潘忠德 鞠培俊 謝雯 張雪瑩△ 朱翠珍
(1. 司法鑒定科學(xué)研究院;上海市法醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室司法部司法鑒定重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;上海市司法鑒定專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái) 上海 200061;2. 上海市精神衛(wèi)生中心;上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院;上海市重性精神病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;上海 201100;3. 安徽醫(yī)科大學(xué)附屬心理醫(yī)院神經(jīng)癥科;合肥市第四人民醫(yī)院神經(jīng)癥科;安徽省精神衛(wèi)生防治中心神經(jīng)癥科;安徽 合肥 230022;4. 安徽醫(yī)科大學(xué)附屬心理醫(yī)院科教科;合肥市第四人民醫(yī)院科教科;安徽省精神衛(wèi)生防治中心科教科;安徽 合肥 230022)
精神分裂癥是一種病因未明的重型精神疾病,人群中發(fā)病率約為1%,具有高復(fù)發(fā)率、高致殘性及高自殺率的特征,以思維、情感、認(rèn)知功能損害及行為的紊亂為主要癥狀,嚴(yán)重影響患者的社會(huì)功能[1]。2016年的流行病學(xué)調(diào)查顯示,中國(guó)的精神分裂癥患者人數(shù)已達(dá)800萬(wàn),已經(jīng)成為全球首位精神疾病負(fù)擔(dān)大國(guó)[2]。目前,精神分裂癥的病因尚未闡明,臨床療效欠佳,且缺乏有效措施控制疾病的發(fā)展,造成疾病反復(fù)發(fā)作,多數(shù)患者需要終身服藥。因此當(dāng)前迫切需要開(kāi)展精神分裂癥的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)研究,及早實(shí)施針對(duì)病因的干預(yù)措施。目前精神分裂癥被認(rèn)為是一種由遺傳和環(huán)境因素共同作用引起的疾病,遺傳因素決定個(gè)體的疾病易感性,遺傳因素和環(huán)境因素的交互作用決定個(gè)體是否發(fā)病[3,4]。通過(guò)腸道微生物與大腦相互交流的細(xì)菌-腸-腦軸機(jī)制(Brain microbe gut axis,MGB)已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)之一。腸道微生物與中樞神經(jīng)系統(tǒng)密切相關(guān),菌群失衡改變腸粘膜,進(jìn)而通過(guò)神經(jīng)內(nèi)分泌、免疫、代謝等途徑相互作用,相互影響,形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系,產(chǎn)生不同的行為表型,從而改變腦功能?,F(xiàn)有研究顯示,MGB信號(hào)傳導(dǎo)的機(jī)制十分復(fù)雜,尚未完全闡明,因此研究腸道菌群在腸-腦軸中的介導(dǎo)機(jī)制對(duì)精神分裂癥病因?qū)W的探索至關(guān)重要,對(duì)精神分裂癥的臨床治療具有指導(dǎo)意義。本綜述主要闡述腸道菌群的介導(dǎo)機(jī)制在精神分裂癥中的最新研究進(jìn)展。
研究顯示,人體腸道內(nèi)寄居著包括細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌和病毒等104個(gè)微生物,其中以厚壁菌和擬桿菌為主的細(xì)菌占99%[5]。腸道微生物承載的基因比人體多100倍,承載的蛋白質(zhì)編碼基因數(shù)超過(guò)人類基因組蛋白編碼基因的100倍[6]。胎兒暴露于母體的微生物產(chǎn)物中,如次級(jí)代謝產(chǎn)物、發(fā)酵產(chǎn)物、脂多糖和/或肽聚糖,分娩時(shí)母體的微生物可以轉(zhuǎn)移到羊水和胎盤中,加速在胎兒腸道的定植。