微生物-肠-脑轴与酒精诱导脑损伤的研究进展

厉 颖李灿委范孟然尹爱武刘卫红高鹏飞

(1.大理大学药学院，云南 大理 671000；2.大理大学公共卫生学院，云南 大理 671000；3.湘潭医卫职业技术学院，湖南 湘潭 411104；4.大理大学 农学与生物科学学院，云南 大理 671000；5.云南省昆虫生物医药研发重点实验室，云南 大理 671000)

酒精是一种精神活性物质，具有多种行为和神经生物学效应，过度饮酒不仅对大脑有直接影响，还与外伤、癫痫和中风等风险的增加有关[1]。研究发现，低剂量的酒精也会导致运动控制、判断和反应时间受损[2－3]。酒精暴露不仅破坏大脑的表观遗传和转录过程，也损害神经再生，诱发神经炎症，例如，酒精可调节小胶质细胞信号转导，诱导其增生、活化、产生促炎性细胞因子[4－5]。肠道微生物、肠道和大脑三者间有着密切的信息交流，由此诞生微生物-肠-脑轴的概念[6]。肠道微生物可通过肠-脑轴影响大脑的行为和功能[7]。有报道称，酒精中毒与肠道微生物失调有关，肠道微生物代谢物，如胃肠激素、短链脂肪酸、神经活性化合物前体和神经递质等，均可影响生理和身体的正常功能[8]。本文通过查阅中国知网、Pubmed等数据库，总结近年来微生物-肠-脑轴在酒精诱导脑损伤中的研究进展，为相关研究提供参考。

1 微生物-肠-脑轴

人类肠道微生物群主要由细菌组成，其他包括古菌、真菌、寄生虫和病毒等，其中90%为厚壁菌门和拟杆菌门，另有放线菌门、变形菌门和疣微菌门等[9－10]。微生物-肠-脑轴是肠道菌群与大脑之间的双向通讯通道，一方面，神经信号可影响肠道功能，改变肠道菌群的组成；另一方面，肠道微生物群可通过不同途径向大脑发出信号，包括免疫和迷走神经的激活、产生微生物代谢物、多肽、神经递质和神经调节剂[11－12]。该轴的功能障碍可导致许多神经精神类疾病，如肠易激综合征、自闭症和帕金森病等[13－15]。微生物群对自闭症、焦虑、抑郁、帕金森病和精神分裂症的影响已在临床前和临床工作中得到验证，成为各种脑部疾病的潜在诊断和治疗靶点[16]。有研究表明，肠道微生物群组成的改变可能导致神经免疫过程和周围炎症[17－18]。酒精暴露可增加肠道通透性，改变肠道微生物群的组成，使肠道内的微生物进入体循环，被血液中循环的免疫细胞或存在于靶器官的免疫细胞识别，合成促炎细胞因子。促炎细胞因子是肠脑交流的重要介质，可以到达中枢神经系统，诱发与情绪、认知和饮酒行为变化相关的神经炎症[19]。

2 酒精对脑影响的肠道微生物特征

酒精摄入可使肠道微生物的组成和功能发生变化[20]。有报道称，在酗酒者和慢性酒精暴露的小鼠模型中，促炎肠道微生物丰度增加，如变形杆菌；正常共生细菌丰度减少，如拟杆菌门[21－22]。Xu等[23]研究了酒精摄入诱导肠道细菌的变化及其与神经心理行为的相关性，发现酒精摄入可使肠道菌群发生明显的变化，在门水平上放线菌和蓝藻菌增加；在属水平上，安德克氏菌属(Adlercreutziaspp.)和苏黎世杆菌属(Turicibacterspp.)增加；进一步分析表明，Adlercreutziaspp.与酒精偏好呈正相关，与焦虑样行为和前额叶皮质中脑源性神经营养因子(brain-derived neurophic factor，BDNF)/γ-氨基丁酸A受体α1(GABAAα1)的变化呈负相关。BDNF能促进运动神经元和多巴胺能神经元等的存活，增加神经递质的合成，改变细胞膜上离子通道活性，在学习记忆、认知功能和情绪障碍的调节中发挥重要作用[24]。γ-氨基丁酸(GABA)是中枢神经系统重要的抑制性神经递质，通过与GABAAα1受体结合，发挥突触后抑制作用[25]。以上研究提示，慢性酒精暴露过程中的肠道菌群失调与酒精诱导的神经心理行为和脑部BDNF/GABAAα1的表达密切相关。

