低强度脉冲超声（LIPUS）调控肠-脑轴（GBA）的临床前证据、双向机制通路与转化挑战

《Medical Devices: Evidence and Research》：Effects of Low-Intensity Pulsed Ultrasound on the Gut-Brain Axis

　　

肠-脑轴（gut-brain axis, GBA）是一个参与炎症、代谢和神经行为稳态的双向通讯网络。低强度脉冲超声（low-intensity pulsed ultrasound, LIPUS）是一种非侵入性生物物理方式，可能通过声学机械转导以及下游炎症信号、上皮屏障功能、微生物生态和神经免疫活动的改变影响该轴。本小型综述综合了主要针对腹部和脑定向LIPUS的临床前证据。当前啮齿动物研究表明，腹部刺激可产生协调的肠道、全身、微生物和中枢反应，而脑定向刺激可伴随脑炎症和肠道病理的改善。肠-脑轴之外的机制研究进一步提示，机械敏感离子通道、黏着斑信号、细胞骨架重塑、核因子-κB（NF-κB）和炎症小体相关通路可能将声学力与生物学反应连接起来。然而，尚无单一研究建立从声学刺激到肠-脑通讯的完整因果序列。目前缺乏LIPUS对肠-脑轴相关疾病疗效的直接人体证据。因此，在临床转化之前，LIPUS应被视为一种有前景的临床前方法，需要标准化声学报告、独立重复、因果通路验证和疾病特异性优化。关键词：低强度脉冲超声（LIPUS）；肠-脑轴（GBA）；神经炎症；微生物调节；炎症性肠病（IBD）；非侵入性神经调控。

Introduction（引言）
肠-脑轴（GBA）是胃肠道与中枢神经系统之间的双向通讯网络，参与认知功能、代谢稳态和炎症反应。生理条件下，该轴通过迷走神经、肠神经系统及免疫-内分泌介质支持神经传递，并通过5-羟色胺、多巴胺等神经递质调节认知，通过葡萄糖依赖性促胰岛素多肽（GIP）等肠道激素调节代谢。肠道微生物群维持屏障完整性，产生短链脂肪酸（SCFAs），促进免疫耐受，从而间接支持脑健康。然而，该轴紊乱参与多种病理过程：在炎症性肠病（IBD）等炎症性疾病中，肠道屏障受损促进脂多糖（LPS）易位，诱发神经炎症，伴脑细胞因子如TNF-α和IL-6升高、小胶质细胞激活和神经元损伤；在2型糖尿病（T2D）中，肠道炎症和NLRP3相关信号可能参与胰岛素抵抗和糖稳态受损；微生物失衡和通透性增加还可提高神经退行性疾病易感性。LIPUS最初用于骨再生，现已作为非侵入性方式用于调节GBA，其可施加机械转导影响并减少持续热效应，涉及神经回路、微生物重构和炎症级联。临床前研究显示，LIPUS可增强紧密连接蛋白如occludin和ZO-1，降低细胞因子如IL-1β/TNF-α，并重塑微生物群；经腹或经颅给药在结肠炎、T2D和认知障碍模型中显示神经保护、行为和代谢指标改善。本综述聚焦LIPUS介导的GBA调节，尤其强调腹部LIPUS驱动的肠到脑信号和经颅LIPUS驱动的脑到肠调节。

LIPUS Technology（LIPUS技术）
LIPUS是一种非侵入性生物物理方式，指以脉冲波形式输出的治疗性超声，其强度显著低于常规诊断超声。能量以脉冲波形式给予以最小化热效应，使其在声暴露受控时适合重复治疗研究。然而，尚无普遍接受的强度阈值定义LIPUS，现有研究报告不同暴露量，包括声压、空间平均时间平均强度和空间峰值脉冲平均强度。

A Summary of Typical Parameters（典型参数总结）
在综述文献中，1 MHz是GBA相关研究最常用频率，但500 kHz聚焦换能器也用于直接中枢神经系统应用。核心GBA相关研究中，占空比常用20%，每日超声处理时间通常为15–20 min。强度范围约为30 mW/cm²至1.0 W/cm²；较低强度30–1000 mW/cm²用于代谢调节、认知改善和直接神经调控，较高空间平均强度0.5–1.0 W/cm²用于结肠炎和全身炎症模型的抗炎。脉冲重复频率（PRF）最常用100 Hz，也有10 Hz至1 kHz。方案常为每日15–20 min，每周3–6天，持续3–4周，刺激后3–7天评估效应。频率和占空比相对一致，但强度和PRF仍异质，尚未标准化；剂量-反应研究仍待开展。

