生命早期肠道微生物群通过神经免疫互作调控肠脑轴发育的机制与意义

《International Immunology》：Microbiota regulation of gut-brain neuroimmune crosstalk in early life

本综述聚焦生命早期肠道微生物群如何通过代谢产物调控神经免疫互作，进而影响肠脑轴发育。研究人员系统阐述了微生物群通过短链脂肪酸（SCFAs）、色氨酸衍生物（如吲哚）等代谢产物，调节肠道神经系统（ENS）成熟、免疫细胞功能（如ILC3s、Tregs）及中枢神经系统（CNS）发育，揭示了早期菌群紊乱（如早产、抗生素使用）与神经发育疾病（如自闭症谱系障碍ASD）的潜在关联。该研究为通过靶向微生物群干预神经免疫相关疾病提供了新视角，对促进婴幼儿长期健康具有重要意义。

　　

在生命最初的阶段，人体的免疫系统和神经系统都处于高度可塑的状态，它们之间进行着复杂而精密双向对话。这种神经免疫的互动对于建立出生后的免疫耐受、肠道和大脑的发育，以及应对环境挑战都至关重要。而在这个过程中，一个看似不起眼的角色——肠道微生物群，正发挥着令人惊讶的调控作用。它们定居在婴儿的肠道内，通过产生各种各样的代谢产物，如同信使一般，同时影响着免疫细胞和神经细胞的功能。然而，现代生活中的一些常见情况，如早产、抗生素的广泛使用等，都可能打乱生命早期肠道微生物群的正常建立过程，这种早期菌群的紊乱，越来越多地被研究与长期的免疫问题或神经发育障碍，如焦虑、抑郁和自闭症谱系障碍（ASD）的风险增加联系在一起。那么，这背后的具体机制是什么？微生物群究竟是如何精确地调控着早期的神经免疫对话呢？为了回答这些问题，研究人员Purnima Ravisankar、Daniel Sen Hoi Wong和Melody Y. Zeng在《International Immunology》上发表了综述文章，系统梳理了当前关于生命早期微生物群调控肠脑神经免疫互作的最新理解。

为了系统阐述这一复杂议题，研究人员主要基于对大量已有临床观察、动物模型研究（如无菌小鼠、抗生素处理小鼠、基因敲除小鼠模型）以及人体队列研究数据的整合分析，而非进行单一的实验研究。这些关键的研究手段使得能够从不同层面验证微生物群、其代谢产物、免疫细胞和神经系统之间的因果关系和分子机制。例如，通过比较无菌小鼠与常规饲养小鼠的神经发育和免疫状态，可以揭示微生物群的必要性；通过给无菌小鼠移植特定人群（如ASD患者或健康个体）的粪便微生物群，可以探究特定菌群组成的功能影响；利用细胞共培养体系则有助于阐明神经元与免疫细胞之间的直接通讯机制。

1. 微生物对肠道神经系统发育的影响

1.1 肠道神经系统的发育

肠道神经系统（ENS）是一个嵌入胃肠道的复杂神经元和胶质细胞网络，负责调节肠道运动、屏障功能、营养感知和免疫反应。研究表明，新生儿肠道菌群的定植与ENS的发育成熟密切相关。无菌小鼠或早期使用抗生素扰乱菌群的小鼠，表现出肠道神经元多样性降低、肠道动力受损以及神经发生障碍。这提示早期微生物信号的缺失会对ENS的结构和功能产生长期负面影响。

1.2 子宫内ENS发育

ENS起源于胚胎发育早期从神经管迁移至肠道的神经嵴细胞。虽然目前证据表明子宫内可能不存在活的细菌，但母体微生物群衍生的代谢物，如短链脂肪酸（SCFAs）和芳基烃受体（AhR）配体（如吲哚），可以通过胎盘或羊水到达胎儿体内。动物研究发现，这些微生物依赖性代谢物能够促进胎儿大脑中丘脑到皮层的轴突生长，缺乏这些信号会导致成年后触觉敏感度异常。在肠道中，AhR在肠道神经元中作为生物传感器，将管腔内的细菌AhR配体与肠道蠕动联系起来，但其在胎儿ENS发育中的具体作用尚待研究。

1.2.1 小肠ENS

小肠的ENS神经元密度较高，富含乙酰胆碱、血清素等兴奋性神经递质，以及P物质、血管活性肠肽（VIP）等神经肽。其中，TRPV1⁺伤害性感受神经元在近端小肠尤为密集，它们能感知病原体并释放降钙素基因相关肽（CGRP），通过调节派尔集合淋巴结M细胞密度和 resident 细菌（如分节丝状细菌SFB）的丰度，来对抗沙门氏菌感染，起到宿主保护作用。

