颠覆广筛局面，最全神经递质靶向检测助力“肠脑轴”研究
【2019-02-22】
肠道微生物在疾病和健康方面的价值愈发凸显，其中也包括了大脑的健康。近些年来，肠脑轴的研究获得了很多振奋人心的结果。肠道微生物除了可以影响到认知、记忆、行为和情感之外，还与多种精神和神经类的疾病(如抑郁症、自闭症、中风、帕金森病、阿尔茨海默病等)密切相关。随着更多肠脑轴研究不断的深入，相信肠道微生物影响大脑功能机制的神秘面纱终将被揭开。
图1 各类不同因素对肠道菌群和神经系统疾病的关系
图片来源：Frontiers in neuroscience[1]
● 肠道微生物与肠脑轴
肠道微生物可以通过产生或分泌物质影响大脑，同时大脑也可以通过特定系统向肠道反馈信息。这种从肠道到大脑和从大脑到肠道的双向连接传递系统被称为“肠脑轴”或者“脑肠轴”。
广义上来看，肠脑轴是一个复杂的系统，并不只是一条单一的“轴”，它由中枢神经系统、神经内分泌系统、下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA轴)、自主交感神经及副交感神经系统(包括肠神经和迷走神经系统)、肠道菌群及其代谢产物组成。
图2 微生物肠脑轴中大脑与肠道菌群的沟通机制
图片来源：热心肠先生日版
目前来说，肠道微生物作为肠脑轴重要的组成部分，主要可以通过三种方式来影响大脑，分别是：
1. 分泌合成神经递质，例如氨基丁酸(GABA)、去甲肾上腺素和多巴胺等；2. 产生具有神经刺激性的代谢产物影响免疫系统或生成促神经生长物质，例如短链脂肪酸，犬尿氨酸等；3. 通过其他途径，例如迷走神经通路或通过调节重要的膳食氨基酸(如色氨酸代谢等)。
许多为我们所熟悉的神经递质，目前已被证实可以由人体肠道菌直接生成，比如：
· 多巴胺(dopamine)是一种可以使人愉悦、快乐的神经递质，它可以由某些特定的大肠杆菌、链球菌等菌种产生；
· γ-氨基丁酸(GABA)是重要的抑制性大脑神经递质,GABA合成功能障碍已被研究证实与自闭症和精神分裂症相关，特定的双歧杆菌和乳酸杆菌菌种可以通过分解膳食谷氨酸而产生GABA；
· 血清素(5-羟色胺，Serotonin)与其前体色氨酸是脑肠轴中重要的信号分子，具有广泛的生理功能，参与焦虑情绪、条件恐惧、应激反应、奖励和社会行为等的调制。肠道微生物与血清素的产生显著相关，研究证明些某些特定的肠球菌和大肠杆菌菌种可以产生血清素，因此肠道菌群的改变会对人体当中的血清素浓度产生影响[2]。除此之外，同样以色氨酸为前体的犬尿氨酸的分布和合成，与脑部几乎全部的生理活动都密切相关。
神经递质、神经递质前体和具有神经刺激性的微生物代谢产物与肠脑轴之间的更多关系，还等着你去探索！
图3 肠道菌群与神经递质靶向检测关联分析示意图
● 神经递质靶向检测隆重推出
神经递质可以被分为四类，即生物原胺类、氨基酸类、肽类和其它类。生物原胺类神经递质是先发现的一类，包括：多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素、5-羟色胺(血清素)等。氨基酸类神经递质包括：γ-氨基丁酸(GABA)、甘氨酸、谷氨酸、组胺、乙酰胆碱等。肽类神经递质有：内源性阿片肽、P物质、神经加压素、胆囊收缩素(CCK)、生长激素等。其它神经递质还有核苷酸类、花生酸碱、阿南德酰胺、sigma受体(σ受体)等。
阅微基因的合作伙伴安隆科讯新推出29种神经递质和神经代谢物检测服务，是目前市面上更全的神经类代谢物检测panel，其中包括生物原胺类与氨基酸类中常见的神经递质。更全的靶向神经递质检测将大大加快和助力“肠脑轴”的研究，一改以往只能检测个别神经递质或使用LC-MS广筛的局面。
表1： 29种神经递质列表
靶向检测相较于广筛方法的优势在于对目标产物(尤其是低浓度目标物质)的检测准确性。利用广筛的方法进行神经递质的检测是有一定局限的，一是由于没有标准品，所以物质种类的鉴定结果是一个相似百分比；二是，广筛只能检测出浓度较高的神经递质，如血清素等，而一些浓度低或浓度梯度较大的神经递质，例如肾上腺素，则很难被检测出来，或检测出来浓度不准。
● 相关研究
下面举几个例子说明神经递质、微生物代谢产物对脑部相关疾病的影响。其中包含抑郁、精神分裂等精神类疾病，也与个体生理失调有极其密切的关联。通过调节微生物辅助神经疾病、精神疾病甚至成瘾疾病的治疗时代很快就要到来：
- 癫痫 -