Site of Application（应用部位）
应用部位是定义治疗策略的关键变量。腹部刺激（肠到脑通路）中，多数研究将LIPUS非侵入性施加于整个腹部，暴露肠道、邻近免疫器官、肠系膜和自主神经结构。假设是局部肠道炎症减轻、屏障恢复和微生物改善后，益处系统性传至中枢神经系统，减少神经炎症并改善神经功能。该肠到脑解释在啮齿动物结肠炎和全身炎症模型中支持最强，但微生物、迷走信号和上皮机械转导的因果贡献仍未完全明确。经颅刺激（脑到肠通路）中，较小一组研究将LIPUS直接施加于头部，旨在先调节中枢神经回路，触发自上而下信号至肠道，控制炎症、增强屏障并影响微生物环境。潜在下行通路包括自主、神经内分泌和神经免疫通路，但具体神经回路和传出机制尚未建立。

Mechanisms of LIPUS-Mediated GBA Regulation（LIPUS介导GBA调节的机制）
当前证据支持LIPUS介导GBA调节为汇聚且潜在双向的模型，而非单一线性通路。根据超声处理部位，初始反应可能主要源于脑、肠壁、腹部免疫器官或自主神经结构。这些局部反应随后可能汇聚于机械转导、固有免疫信号、上皮屏障功能、微生物代谢和神经可塑性。然而，尚无单一研究将该完整序列展示为连续因果通路。

From Acoustic Force to Cellular Signaling（从声学力到细胞信号）
在低强度脉冲条件下，超声可产生循环组织应变、声辐射力和流致剪切应力，时间平均能量沉积有限。这些力可使质膜和细胞骨架变形或改变细胞-基质黏附，从而将声学刺激转化为生化信号。在神经元模型中，超声激活Piezo1依赖的Ca²⁺内流和CaMKII/CREB–c-Fos信号。平行通路涉及整合素相关黏着斑：LIPUS可参与整合素–FAK–MAPK信号和vinculin依赖的Rac1激活，在非肠道细胞模型中产生快速肌动蛋白重塑。巨噬细胞研究提供了机械感知与抗炎信号之间最清晰的实验桥梁：在LPS激活的U937来源巨噬细胞中，PIEZO1或TRPV1阻断部分削弱LIPUS的降细胞因子效应，并减少NF-κB p65表达和核转位、增强肌动蛋白聚合和p38 MAPK相关转录变化。但该研究使用38 kHz、250 mW/cm²和90 min暴露，与多数体内GBA方案差异显著，且GBA特异性LIPUS模型中尚未证明PIEZO1、TRPV1或FAK依赖性。

Innate Immune Signaling and Barrier Regulation（固有免疫信号与屏障调节）
固有免疫信号调节是现有GBA研究中较一致的下游反应。在重复全身LPS模型中，腹部LIPUS降低皮质炎症介质，并减弱TLR4表达和NF-κB磷酸化。糖尿病小鼠中，肠区LIPUS降低肠道组织NLRP3、caspase-1和GSDMD-N。在DSS模型中，经颅LIPUS降低结肠NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β和IL-18相关信号，并伴脑Iba-1和炎症细胞因子表达降低。这些结果提示NF-κB依赖的启动和炎症小体/焦亡相关过程，但未建立LIPUS先抑制TLR4/NF-κB再抑制NLRP3的单一序列。GBA外机制研究提示，LIPUS可增强自噬，促进SQSTM1–PKM2复合形成，并通过SQSTM1依赖的PKM2降解减少成熟IL-1β产生。屏障保护可能将这些局部抗炎效应转化为肠-脑通讯：结肠occludin和ZO-1表达在腹部或经颅LIPUS后增加，循环LPS和/或LBP降低，FITC-dextran通过减少显示肠通透性改善。但全皮质裂解液中occludin和ZO-1增加应仅描述为血脑屏障（BBB）相关紧密连接蛋白表达增加，因为未直接评估BBB通透性和内皮定位。

