微生物群通過(guò)腸-腦回路操控交感神經(jīng)元？

    腸道和大腦之間的連接監(jiān)視腸道組織及其微生物和飲食含量，調(diào)節(jié)生理腸道功能，例如營(yíng)養(yǎng)吸收和運(yùn)動(dòng)性，以及通過(guò)腦線(xiàn)喂養(yǎng)的行為。因此，有可能存在檢測(cè)腸道微生物并將其傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)區(qū)域的電路，這些區(qū)域進(jìn)而調(diào)節(jié)腸道生理。

    美國(guó)紐約Rockefeller 大學(xué)聯(lián)合日本Rockefeller 大學(xué)，于2020年7月8日發(fā)表于Nature的一篇文章“Microbiota modulate sympathetic neurons via a gut–brain circuit.” 該研究通過(guò)結(jié)合生物組學(xué)小鼠模型與轉(zhuǎn)錄組學(xué)，電路追蹤方法和功能操作，來(lái)表征微生物群對(duì)腸道相關(guān)神經(jīng)元的影響。作者發(fā)現(xiàn)腸道微生物組可調(diào)節(jié)腸道外源性交感神經(jīng)元：微生物群耗竭可導(dǎo)致神經(jīng)元轉(zhuǎn)錄因子cFos的表達(dá)增加，而無(wú)菌細(xì)菌定殖于產(chǎn)生短鏈脂肪酸的細(xì)菌會(huì)抑制腸道交感神經(jīng)節(jié)中cFos的表達(dá)?；瘜W(xué)遺傳學(xué)的操作，翻譯輪廓和順行性跟蹤確定遠(yuǎn)端腸投射迷走神經(jīng)元的子集，其定位在微生物群介導(dǎo)的腸道交感神經(jīng)元的調(diào)節(jié)中具有不同的作用。腸道壁逆行的多突觸神經(jīng)元示蹤顯示了在微生物耗竭過(guò)程中激活的腦干感覺(jué)神經(jīng)核，以及調(diào)節(jié)胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)的各種交感神經(jīng)運(yùn)動(dòng)前谷氨酸能神經(jīng)元。這些結(jié)果揭示了通過(guò)腸道-大腦回路對(duì)腸道外源性交感激活的微生物群依賴(lài)性控制。
結(jié) 果:
    外源性腸相關(guān)神經(jīng)元（eEAN）包含感覺(jué)傳入和自主神經(jīng)傳入，可同時(shí)感測(cè)腸道的多個(gè)區(qū)域，并將信息傳輸?shù)狡渌M織，且補(bǔ)充內(nèi)在EAN（iEAN）來(lái)控制腸道功能。為了確定eEAN細(xì)胞體的位置，作者將熒光逆行示蹤劑，霍亂毒素β亞基（CTB）注入了不同腸段的壁中，并解剖了伸向腸道的外在神經(jīng)節(jié)，特別是感覺(jué)結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)和背側(cè)神經(jīng)節(jié)。結(jié)果顯示，不同的腸道區(qū)域的感覺(jué)和交感神經(jīng)支配是由不重疊的周?chē)窠?jīng)元細(xì)胞群體介導(dǎo)的。轉(zhuǎn)錄核糖體的CTB示蹤對(duì)結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)的GO分析表明，無(wú)菌小鼠中與突觸信號(hào)傳導(dǎo)和神經(jīng)元激活相關(guān)的基因豐富。免疫熒光分析證實(shí)，從無(wú)菌小鼠中分離出的CG-SMG與SPF對(duì)應(yīng)物相比，顯示出更多的cFos +神經(jīng)核。這些數(shù)據(jù)表明，缺乏微生物群會(huì)導(dǎo)致腸道外源性交感神經(jīng)活動(dòng)水平升高。

    為了解決特定的微生物是否可以介導(dǎo)CG-SMG神經(jīng)元的強(qiáng)直抑制，作者將糞便從SPF供體轉(zhuǎn)移到無(wú)菌小鼠中，可使CG-SMG神經(jīng)元cFos恢復(fù)到與SPF條件相當(dāng)?shù)乃?，這表明微生物群可以抑制腸道外源性交感神經(jīng)元。用單獨(dú)的抗生素治療足以促進(jìn)交感性cFos表達(dá)，表明了細(xì)菌的特定亞群能夠抑制cFos激活。此外，一次鏈霉素的口服灌胃會(huì)導(dǎo)致灌胃后12小時(shí)和24小時(shí)CG-SMG神經(jīng)元活化，治療后5天恢復(fù)到基礎(chǔ)水平。通過(guò)將熒光CTB注射到經(jīng)廣譜抗生素治療的FosGFP小鼠回腸CG-SMG中觀察到CTB +和cFos +神經(jīng)元之間的廣泛共定位，增強(qiáng)了微生物耗竭后激活的交感神經(jīng)元投射到腸道的可能性。最后，作者發(fā)現(xiàn)對(duì)微生物耗盡的小鼠中兒茶酚胺釋放的阻滯可以挽救其胃腸道蠕動(dòng)的變化，這表明交感神經(jīng)活動(dòng)的增強(qiáng)部分歸因于這些小鼠的運(yùn)動(dòng)能力下降。這些結(jié)果表明，特定的微生物可以抑制腸道交感神經(jīng)元中cFos的表達(dá)，并且腸道特定的交感活性可以反映腸道微生物群落的變化。作者還觀察到，當(dāng)定義微生物群落時(shí)，無(wú)菌的操作導(dǎo)致CG-SMG神經(jīng)元抑制。

