肠道5-羟色胺能迷走神经信号作为微生物群诱导高血压的关键神经中介机制

《Circulation》：Intestinal Serotonergic Vagal Signaling as a Mediator of Microbiota-Induced Hypertension

　　

背景：高血压是一项严峻的全球健康挑战，影响全球超过10亿人。尽管治疗策略不断进步，仍有相当比例的患者对现有疗法耐药。传统治疗主要聚焦于心脏、肾脏和脑靶点，但新近研究强调了肠道及其微生物群的关键作用。然而，肠道微生物群与宿主血压之间相互作用的确切机制仍不清楚。

方法：研究人员将正常血压大鼠与高血压大鼠之间的粪菌移植（FMT）、基于5-羟色胺受体3a（5HT_3a）Cre大鼠品系的交叉遗传学策略（用于激活、消融和恢复感知5-羟色胺的结肠迷走神经元）、体内钙成像与无线电遥测血压记录，以及大鼠和正常血压与高血压人类受试者（每组N=5；年龄36至75岁）结肠活检组织中肠道5-羟色胺（5-羟色胺[5-HT]）和5HT_3a受体信号测定相结合。

结果：在高血压大鼠和人类受试者中，以及接受高血压大鼠粪菌移植的大鼠中，研究人员观察到肠道5-HT和迷走神经5HT_3a受体信号均显著降低。利用Cre大鼠品系的交叉遗传学策略，研究人员证明肠道5HT_3a受体迷走神经信号是连接肠道微生物群与血压稳态的关键环节，并且恢复结肠支配迷走神经元中的5-HT信号可以缓解高血压。

结论：本文描述了一种由肠道5-羟色胺（5-HT）信号通过迷走神经5HT_3a受体介导的神经-宿主-微生物群相互作用，该作用对维持血压稳态至关重要。这一发现加深了研究人员对高血压病理生理学的理解，并揭示了针对与肠道菌群失调相关的顽固性高血压的一个有前景的新治疗靶点。

临床视角
新发现：
• 通过5-羟色胺受体3a（5HT_3a）受体感知肠道5-羟色胺的结肠支配迷走感觉神经元对于血压稳态是必要且充分的。
• 高血压肠道微生物群通过表观遗传方式抑制结肠色氨酸羟化酶1（Tph1）和5-羟色胺的生成，削弱该5-羟色胺能迷走信号并升高血压，且这一过程可通过微生物替代逆转。
• 诊断为高血压的人类受试者表现出结肠5-羟色胺、色氨酸羟化酶1和5HT_3a受体表达降低，与高血压大鼠中的发现一致。

临床意义：
• 肠道5-羟色胺能迷走神经轴是一个可外周干预、可逆的血压调节器。
• 该微生物群-肠道-脑通路为当前心脏、肾脏或中枢作用药物无法解决的顽固性高血压提供了新的治疗靶点。
• 基于微生物群、饮食和神经调控的恢复该通路的策略值得作为顽固性高血压辅助治疗手段进行研究。

**论文解读**

**研究背景与核心问题**

高血压是全球心血管、肾脏及神经系统疾病的主要危险因素，影响超过15亿人。尽管现有降压药物主要靶向心脏、肾脏和中枢神经系统，仍有高达20%的患者对至少三种降压药物无反应，即顽固性高血压（resistant hypertension）。近年来，肠道微生物群（gut microbiota）在血压调控中的作用受到广泛关注——肠道菌群失调（gut dysbiosis）与人类及啮齿类动物的高血压密切相关。然而，宿主通过何种感觉神经通路感知微生物信号并影响血压，始终是一个未被解答的核心问题。此前，研究人员发现膈下迷走神经电刺激能够改善肠道菌群失调大鼠模型的高血压进展，由此提出假说：受损的胃肠道迷走感觉信号可能参与微生物群诱导的高血压。鉴于肠道5-羟色胺（5-HT）在肠-脑信号传导中的关键作用，肠道5-羟色胺能迷走神经信号是否构成了肠道微生物群与心血管调控之间的因果通路，成为本研究聚焦的科学问题。该研究成果发表于《Circulation》。

**主要技术方法概述**

研究人员综合运用了多种关键技术手段：在正常血压Wistar Kyoto（WKY）大鼠与自发性高血压大鼠（SHR）之间进行双向粪菌移植（FMT）；利用5HT_3a受体Cre大鼠品系（LE-5HT_3a^{em1(T2A-Cre)Sage}），结合Cre依赖性和FLPo依赖性腺相关病毒（AAV）载体实施交叉遗传学策略，实现对结肠支配迷走感觉神经元的选择性激活（光遗传学，channelrhodopsin-2）、消融（Caspase 3）和5HT_3a受体恢复；采用体内双光子钙成像（GCaMP6s）同步记录迷走感觉神经元活动与无线电遥测血压；通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）进行结肠非靶向和靶向代谢组学分析；运用ELISA定量检测结肠5-HT；采用RT-qPCR、染色质免疫沉淀（ChIP）分析表观遗传修饰；同时对来自坦帕综合医院生物样本库（Tampa General Hospital Biorepository）的年龄匹配的正常血压和高血压人类受试者（每组N=5，36-75岁）结肠活检组织进行分析。