1.2.2 结肠ENS

结肠的ENS结构更为复杂，神经元密度相对较低但更具异质性。其神经递质以乙酰胆碱（ACh）、血清素（5-HT）、一氧化氮（NO）和VIP为主，抑制性运动神经元比例较高，以支持结肠的储存功能。结肠ENS靠近密集的微生物群，对微生物驱动的血清素释放更为敏感，影响内脏感觉和肠脑通讯。在炎症性肠病（IBD）等病理状态下，结肠ENS表现出独特的神经可塑性。

2. 微生物群对ENS成熟和功能的调节

2.1 母体微生物群和母乳

母体微生物群衍生的代谢物可以通过胎盘或母乳传递给后代。母乳富含神经营养因子（如BDNF、GDNF）、胰岛素样生长因子-1（IGF-1）、转化生长因子-β（TGF-β）以及色氨酸前体等，这些成分支持神经嵴细胞迁移、ENS网络形成和神经元/胶质细胞发育。此外，母乳中的微生物和人类母乳低聚糖（HMOs）有助于建立健康的婴儿肠道菌群，进而促进ENS成熟。

2.2 产后微生物群

产后肠道菌群的定植和多样化驱动了肠道黏膜内肠胶质细胞的扩张和神经元的成熟。无菌小鼠肠道黏膜胶质细胞密度降低、神经发生受损，而引入正常菌群可以逆转这些缺陷，且这种拯救效应与年龄无关。菌群通过其代谢产物，如由母乳中常见的双歧杆菌等产生的芳香乳酸，以及菌群发酵产生的短链脂肪酸（SCFAs，如乙酸、丙酸、丁酸），来促进肠神经元和胶质细胞的存活、生长及网络功能。

2.3 微生物群对肠道TRPV1⁺伤害性感受器的影响

TRPV1⁺伤害性感受器能感知肠道内的疼痛、机械应力、化学刺激和炎症信号。微生物群通过代谢物和免疫介质调节其敏感性。无菌小鼠对辣椒素诱导的疼痛反应迟钝，TRPV1向膜运输减少，表明菌群驱动伤害性感受器的成熟。早期菌群定植通过诱导肥大细胞产生神经生长因子（NGF），调节TRPV1的运输，从而设定成年期伤害性感受器的敏感度阈值。此外，TRPV1⁺神经元激活后释放的CGRP能下调肠道内的RORγt⁺调节性T细胞（Treg），这种RORγt⁺Treg在断奶前后由菌群诱导产生，对维持肠道免疫耐受至关重要。因此，TRPV1⁺神经元在调节早期肠道炎症和免疫耐受中扮演着保护性角色。

3. 肠道ENS与免疫细胞的相互作用

3.1 巨噬细胞与ENS

肠道巨噬细胞与肌间神经丛的神经元紧密相邻。胚胎来源的肌层巨噬细胞的维持依赖于肠道神经元产生的集落刺激因子1（CSF-1）。而巨噬细胞则以微生物依赖的方式产生骨形态发生蛋白2（BMP2），促进肠神经元的生长和增殖。耗竭CX3CR1⁺巨噬细胞会导致肌间神经丛神经元凋亡增加。肠道神经元回路在微生物感知和调节下游免疫反应中起关键作用，例如，交感神经元释放的去甲肾上腺素可通过β2肾上腺素能受体（β2AR）信号调节肌层巨噬细胞的基因表达，促进神经元保护和组织修复。

3.2 先天淋巴样细胞

第3组先天淋巴样细胞（ILC3s）在新生儿肠道黏膜丰富，通过产生白细胞介素-22（IL-22）维持屏障完整性和防御病原体。菌群通过代谢物（如AhR配体）或间接通过上皮细胞和髓系细胞塑造ILC3的反应。ILC3表达神经调节受体RET和血管活性肠肽受体2（VIPR2）。ENS在食物刺激下释放VIP，通过VIPR2抑制ILC3产生IL-22，进而影响SFB的生长和脂质吸收。第2组先天淋巴样细胞（ILC2s）则能被肠道神经元表达的神经调节肽U（NMU）直接激活，促进2型免疫反应；而降钙素基因相关肽（CGRP）则负向调节ILC2。

3.3 调节性T细胞

研究发现Foxp3⁺调节性T细胞（Treg）与表达一氧化氮合酶（NOS1）的神经元纤维在固有层共定位。神经元产生的白细胞介素-6（IL-6）是抑制Treg诱导的主要因子。肠道Treg的产生与生命早期菌群的成熟同步，提示ENS在新生儿肠道免疫耐受调节中可能发挥作用。

3.4 ENS来源的神经递质在调节肠道免疫细胞中的作用

菌群能合成或诱导宿主合成神经递质，如血清素、乙酰胆碱、多巴胺和γ-氨基丁酸（GABA），从而调节肠道神经网络和免疫反应。

3.4.1 血清素 新生儿肠道细菌能直接合成血清素（5-HT），并促进对口服抗原和共生菌的Treg反应和耐受。在成年肠道，菌群间接调节肠嗜铬细胞产生5-HT。5-HT信号还参与巨噬细胞介导的肠道干细胞自我更新。