Microbiota, Metabolites, and Neural Responses（微生物群、代谢物与神经反应）
微生物反应不如炎症或屏障效应一致。经颅LIPUS在一个DSS研究中改善结肠和海马炎症，而未显著重构整体微生物群，但特定分类群与未处理DSS组不同。在另一DSS模型中，脑表面LIPUS增加Bacteroides丰度并改变谷氨酸相关代谢；肠道和脑GABA浓度增加并与Bacteroides丰度相关。但该关联未证明细菌GABA进入循环或穿过BBB，也未进行细菌耗竭、定植、粪便微生物移植（FMT）或GABA通路阻断。后肢卸载小鼠中，LIPUS处理供体的粪便物质部分重现肠道和认知益处，支持改变后的粪便生态系统有功能贡献。然而FMT转移细菌、病毒、真菌、代谢物和其他腔内容物，未识别特定因果生物或代谢物。MK-801模型中，腹部LIPUS产生协调的微生物、神经化学和行为改变，包括微生物丰富度、NMDAR1和5-羟色胺受体相关免疫反应、VGAT相关信号以及前额叶多巴胺和5-羟色胺组织浓度变化。这些发现支持系统级耦合，但不支持神经递质释放或微生物介导因果。

Directionality and Autonomic Neuroimmune Pathways（方向性与自主神经免疫通路）
GBA调节的解剖方向仍未解决。经颅LIPUS在DSS模型中同时改善脑炎症和结肠异常，支持可能的脑到肠自上而下成分。相反，腹部刺激改善肠道病理并伴脑炎症、神经化学标志物或行为改善，符合外周到中枢通讯。但腹部场通常较宽，可能同时暴露肠、脾、肝、胰、肠系膜和自主神经结构，无法将效应归于单一腹部靶点。邻近超声文献提供可能神经通路，但不应与直接LIPUS-GBA证据混淆。脾靶向超声和腹腔丛pFUS提示自主神经-免疫界面可被招募，但使用不同靶向策略和声学方案。海马蛋白质组学在腹部和经颅LIPUS后识别共享Ras/MAPK相关候选，脾靶向超声与前额叶Notch相关基因表达变化相关，但这些组学发现为假设生成性，尚未经抑制、遗传操控或救援实验测试。

Application Evidence and Cross-Disciplinary Potential（应用证据与跨学科潜力）
LIPUS介导GBA调节的应用证据应根据每项研究对肠道和中枢结局的直接评估程度解释。最相关证据来自LIPUS后同时评估肠道病理、全身炎症或微生物信号以及脑或行为终点的模型。仅限肠道代谢、直接神经修复或外周神经免疫刺激的研究提供补充机制背景，但本身不证明GBA调节。

Inflammatory Gut–Brain Dysfunction（炎症性肠-脑功能障碍）
最一致的证据来自DSS诱导结肠炎。在腹部和脑定向刺激研究中，LIPUS与结肠损伤减少、炎症标志物降低和肠紧密连接蛋白增加相关。Gao等和Lin等还报告部分行为结局改善。这些发现支持肠道和脑异常的协调调节，但未建立单一必需GBA通讯路径。Tian等直接测量FITC-dextran通过，提供脑表面LIPUS后肠通透性改善的功能证据，并伴结肠炎症小体相关标志物和脑炎症指标降低以及微生物组成和GABA相关代谢变化，但未证明微生物或肠道GABA介导中枢效应。Lin等报告经颅刺激后海马和结肠炎症指标同时改善、结肠occludin和ZO-1增加、循环LPS和LBP降低，支持可能的自上而下GBA调节成分；但整体微生物群未全面正常化。Gao等支持腹部LIPUS后肠道、微生物、炎症和行为协调变化，但仍未建立单一因果路径。重复LPS研究提供相关但不同证据：腹部LIPUS改善部分结肠组织学指标、皮质炎症信号、胶质标志物和细胞损伤指标。但该模型主要代表全身内毒血症而非人类IBD，且两项研究来自同一实验室并使用高度相似动物、LPS方案、超声参数和评估时间点，其独立重复性需澄清。结果也呈组织和终点依赖，而非一致保护。

Neurobehavioral and Cognitive Models（神经行为与认知模型）
除结肠炎外，腹部LIPUS可产生协调的肠道和神经反应，但发现仍具有疾病模型特异性。后肢卸载小鼠中，腹部LIPUS改善肠道结构、微生物相关指标、短链脂肪酸水平、海马可塑性相关蛋白和认知表现；LIPUS处理供体粪便物质部分重现肠道和认知益处，提供相对更强的功能证据。MK-801模型中，腹部LIPUS改善部分感觉运动门控、快感缺失样和社交互动结局，并伴微生物丰富度及NMDAR1、VGAT和5-羟色胺受体相关信号变化。但前额叶多巴胺和5-羟色胺为组织浓度而非实时释放，且未进行微生物耗竭、代谢物操控、受体阻断或神经回路中断，因此证明协调反应而非微生物介导中枢效应。