**主要研究结果**

**高血压微生物群粪菌移植降低结肠5-羟色胺并升高血压**

研究人员将SHR供体的粪便微生物群移植至抗生素预处理后的正常血压WKY受体大鼠（SHR→WKY），以WKY→WKY为对照。16S rRNA基因测序证实供体微生物群在受体中成功定植。无线电遥测记录显示，SHR→WKY组大鼠的收缩压、舒张压和平均动脉压在移植后4周开始显著升高，并持续至8周实验终点，而心率无显著变化，表明高血压微生物群足以驱动正常血压宿主持续性血压升高。非靶向代谢组学分析显示SHR→WKY受体结肠代谢物谱发生广泛改变。靶向分析发现，SHR→WKY受体结肠5-HT水平较对照组降低约4倍，而粪便色氨酸（Trp）和5-HT含量无差异，提示结肠5-HT减少源于宿主合成通路受损而非底物可用性不足或微生物来源的5-HT变化。反向FMT实验（WKY→SHR）逆转了上述改变，恢复结肠5-HT水平、Tph1表达和5HT_3a受体表达，并伴随血压下降。机制上，高血压微生物群通过降低Tph1基因启动子区组蛋白H3赖氨酸9乙酰化（H3K9ac）富集，以表观遗传方式抑制宿主结肠Tph1转录。

**人类高血压患者结肠5-羟色胺降低**

在年龄匹配的人类队列中，诊断为高血压的受试者结肠活检组织中5-HT含量显著低于正常血压对照，同时伴随Tph1和5HT_3a受体表达降低。这是首次直接证据表明结肠5-羟色胺能信号通路损伤是跨物种保守的高血压特征，为肠道源性5-羟色胺能通路参与血压调控提供了强有力的转化医学支持。

**迷走神经5-羟色胺信号在血压稳态中的关键作用**

研究人员在5HT_3aRCre大鼠的结状神经节（nodose ganglia, NG）双侧注射Cre依赖性AAV-DIO-ChR2，光遗传学激活NG^5HT3aR神经元可引起迷走传入放电即时增加，并产生约20 mm Hg的可逆性血压下降和约40次/分的心率减慢。相反，利用AAV-DIO-taCasp3-TEVp选择性消融NG^5HT3aR神经元后，大鼠血压在8周内进行性升高约18 mm Hg。这些功能获得和功能丧失实验证实，表达5HT_3a受体的迷走感觉神经元对血压稳态的维持既是充分的也是必要的。

**高血压中迷走神经对肠道源性5-羟色胺的敏感性减弱**

体内双光子钙成像结合同步遥测血压记录显示，在WKY大鼠中静脉注射5HT_3a受体特异性激动剂L-phenylbiguanide可诱发迷走感觉神经元呈剂量依赖性稳健激活，并伴随动脉血压显著下降；而在SHR中，神经元反应比例和钙信号幅度均显著减弱，血压下降幅度也明显减小。通过结肠黏膜下注射逆行示踪剂霍乱毒素B亚单位（CTB）特异性标记结肠投射神经元，双色钙成像进一步证实SHR的结肠支配迷走感觉神经元对5-羟色胺能刺激的反应显著受损。同样，SHR→WKY FMT受体也表现出减弱的L-phenylbiguanide降压反应，与SHR供体的表型一致。

**结肠迷走神经5-羟色胺信号对血压稳态和应激反应的关键作用**

通过结肠注射AAVrg-DIO-ChR2结合NG光刺激，选择性激活结肠支配的NG^5HT3aR神经元可引起快速显著的血压下降，但心率效应较小，提示心率调控涉及其他不支配结肠的5HT_3a受体阳性迷走神经元群。利用AAVrg-DIO-FLPo与AAV-fDIO-taCasp3-TEVp的交叉遗传学策略（CRE/FLPo双重组酶系统）选择性消融结肠NG^5HT3aR神经元后，大鼠血压在8周内进行性升高约9 mm Hg，心率不受影响，肠道微生物群组成无显著变化。此外，消融组大鼠对急性束缚应激和皮下血管紧张素II（ANGII）持续输注均表现出显著增强的升压反应，表明肠道5-羟色胺能迷走神经信号对应激诱发的高血压具有缓冲作用。

**恢复结肠迷走神经5-羟色胺信号可缓解菌群失调诱导的高血压**

在SHR/5HT_3aRCre大鼠中，通过结肠注射AAVrg-DIO-FLPo联合NG注射AAV-fDIO-5HT_3aR，选择性增加结肠支配NG^5HT3aR神经元中5HT_3a受体的表达（约30%），可显著减缓高血压的进行性发展。辅以饮食中5%色氨酸补充一周后，结肠5-HT水平升高，降压效果进一步增强，而肠道微生物群落结构和多样性未发生改变。该结果表明，在不重塑微生物群的情况下，联合恢复受体表达和配体可用性即可减轻菌群失调相关高血压。

**讨论与结论**

本研究首次鉴定出一群结肠支配、响应5-HT的迷走感觉神经元，揭示了其在肠道微生物群与心血管系统之间信息传递中的核心角色。研究人员将这一机制纳入"神经微生物感知"（neurobiotic sensing）框架——即宿主通过特定神经通路感知共生微生物分子信号并调控系统性生理功能的新兴概念——并将其扩展到心血管生理学领域。研究结果表明，高血压微生物群通过降低Tph1启动子区H3K9乙酰化以表观遗传方式抑制结肠5-HT合成，削弱结肠支配迷走神经元的5HT_3a受体信号传导，从而导致血压调控失衡；而通过微生物替代或直接恢复迷走神经元的5HT_3a受体表达均可逆转这一病理过程。人类结肠活检数据为该通路的临床转化价值提供了初步但有力的支持，尽管样本量较小且以女性为主，未来需要更大规模、更多样化人群的纵向研究加以验证。论文结论指出：由肠道5-羟色胺（5-HT）信号通过迷走神经5HT_3a受体介导的神经-宿主-微生物群相互作用对维持血压稳态至关重要；这一发现不仅加深了对高血压病理生理学的认识，也为针对肠道菌群失调相关顽固性高血压提供了基于微生物群调控、饮食干预和神经调控相结合的全新治疗策略。