团队与第三军医大学实验动物中心的魏泓教授团队一起对比了重度抑郁患者与健康人肠道菌群的差异，发现重度抑郁患者肠道中厚壁菌门、放线菌门及拟杆菌门丰度明显比健康人高。

上面这些研究表明肠道微生物的组成发生改变，会对大脑产生显著的影响。不仅如此，肠道中的微生物或其产物还可能进入大脑，对大脑产生严重影响。加州大学戴维斯分校神经和大脑研究所的研究人员首次发现，所有18 个晚发性的阿尔茨海默病患者大脑样本中都存在较高水平的革兰阴性菌的抗原。相比对照组，这些患者大脑样本中细菌脂多糖和大肠杆菌K99 菌毛蛋白的水平都较高。

此外，研究者还发现，K99 菌毛蛋白在阿尔茨海默病患者的大脑中水平明显增强，而脂多糖分子能够聚集在大脑淀粉样斑块和大脑的血管中，这就和阿尔茨海默病患者的病理学表现及疾病进展直接相关了。

清除肠道微生物对肠道和大脑都会产生显著的影响。现实情况下，人们几乎不可能清除体内的微生物。最常见的情况是肠道微生物的组成发生改变，比如某些菌的增加或减少，造成肠道菌群紊乱。

人体是复杂系统，菌- 肠- 脑轴对人类行为的影响也是复杂的。肠道微生物受食物、精神压力等的影响而发生改变，这种变化又会导致机体代谢异常，机体代谢异常又会影响到个体的身体健康和精神状态。菌群、肠道和大脑三者之间相互联系，相互沟通，相互连接，相互制约的关系仅仅通过这种简单的联系来分析是不够的，它们之间的关系应该是一个系统的调控网络，共同发挥作用，共同影响着人体健康。

然而，无论三者之间的关系是多么的复杂，将肠道微生物作为菌- 肠- 脑轴的核心来调节人的心理和行为是非常值得尝试的。

（摘自《晓肚知肠：肠菌的小心思》，作者：段云峰）