Wang等[26]通过研究肠道微生物在酒精成瘾中的作用机制，发现酒精成瘾小鼠的肠道微生物多样性发生显著变化，厚壁菌门及其梭菌纲丰度升高，拟杆菌门降低；胆汁酸和次级胆汁酸水平均升高，厚壁菌门可产生次级胆汁酸，结果提示，肠道微生物组成的变化可能影响机体代谢，是酒精成瘾的作用机制之一；此外，强迫饮酒组小鼠的5-羟色胺(5-HT)水平升高，90%的5-HT由肠嗜铬细胞、肌肠神经元和粘膜肥大细胞在肠道中合成，是一种调节胃肠道和其他器官系统的脑神经递质[27]，提示肠道微生物的改变可能调控5-HT水平；本研究显示，积极饮酒组小鼠牛磺酸水平升高，强迫饮酒组牛磺酸水平降低，牛磺酸能改善某些神经病理形态，缺乏牛磺酸会减缓小脑、锥体细胞和视觉皮层的细胞分化和迁移[28]，这间接阐释了适度饮酒对大脑有正面积极的作用、过量饮酒对大脑有明显的负面影响[29]。

Jadhav等[30]研究发现，在酒精成瘾大鼠模型中，肠道微生物的变化可影响脑纹状体多巴胺受体的表达；梭菌目、瘤胃菌科、毛螺菌科等细菌与酒精使用障碍严重程度呈正相关；毛螺菌科UCG-006、嗜酸球菌、沙特尔沃思菌属、球菌属，以及噬糖厌氧产氢杆菌的丰度变化与多巴胺2受体mRNA的表达降低有关。有研究报道，瘤胃菌科、毛螺菌科和α多样性与酒精损伤的严重程度和肠道通透性改变相关[31]。以上研究提示，肠道菌群的组成变化与酒精成瘾大脑回路中的神经密切相关。此外，Peterson等[32]研究乙醇蒸汽对小鼠肠道微生物群的影响，发现另枝菌属显著增加，梭菌属IV和XIVb、多尔氏菌属、粪球菌属明显降低。

3 酒精通过微生物-肠-脑轴对脑损伤影响的机制研究进展

3.1 免疫

越来越多的证据显示，免疫系统对大脑的发育和功能有重要影响，神经免疫反应的改变可能导致神经病理变化[33]。据报道，神经免疫系统的激活参与酒精诱导的脑损伤过程，肠道微生物在这一过程中发挥着关键作用，其与大脑之间交流的中断或改变可能是许多精神障碍的重要因素[34－35]。炎症反应是人体免疫系统中保护机体的重要防线，肠道微生物代谢物内毒素(LPS)可激活巨噬细胞、单核细胞、白细胞等，释放肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1(IL-1)、IL-6、血小板活化因子等促炎性介质，产生炎症级联反应[36]。肠道微生物及其代谢物的改变可诱发炎症反应，并促进LPS向体循环的转移，加强脑部炎症的发展进程。

3.1.1 炎症

酒精诱导的神经炎症在酒精依赖、抑郁症和其他精神疾病的病理生理学中发挥重要作用[37]。酒精成瘾或戒断可能会导致肠道保护性菌落减少或致病性菌落增加，进而诱导炎症信号和细胞因子释放的改变，促使迷走神经收缩或改变其神经保护传入信号[20]。Lowe等[38]发现，酒精的摄入改变了肠道微生物的组成，增加了肠道通透性，促进微生物成分进入体循环，诱发神经炎症和小肠促炎细胞因子的表达；口服抗生素通过减少肠道细菌负荷，降低肠道和脑部炎症小体的表达，保护机体免受酒精引起的神经炎症反应。Jiang等[39]研究发现，酒精可诱导肠道菌群多样性和结构的变化，其影响机制包括小胶质细胞的激活、炎性细胞因子释放、BDNF蛋白表达抑制和AKT/GSK3β/β-catenin信号通路的调控等。Monnig等[40]发现，在艾滋病和慢性酗酒的情况下，肠-脑轴的促炎紊乱可能导致神经认知障碍，减少饮酒对降低炎症相关认知障碍和死亡率至关重要。

3.1.2 内毒素

正常情况下活菌和细菌衍生的代谢物不会进入血液，酒精的摄入可破坏肠屏障的完整性，使肠道细菌及细菌产物进入血液，如LPS，其是toll样受体4(TLR4)的配体，TLR4是单核细胞和巨噬细胞上表达的先天免疫受体，LPS与TLR4受体复合物结合，可激活单核细胞，产生促炎细胞因子和趋化因子[41－42]。LPS通过TLR4依赖机制调控脑内免疫功能、髓鞘和突触形成的基因表达[38－43]。酒精的摄入增加了LPS从胃肠道到血液的转移，进而引发小胶质细胞的免疫激活导致神经退行性变[44]。小胶质细胞是中枢神经系统内固有的免疫效应细胞，在中枢神经系统的生理过程中发挥着重要作用[45]。此外，Shukla等[46]发现酒精诱导LPS从母体肠道的吸收，参与了胎儿脑内基因表达的变化，可能涉及自闭症基因的表达改变。研究发现，妊娠期间外源性LPS给药会导致子辈发生类似自闭症的行为，而且在自闭症患者中，血清LPS水平显著升高[47－48]。