    SCFAs抑制交感性cFos的能力最有可能是由周?chē)倪^(guò)程介導(dǎo)的。SCFAs可以通過(guò)激活G蛋白偶聯(lián)受體抑制組蛋白脫乙?；富蛲ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)蛋白來(lái)調(diào)節(jié)靶細(xì)胞?？傮w而言，以上結(jié)果確定了SCFA和其他腸道相關(guān)代謝產(chǎn)物或體液因子是腸道交感神經(jīng)元活化的生理調(diào)節(jié)劑。從不同腸段進(jìn)行的雙重PRV示蹤表明，每個(gè)這些腦干區(qū)域中的大多數(shù)神經(jīng)元都連接到腸的多個(gè)段。這些實(shí)驗(yàn)定義了一組常見(jiàn)的傳出的運(yùn)動(dòng)前腦干神經(jīng)元，這些神經(jīng)元多突觸連接到腸道的不同區(qū)域并可以控制腸的交感神經(jīng)活動(dòng)。結(jié)果表明，谷氨酸能LPGi / RVLM腦干神經(jīng)元可以驅(qū)動(dòng)腸道交感神經(jīng)活動(dòng)，從而減慢胃腸道的運(yùn)輸。

    在鏈霉素治療后，作者觀察到NTS和術(shù)后區(qū)域的cFos表達(dá)總體增加。腦干感覺(jué)細(xì)胞核經(jīng)過(guò)調(diào)整以檢測(cè)腸道微生物群或其代謝產(chǎn)物的變化。微生物耗竭后，NTS /視網(wǎng)膜后區(qū)域中cFos表達(dá)的增加表明傳入感覺(jué)神經(jīng)元在調(diào)節(jié)腸道交感神經(jīng)活動(dòng)中具有功能性作用。腸道上皮，粘膜和肌層的外在神經(jīng)元感測(cè)主要由結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)和DRG25中的感覺(jué)傳入來(lái)執(zhí)行。
    為了確定是單獨(dú)抑制結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)還是抑制結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)和DRG都是造成這種表型的原因，作者首先使用了腸道投射TRPV1+傳入神經(jīng)元的化學(xué)和遺傳消融方法。作者發(fā)現(xiàn)這種治療方法并不能阻止CG-SMG中抗生素誘導(dǎo)的cFos表達(dá)，也不能在未治療的SPF小鼠中誘導(dǎo)cFos表達(dá)，這表明在微生物耗竭過(guò)程中，DRG感覺(jué)神經(jīng)元在激活的回路中沒(méi)有主要作用。最后，對(duì)特定迷走神經(jīng)傳入的調(diào)節(jié)足以驅(qū)動(dòng)腸道交感神經(jīng)活動(dòng)。

    此處進(jìn)行的功能，回路和基因表達(dá)研究表明，直接或間接通過(guò)上皮細(xì)胞對(duì)微生物或其代謝產(chǎn)物進(jìn)行EAN檢測(cè)是一種核心感覺(jué)系統(tǒng)，微生物組成的改變足以充分激活腸道投射神經(jīng)元。額外的CG-SMG諸如脾臟，胰臟和肝臟之類(lèi)的靶標(biāo)也可能受到微生物群的調(diào)節(jié)，可能對(duì)全身免疫和代謝產(chǎn)生影響。
結(jié) 論:
    作者確定了許多潛在的微生物群來(lái)源的信號(hào)，可以調(diào)節(jié)腸道交感神經(jīng)活動(dòng)和神經(jīng)元人口與腸突觸連接。進(jìn)一步了解自主神經(jīng)系統(tǒng)的微生物調(diào)節(jié)以及整合微生物信號(hào)的其他回路的特性，可能是了解腸道運(yùn)動(dòng)，內(nèi)臟疼痛，腸內(nèi)免疫和免疫調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。與腸腦軸有關(guān)的系統(tǒng)性疾病，是定義治療策略必不可少的知識(shí)。