癫痫是一种严重的神经系统疾病，其病因尚未获得充分的认识。2018年5月，来自加州大学洛杉矶分校(UCLA)的科学家们将新研究成果发表在Cell 杂志[3]。他们发现生酮饮食大大改变了肠道菌群，使小鼠癫痫发作的次数显著减少。通过肠道16S测序，确定生酮饮食会使2种类型的细菌丰度升高，分别为Akkermansia muciniphila 和Parabacteroides species。接着联合应用GC-MS和LC-MS平台检测肠道、血液和海马体(与癫痫发作主要相关的脑部区域)中的代谢物，发现细菌的变化改变了肠道和血液中γ-谷氨酰氨基酸水平，从而增加了神经递质GABA在大脑中的表达，而GABA可以使神经元沉默下来，减少癫痫的发作。
图4 生酮饮食减少小鼠癫痫发作机制
- 抑郁症-
抑郁症是指以情绪低落、思维迟缓、意志活动减退为主要临床表现的疾病，严重损害社会功能。2018年6月，美国波士顿加斯林糖尿病中心研究人员发表在Molecular Psychiatry [4]上的研究表明：高脂饮食诱导的肥胖小鼠(DIO)，其焦虑和抑郁行为会增多；而通过口服抗生素，可降低伏隔核等大脑区域的炎性细胞因子表达，减少焦虑和抑郁行为。通过16S测序和代谢组测序表明其机制可能是抗生素改变了肠道菌群，尤其是大幅度地减少了其乳酸菌属和芽孢菌属的数量。继而通过基于LC-MS平台上的代谢组学检测发现，抗生素处理后的DIO小鼠脑内的色氨酸、GABA、血清素、谷氨酸、脑源性神经营养因子、和多种酰基肉毒碱的水平正常化，这和微生物的改变有着密不可分的关系。
图5 基于LC-MS平台上检测出神经递质在不同样本类型中的丰度
- 精神分裂 -
精神分裂是一组病因未明的精神病，常有感知、思维、情感、行为等多方面的障碍和精神活动的不协调，一般无明显的意识或智能障碍，病程多迁延。精神分裂的发病与多种代谢途径紊乱相关，目前已知有中枢多巴胺、5-羟色胺功能亢进，谷氨酸、γ-氨基丁酸功能不足参与精神分裂症的发病。已有研究[5]对精神分裂症患者及正常健康人血浆中色氨酸及代谢产物进行总结分析，发现精神分裂症患者乙酰5-羟色胺/色氨酸及褪黑素/5-羟色胺的比例系数均增加，5-羟色胺乙酰基转移酶水平上调，循环中5-羟色胺水平增加。
- 酒精成瘾 -
物质成瘾的以往研究和治疗主要集中在大脑，如大脑奖赏系统(包括中脑多巴胺能神经系统)，新研究提示：除了大脑异常，成瘾个体的肠道微生物也存在异常。肠道微生物在成瘾发生中发挥着重要作用，针对肠道微生物来进行干预可能会给这一领域带来巨大改善。上海大学团队2018年发表在Frontiers in microbiology [6]的研究中，研究人员用16S测序和LC-MS广筛的方法分别检测了经过不同处理方式的酒精成瘾和正常小鼠模型粪便样本，结果显示，酒精处理后的小鼠肠道菌群结构多样性发生改变，尤其厚壁菌门的梭菌目丰度显著上升。同时，代谢组检测结果发现酒精成瘾小鼠的初级、次级胆汁酸，血清素和牛磺酸的含量均有提升。此研究为肠道微生物在酒精成瘾机制中的作用提供了更多的思路。
除了上述提到的疾病之外，肠道菌群还与其他神经性疾病，例如阿兹海默症、帕金森、自闭症等有着重要关系，而神经递质的产生与合成在其中有着至关重要的作用。
结语
先前研究中，神经相关的代谢产物、神经递质和一些神经递质前体氨基酸基本都是利用LC-MS或GC-MS广筛的方法进行检测的。阅微基因新推出的神经递质靶向检测服务的检测panel包括了几乎所有的先前研究涉及到的小分子神经递质和绝大多数重要的神经递质前体氨基酸等，可以很大程度上规避广筛存在的问题，靶向精准检测到29种神经递质，满足更多的研究需求，让“肠脑轴”的研究更加具有目的性、靶向性。
参考文献：
[1] Kelly, John R., et al.(2017). Cross talk: the microbiota and neurodevelopmental disorders. Frontiers in neuroscience.
[2] Olson, Christine A., et al. (2018). The gut microbiota mediates the anti-seizure effects of the ketogenic diet. Cell.
[3] 龚雪，等. 肠道微生物与神经及精神疾病的研究现状[J]. 中国微生态学杂志，2018，30(3)：350-357
[4] Gut microbiota modulate neurobehavior through changes in brain insulin sensitivity and metabolism 06-18
[5] 江沛，等. 代谢组学技术在神经精神性疾病中的应用研究进展［J］.中国临床药理学杂志，2012,28(7):550-553.
[6] Wang, Guanhao, et al.(2018). Gut microbiota and relevant metabolites analysis in alcohol dependent mice. Frontiers in microbiology.