Metabolic and Adjacent Cross-Organ Evidence（代谢与邻近跨器官证据）
代谢文献提供间接而非直接GBA证据。在高脂饮食/链脲佐菌素诱导的T2D小鼠中，肠区超声改善糖耐量，并伴空腹胰岛素、HOMA-IR、循环IL-1β和TNF-α降低以及肠道NLRP3–caspase-1–GSDMD相关标志物减少。但胰岛素耐量试验曲线下面积解释受LIPUS组基线血糖较低限制，且未评估脑功能、自主活动、微生物、肠促胰素或功能性肠通透性，因此更适合解释为肠道炎症或肠-代谢通路证据。在链脲佐菌素诱导的1型糖尿病小鼠中，6周腹部LIPUS改善肠道形态和紧密连接蛋白、改变微生物组成、增加乙酸、丙酸和丁酸并降低LPS，但无中枢或行为终点。跨学科研究中，脾和胆碱能抗炎通路、腹腔丛pFUS提示外周神经-免疫界面可被招募，但这些范式与多数腹部LIPUS方案不同，应作为相邻通路而非已确定的LIPUS-GBA成分。非GBA神经细胞和中枢神经系统研究报告神经突生长伴BDNF表达及ERK1/2、Akt和mTOR磷酸化增加，以及伴IL-17A/Notch1调节的髓鞘再生，但这些代表平行神经修复反应而非肠依赖脑修复。微泡辅助LIPU开放BBB应视为不同方式，其效应依赖微泡空化，不能外推至无微泡的常规腹部或经颅LIPUS。

Translational Status（转化现状）
临床转化远落后于临床前证据。在本综述识别的文献中，无对照人体研究直接证明LIPUS改善IBD、肠通透性、微生物组成、GBA相关神经行为症状或代谢功能障碍。主要人体证据为健康志愿者中间接研究：脾靶向聚焦超声以减少离体内毒素刺激后TNF产生超过2小时，24小时恢复至基线。该发现证明短期人体免疫调节反应，但未证明直接神经通路参与或对GBA疾病的治疗疗效。

Limitations and Future Directions（局限性与未来方向）
局限包括：临床前研究主要依赖啮齿动物模型，疾病模拟和结局异质；多数研究队列较小、以雄性动物为主、采用急性或亚急性模型，长期效应持久性、性别依赖性和重复长期暴露安全性未充分表征。直接人体GBA疗效证据缺失。参数变异如0.5 W/cm²在微生物重塑中较优而1.0 W/cm²在急性炎症抑制中较优，提示需要标准化。未来应开展系统剂量-反应研究，识别组织、模型和终点特异性声学暴露窗口，而非预设0.5 W/cm²或其他强度最优。应系统报告频率、强度或声压、PRF、占空比、单次时长、治疗方案、解剖靶向、耦合方法和声学校准。需进行独立、原位剂量匹配重复和腹部与脑定向刺激比较。关键终点应包括肠通透性、紧密连接表达、细胞因子谱、免疫细胞表型、迷走或自主活动、微生物组成、微生物代谢物、神经炎症和行为结局。机制实验应使用药理学或遗传调节机械敏感通道、上皮屏障破坏或救援、迷走切断或自主通路干预、抗生素介导微生物耗竭、FMT和代谢物补充，以明确微生物和免疫变化是驱动因素、相关因素还是结果。近期的分阶段临床前路径包括：标准化声学剂量并验证暴露解剖靶点；建立因果机械、免疫、自主和微生物依赖通路；在慢性、性别平衡和独立开展疾病模型中重复；定义重复暴露后长期安全性和持久性；之后才考虑人体可行性研究。

Conclusion（结论）
当前临床前证据表明，腹部和脑定向LIPUS可产生肠道炎症、上皮屏障相关标志物、全身炎症信号、选定微生物或代谢特征、神经炎症和行为的协调变化。机制研究进一步支持机械敏感通道、黏着斑信号、NF-κB相关转录、炎症小体相关反应和自主神经免疫通路的可能参与。然而，这些个别观察尚未在单一GBA模型中整合为完整因果通路，微生物介导或神经通路依赖性仍未充分建立。现有数据未识别普遍最优声学剂量，且缺乏GBA相关疾病疗效的直接人体证据。因此，LIPUS应被视为用于研究和潜在调节GBA通讯的实验性生物物理平台，而非已确立的治疗干预。