3.4.2 γ-氨基丁酸 肠道神经元产生的GABA通过代谢型GABA-B受体信号作用于ILC3s，在鼠柠檬酸杆菌感染时调节ILC3反应，缺乏GABA-B信号会导致IL-17产生增加和更严重的结肠炎。

3.4.3 乙酰胆碱 乙酰胆碱（ACh）作为ENS的主要兴奋性神经递质，可通过毒蕈碱或烟碱受体影响免疫细胞和杯状细胞。菌群信号紊乱会通过毒蕈碱受体信号增加杯状细胞相关通道（GAPs）的形成，影响中性粒细胞浸润和炎症因子水平。

4. 肠道微生物群在肠脑免疫轴中的作用

生命早期是微生物群、免疫系统和神经发育动态变化的关键时期。无菌小鼠表现出广泛的行为和认知缺陷，如社交能力降低、重复行为增加等，这些缺陷可通过定植特定细菌物种部分逆转，且存在性别差异。

4.1 微生物群在调节自闭症样行为中的作用 定植乳酸杆菌等细菌可通过迷走神经信号影响中枢神经系统（CNS）回路，缓解焦虑和ASD样症状。将ASD患者粪便微生物群移植给无菌小鼠，会使小鼠出现类似ASD的行为，并伴随代谢物（如弱GABA_A受体激动剂5-氨基戊酸和牛磺酸）水平变化，补充这些代谢物可改善行为。

4.2 微生物群调节肠脑免疫轴的机制 肠脑通讯是双向的。微生物代谢物（如SCFAs）可增强血脑屏障（BBB）完整性；迷走神经感知肠道信号（如血清素、蔗糖刺激肠内分泌细胞释放谷氨酸）并传递至CNS；肠道还可通过免疫系统产生细胞因子或使免疫细胞迁移至CNS来影响大脑。

4.3 ENS-CNS通讯 迷走神经是ENS与CNS双向通讯的主要通道。生命最初2-3年是迷走神经髓鞘化和脑干核团突触可塑性的关键期，受母乳营养、菌群和抗生素影响。ENS产生的神经递质和神经肽也可通过血流或局部效应影响CNS。

5. 生命早期免疫对神经发育的调节

神经发育涉及神经元和胶质细胞的生成以及神经连接的建立和调控。小胶质细胞介导的突触修剪等过程对神经发育至关重要。

5.1 先天免疫细胞 星形胶质细胞产生的IL-33信号可引导小胶质细胞吞噬突触。ILC2s能通过IL-13增加抑制性突触数量。这些免疫细胞可能成为菌群产物影响神经发育的靶点。

5.2 小胶质细胞 早期肠道炎症或抗生素处理可改变小胶质细胞的形态和基因表达，且存在性别差异，这与性激素和X染色体基因有关。早期定植双歧杆菌可改善无菌小鼠的小胶质细胞形态和突触密度缺陷，此过程部分依赖迷走神经信号。

5.3 适应性免疫细胞 脑膜中存在调节性T细胞（Treg），能抑制脑实质内的炎症反应，其数量受菌群调节。耗竭这些Treg会导致脑内T细胞浸润、小胶质细胞激活加剧、神经发生受损和记忆障碍。脑屏障处也存在B细胞，但其在早期神经发育中的作用尚不清楚。

5.4 母体免疫细胞 母体免疫激活（MIA）可导致母体IL-17A等细胞因子水平升高，影响胎儿大脑发育（如皮质层神经元减少），并引起子代ASD样行为。母体肠道菌群（如分节丝状细菌SFB促进TH17反应）是MIA所必需的。过量IL-6和IFN-γ等细胞因子也被证明会干扰正常的神经发育通路。人类流行病学数据也支持母体炎症与子代神经发育障碍的关联。

综上所述，这篇综述强调了生命早期平衡的微生物群-神经免疫互作对于支持神经免疫发育和长期肠脑健康的重要性。研究表明，肠道微生物群产生的大量代谢产物、蛋白质和脂质，通过其在不同免疫细胞和神经元上的传感器及信号通路，精细调控着ENS的成熟、免疫细胞的功能（如ILC3s, Tregs）以及CNS的发育。生命早期免疫和神经系统的未成熟性和可塑性使其对微生物群的扰动（如早产、抗生素使用）特别敏感，这与神经发育疾病风险增加相关。未来研究的关键在于识别生命早期驱动中枢和外周神经系统神经免疫对话的具体微生物菌株和代谢物，从而为通过靶向微生物群优化ENS-免疫互作或肠脑神经免疫对话，预防和治疗相关疾病开辟新的途径。尽管小鼠模型提供了大量机制性见解，但物种间解剖生理差异等因素要求我们在将研究发现推向人类应用时需保持谨慎。