微生物群通過腸-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，例如營養(yǎng)吸收和運動性，以及通過腦線喂養(yǎng)的行為。因此，有可能存在檢測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，來表征微生物群對腸道相關(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，而無菌細(xì)菌定殖于產(chǎn)生短鏈脂肪酸的細(xì)菌會抑制腸道交感神經(jīng)節(jié)中cFos的表達(dá)。化學(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程中激活的腦干感覺神經(jīng)核，以及調(diào)節(jié)胃腸道轉(zhuǎn)運的各種交感神經(jīng)運動前谷氨酸能神經(jīng)元。這些結(jié)果揭示了通過腸道-大腦回路對腸道外源性交感激活的微生物群依賴性控制。
結(jié) 果:
    外源性腸相關(guān)神經(jīng)元（eEAN）包含感覺傳入和自主神經(jīng)傳入，可同時感測腸道的多個區(qū)域，并將信息傳輸?shù)狡渌M織，且補(bǔ)充內(nèi)在EAN（iEAN）來控制腸道功能。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)域的感覺和交感神經(jīng)支配是由不重疊的周圍神經(jīng)元細(xì)胞群體介導(dǎo)的。轉(zhuǎn)錄核糖體的CTB示蹤對結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)的GO分析表明，無菌小鼠中與突觸信號傳導(dǎo)和神經(jīng)元激活相關(guān)的基因豐富。免疫熒光分析證實，從無菌小鼠中分離出的CG-SMG與SPF對應(yīng)物相比，顯示出更多的cFos +神經(jīng)核。這些數(shù)據(jù)表明，缺乏微生物群會導(dǎo)致腸道外源性交感神經(jīng)活動水平升高。

    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導(dǎo)致灌胃后12小時和24小時CG-SMG神經(jīng)元活化，治療后5天恢復(fù)到基礎(chǔ)水平。通過將熒光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的變化，這表明交感神經(jīng)活動的增強(qiáng)部分歸因于這些小鼠的運動能力下降。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，無菌的操作導(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圍的過程介導(dǎo)的。SCFAs可以通過激活G蛋白偶聯(lián)受體抑制組蛋白脫乙酰基酶或通過調(diào)節(jié)蛋白來調(diào)節(jié)靶細(xì)胞。總體而言，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段。這些實驗定義了一組常見的傳出的運動前腦干神經(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。結(jié)果表明，谷氨酸能LPGi / RVLM腦干神經(jīng)元可以驅(qū)動腸道交感神經(jīng)活動，從而減慢胃腸道的運輸。

    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。腦干感覺細(xì)胞核經(jīng)過調(diào)整以檢測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神經(jīng)元在調(diào)節(jié)腸道交感神經(jīng)活動中具有功能性作用。腸道上皮，粘膜和肌層的外在神經(jīng)元感測主要由結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)和DRG25中的感覺傳入來執(zhí)行。
    為了確定是單獨抑制結(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程中，DRG感覺神經(jīng)元在激活的回路中沒有主要作用。最后，對特定迷走神經(jīng)傳入的調(diào)節(jié)足以驅(qū)動腸道交感神經(jīng)活動。

    此處進(jìn)行的功能，回路和基因表達(dá)研究表明，直接或間接通過上皮細(xì)胞對微生物或其代謝產(chǎn)物進(jìn)行EAN檢測是一種核心感覺系統(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，胰臟和肝臟之類的靶標(biāo)也可能受到微生物群的調(diào)節(jié)，可能對全身免疫和代謝產(chǎn)生影響。
結(jié) 論:
    作者確定了許多潛在的微生物群來源的信號，可以調(diào)節(jié)腸道交感神經(jīng)活動和神經(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的其他回路的特性，可能是了解腸道運動，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。