在大腸桿菌營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株短暫定植的無(wú)菌小鼠分娩期間,母體腸道產(chǎn)生的微生物代謝物可以到達(dá)胎兒室,并在產(chǎn)前誘導(dǎo)特定的發(fā)育程序。隨著新生兒與外界環(huán)境的接觸增多及飲食變化,腸道內(nèi)微生物種類和數(shù)量隨之增加,大約到3歲時(shí),形成相對(duì)穩(wěn)定的類似成人的腸道微生態(tài)[7,8]。近年來(lái)科學(xué)界將目光聚焦于腸道菌群對(duì)腦的發(fā)育和功能的影響,研究發(fā)現(xiàn),腸道菌群在小鼠的小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育和成熟中發(fā)揮核心作用,完整的腸道微生物可調(diào)節(jié)髓鞘的形成,而無(wú)菌小鼠的小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育停滯,并維持在未成熟狀態(tài),且與髓鞘形成相關(guān)基因Mag、Mbp、Mobp、Mog和Plp1顯著上調(diào),前額葉皮質(zhì)髓鞘增厚,干擾腦的正常發(fā)育[9]。研究還提示,影響血腦屏障通透性的關(guān)鍵緊密連接蛋白Occludin 和 Claudin-5 在無(wú)菌小鼠中表達(dá)減少,使得血腦屏障對(duì)大分子的通透性增加,細(xì)菌的菌壁等大分子物質(zhì),可以穿過(guò)胎盤,到達(dá)胎兒大腦,通過(guò)增加前腦發(fā)育和神經(jīng)發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子Foxg1的表達(dá),誘導(dǎo)額葉皮質(zhì)神經(jīng)元的增殖[10-12]。這些研究提示腸道菌群在神經(jīng)發(fā)育中起到至關(guān)重要的作用。
MGB是一個(gè)復(fù)雜的雙向傳導(dǎo)系統(tǒng),腸道菌群可以通過(guò)神經(jīng)、內(nèi)分泌、免疫和腸神經(jīng)系統(tǒng)等多種途徑影響大腦。越來(lái)越多的研究表明腸道菌群作為環(huán)境因素可能參與多種神經(jīng)精神疾病的發(fā)生,如自閉癥、強(qiáng)迫癥、焦慮癥、抑郁癥、帕金森病、癲癇等疾病[13-16]。當(dāng)腸道微生物穩(wěn)態(tài)被打破,黏膜屏障完整性被破壞,腸道微生物通過(guò)不同方式整合腸道屏障功能做出調(diào)整,首先,它通過(guò)消耗重要資源和生長(zhǎng)因子來(lái)防止有害細(xì)菌的定植。在腸道微生物群區(qū)系水平的改變中,病原微生物有機(jī)會(huì)定植于腸道上皮并釋放毒素,參與局部免疫并介導(dǎo)炎癥的發(fā)生,由補(bǔ)體啟動(dòng)的免疫反應(yīng)被激活,一些腸道衍生信號(hào)分子進(jìn)入腦中,向星型膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)出信號(hào),引發(fā)次級(jí)炎癥免疫反應(yīng)[17]。其次,基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在結(jié)腸炎模型小鼠中,添加含有乳酸桿菌或雙歧桿菌等益生菌可調(diào)整腸道跨膜蛋白Claudin 3的表達(dá),這些跨膜蛋白可以直接增加腸道上皮連接的緊密性和粘液的產(chǎn)生,從而改善腸道屏障的完整性[18]。腸道微生物的產(chǎn)物短鏈脂肪酸和胰高血糖素樣肽-2等能夠增強(qiáng)屏障成分的增殖和功能性營(yíng)養(yǎng)因子的產(chǎn)生。當(dāng)腸道粘膜免疫細(xì)胞與細(xì)菌及其代謝物(如脂多糖)和外源性肽的過(guò)度接觸可引起強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)和炎性細(xì)胞因子的釋放,甚至一些神經(jīng)活性代謝物移位后可直接影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)。