3.2 色氨酸代谢

肠道微生物可通过多种机制调节色氨酸代谢通路，色氨酸是一种必须氨基酸，经肠胃吸收后进入大脑，代谢产生神经活性化合物，如犬尿酸和喹啉酸，前者可阻断N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体的甘氨酸位点，后者可刺激NMDA受体[49]。肠道微生物对色氨酸代谢的调节主要通过犬尿氨酸途径，其是色氨酸代谢的主要途径，占色氨酸代谢的95%，色氨酸代谢参与肠-脑轴的调控，肠道菌群可通过直接和间接机制介导色氨酸对犬尿氨酸途径的调控[50]。Giménez-Gómez等[51]研究发现肠道微生物参与了酒精引起脑部色氨酸代谢的改变，在吲哚胺2，3-双加氧酶(IDO)和色氨酸2，3-双加氧酶(TDO)的作用下，色氨酸转化为犬尿氨酸，这两种酶在大脑中均表现出较低的基础活性，长期过量饮酒导致免疫系统激活，产生神经炎症反应，诱导IDO的活性，导致大脑犬尿氨酸水平的增加。有研究报道，外源性注射犬尿氨酸及其代谢物犬尿酸，可减少啮齿动物的酒精消耗[52]。

3.3 其他

有研究报道，从慢性不可预测的应激小鼠到无菌小鼠的粪便微生物移植会导致受体小鼠出现类似抑郁的行为[53－54]。Zhao等[55]将酒精中毒患者的粪便菌群移植到健康小鼠体内，发现接受酒精中毒患者粪便微生物群的小鼠表现出类似焦虑和抑郁的行为，有自发的酒精偏好，而且内侧前额叶皮质中BDNF、GABAAα1亚基减少，伏隔核中代谢型谷氨酸受体1、蛋白激酶C减少。提示肠道菌群可能对酒精偏好有重要影响。Xiao等[56]采用慢性酒精中毒和戒断小鼠模型，研究酒精戒断引起的焦虑和行为变化，并将酒精喂养小鼠的肠道微生物移植到正常小鼠中，发现酒精戒断可引发焦虑行为迹象。进一步研究显示，酒精暴露供体的肠道微生物移植会影响BDNF、促肾上腺皮质激素释放激素Ⅰ型受体和μ阿片受体编码基因的表达变化，可能导致酒精戒断引发的焦虑。

4 益生菌介导酒精对脑部的影响

益生菌是一种对宿主有益的活性微生物，主要有酵母菌、益生芽孢菌、丁酸梭菌、乳杆菌、双歧杆菌、放线菌等，摄入益生菌可改善肠道菌群的组成和功能，提高机体免疫力[57－58]。有研究报道，益生菌在治疗神经紊乱方面有一定的效果，如乳酸菌和双歧杆菌等益生菌可降低海马区GABAA受体的表达[59]，增加NMDA受体的表达[60]，并将GABA转化为谷氨酸[61]，具有潜在的改善焦虑、抑郁的作用。Hadidi Zavareh等[62]研究发现，益生菌摄入对酒精暴露动物的行为和电生理方面有不同的影响，可以改善酒精暴露大鼠的记忆。

5 研究与展望

肠道微生物可通过炎症、内毒素以及色氨酸代谢等途径影响酒精诱导脑损伤的发展。基于“微生物-肠-脑轴”理论，加强酒精诱导脑损伤的机制研究，是今后相关研究的重要方向之一。

但肠道微生物种类繁杂，从众多差异微生物中筛选出与酒精诱导脑损伤的关键菌株仍面临众多挑战；其次，微生物的组成和功能易受遗传、饮食、年龄、性别和疾病等因素的影响；而且，以动物为研究对象的实验结果对人类的适用性有待探讨；此外，“微生物-肠-脑轴”是肠道菌群通过大脑调控人体机能的主要方式，但有研究显示，肠道微生物也可以通过肠道的相关神经元，独立于中枢神经对人体机能进行调控，提示其作用方式的多样性[63]。

今后应加强对肠道菌群分类及功能分析的研究，强化对关键细菌及其代谢产物的深入分析，使其更高效的用于酒精相关脑病的机制研究；其次，应注意建立统一的实验标准，降低相关影响因素对肠道微生物特征的影响。例如，Dubinkina等[64]通过研究酒精依赖患者肠道微生物群组成与酒精依赖综合征和酒精性肝病的关系，并对肠道菌群的分类和功能组成进行多因素分析，发现酒精依赖和肝功能障碍两个主要临床因素，对酒精依赖患者肠道微生物群落及功能有不同的影响；此外，应加强微生物-肠-脑轴研究从实验到临床的转化。