最近針對(duì)自閉癥譜系障礙的研究發(fā)現(xiàn),患兒腸道糞便或胃腸道活檢樣本厚壁菌水平升高,擬桿菌水平降低,真菌生物多樣性降低,酵母菌和曲霉豐度與健康兒童存在差異,且腸道微生物的免疫調(diào)節(jié)可能是介導(dǎo)自閉癥的關(guān)鍵,而小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和外周免疫細(xì)胞可能在其中發(fā)揮重要作用,激活了多種信號(hào)通路[19]。針對(duì)抑郁癥的研究發(fā)現(xiàn),類桿菌、副桿菌和大腸桿菌都能表達(dá)人體主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)(γ-氨基丁酸)的產(chǎn)生途徑, 類桿菌的相對(duì)豐度水平與抑郁癥相關(guān)的腦信號(hào)呈負(fù)相關(guān)[20]。研究還發(fā)現(xiàn),癲癇發(fā)作的易感性可以通過(guò)糞便微生物移植轉(zhuǎn)移給無(wú)菌小鼠,難治性癲癇的替代療法—生酮飲食會(huì)影響患者腸道菌群的組成和功能成分[21]。以上研究都揭示,腸道菌群紊亂可能介導(dǎo)了與神經(jīng)精神疾病發(fā)生和發(fā)展。
基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn),精神分裂癥模型小鼠糞便微生物β多樣性與對(duì)照組存在差異性[22],腸道菌群代謝可以產(chǎn)生多種與精神分裂癥發(fā)病機(jī)制相關(guān)的神經(jīng)遞質(zhì),如乳桿菌和雙歧桿菌產(chǎn)生γ-氨基丁酸,念珠菌、鏈球菌、大腸桿菌和腸球菌產(chǎn)生5-羥色胺,芽孢桿菌和沙雷氏菌產(chǎn)生多巴胺。Yang Shen等的臨床研究揭示,精神分裂癥患者糞便及血液中特異性微生物群較對(duì)照組具有更高的α和β多樣性,在門的水平上,變形菌的豐度顯著增加,在屬的水平上,琥珀弧菌、巨球菌、梭狀芽孢桿菌、克雷伯氏菌和甲烷短桿菌相對(duì)豐都顯著升高[23,24];而布氏桿菌、糞球菌、玫瑰球菌的相對(duì)豐度降低。研究還發(fā)現(xiàn),首發(fā)精神病患者糞便中乳桿菌科、鹽硫桿菌科、布魯氏菌科和小球菌科的相對(duì)比例增加,而細(xì)脈菌科比例相對(duì)降低,且乳酸菌群數(shù)量和精神病性癥狀的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[25]。含有乳酸菌和雙歧桿菌的益生菌和維生素聯(lián)合用于精神分裂癥患者可以顯著改善其臨床癥狀[26],而使用抗生素可改變腸道菌群區(qū)系,增強(qiáng)抗精神病藥物作用[12],進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),慢性重型精神分裂癥患者尸腦標(biāo)本的基因分型和多態(tài)性檢測(cè)中顯示,編碼細(xì)胞周期D1和D2的基因表達(dá)增加,而編碼抑制細(xì)胞周期的Kip基因表達(dá)減少,膠質(zhì)祖細(xì)胞傾向于保持增殖,OLIG2和ERBB4之間的相互作用以及OLIG2和CNP之間的相互作用都會(huì)增加患疾病風(fēng)險(xiǎn)[27]。以上研究均提示腸道菌群的異常與精神分裂癥的發(fā)生和發(fā)展有著密切的聯(lián)系。
隨著精神分裂癥在腸道菌群領(lǐng)域的研究愈加深入,利用腸道微生物改善精神分裂癥患者病情獲得更多期待。目前,在腸道菌群相關(guān)研究中,16SrRNA測(cè)序具有高度的保守性和特異性,已成為應(yīng)用最廣泛的病原菌檢測(cè)方法。但是16SrRNA的分類精度有限,一般情況下能精確分類到屬(Genus)水平。近年來(lái)腸道菌群宏基因組學(xué)技術(shù)漸漸興起,為更復(fù)雜菌群精細(xì)分析和功能預(yù)測(cè)提供可能。宏基因組測(cè)序所得信息包括微生物整個(gè)遺傳物質(zhì)的總和,無(wú)須分離和培養(yǎng)微生物,直接提取樣本的全部遺傳信息,構(gòu)建宏基因組文庫(kù)或根據(jù)rDNA數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)引物,發(fā)現(xiàn)不可或難培養(yǎng)的微生物,全面分析微生物的種群結(jié)構(gòu)、功能活性,并且允許在發(fā)育過(guò)程中詳細(xì)跟蹤特定細(xì)菌菌株對(duì)個(gè)體的定植[28,29]。Xu等人首次使用鳥槍法對(duì)精神分裂癥患者的腸道菌群進(jìn)行研究,他們發(fā)現(xiàn)谷氨酸合成酶在精神分裂癥患者中更加活躍,且高谷氨酸合成酶活性與腸道IgA水平相關(guān)的腸道微生物群分類的改變有關(guān)[30]。最近一項(xiàng)基于171個(gè)樣本的全宏基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn),在總共360個(gè)宏基因組操作分類單元(Molecular taxon,MOTU)中,83個(gè)MOTU在未用藥患者和對(duì)照組患者之間的相對(duì)豐度存在顯著差異,并且證實(shí)與色氨酸代謝相關(guān)的MGB參與精神分裂癥的發(fā)病機(jī)制[29,31]。
隨著這些先進(jìn)的腸道菌群檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)家們聯(lián)合“豐度原則”的策略來(lái)分析各種腸道微生物的DNA數(shù)據(jù),更多腸道微生物的發(fā)現(xiàn)以及各個(gè)菌落區(qū)系之間關(guān)系的厘清,人體腸道微生物地圖的全景被描繪,這將顯著提升人們對(duì)疾病的理解,為未來(lái)科學(xué)家通過(guò)特異性的增加或刪除某些細(xì)菌的精準(zhǔn)方式來(lái)治療疾病提供了可能??茖W(xué)家們嘗試了很多的方法去調(diào)整和改善腸道菌群,例如,飲食和藥物干預(yù)等。但因基因背景、飲食方式及飲食的構(gòu)成等多種復(fù)雜因素的作用,人們很難創(chuàng)建出精準(zhǔn)的飲食策略,并能清晰闡明其對(duì)宿主微生物影響的因果關(guān)系。迄今為止,補(bǔ)充益生菌、益生元和糞便微生物移植(Fecal Microbiota Transplantation,F(xiàn)MT)干預(yù)研究顯示積極結(jié)果,例如可以調(diào)節(jié)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、恢復(fù)腸道通透性和改變微生物組成等[32],但支持其改善患者臨床癥狀的研究尚有限,Ryo Okubo等人的實(shí)驗(yàn)證明服用4周的短雙歧桿菌A1可以降低精神分裂癥患者的PANSS評(píng)分[33,34]。FMT是一種安全的途徑,未曾有嚴(yán)重不良反應(yīng)的報(bào)道,可以完全重組受者的微生物群落,提高益生菌功效,已經(jīng)被確定為治療難辨梭狀芽胞桿菌感染的標(biāo)準(zhǔn)方法之一[35],但目前在精神分裂癥患者中進(jìn)行FMT治療的研究尚少。因此,將腸道菌群應(yīng)用到精神分裂癥的臨床中未來(lái)尚需要更多的研究驗(yàn)證。就相對(duì)豐度而言,人類要到成年后才能形成保持相對(duì)穩(wěn)定比例的成熟的特征性分類群,腸道細(xì)菌物種自然組合的形成受兩個(gè)主要因素影響,一個(gè)是外源宿主的飲食成分(例如植物聚糖),另一個(gè)是內(nèi)源的宿主分泌物(例如相關(guān)的聚糖),通過(guò)對(duì)輸送到腸道的植物聚糖(膳食纖維)的干預(yù)去調(diào)節(jié)成年人類腸道菌群的療法將具有廣闊的應(yīng)用前景[36]。
更深入的了解腸道微生物群,解析不同種類細(xì)菌之間的相互作用,根據(jù)不同疾病開(kāi)發(fā)出多種個(gè)性化療法,可能會(huì)為解決精神分裂癥這一世界性難題提供新的探索方向。理想情況下,我們將能夠在腸道系統(tǒng)中添加或刪除特定的細(xì)菌,或是將噬菌體改造成特定的抗菌藥物,改善腸道菌群的生存環(huán)境,對(duì)于對(duì)抗細(xì)菌感染及免疫狀態(tài)特異性調(diào)整,特別是在抗生素耐藥性問(wèn)題日益嚴(yán)峻、免疫、神經(jīng)精神類疾病的治療上提供潛在的靶點(diǎn),讓更多的患者受益[30]。