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微生物产生的气体物质如何影响精神和行为

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发表于 2017-9-22 09:21:04 | 显示全部楼层 |阅读模式



人体共生微生物群组成一种特殊的“微生物器官”,直接或间接地参与宿主的各种代谢和行为过程。肠道微生物的功能是基于大量低分子量的化合物的产生,包括氨基酸、生物胺、挥发性脂肪酸等等,这些化合物表现为效应分子、酶辅因子和信号分子等等。肠道微生物所产生的这些化合物可以看作是微生物与宿主之间进行交流的“语言”。这些化合物通过神经内分泌、免疫、代谢和表观遗传途径发挥其神经生化作用。



神经递质是神经信号传递中担任信使的特定化学物质,将神经冲动从一个神经细胞传递到另一个神经细胞。没有神经递质,我们的大脑就没办法正常工作。几乎所有控制和指挥大脑活动的神经递质,在肠道中都有,包括人们熟知的五羟色胺和多巴胺等与情绪相关的物质,同时在肠道中还能合成神经肽、脑啡肽等影响精神的物质。而肠道微生物在其合成过程中发挥着重要的作用。

神经递质中还有一部分是气体物质,被称为气体神经递质(gasotransmitters)。我们的大脑利用气体神经递质,比如硫化氢、氨气甚至是一氧化碳在细胞之间传递信息。肠道细菌也会产生气体神经递质影响我们的大脑、情绪和行为。2016年7月,来自莫斯科国立大学的Alexander Oleskin教授和来自莫斯科流行病学和微生物学研究所的Boris Shenderov教授在《Microbial Ecology in Health and Disease》杂志上发表文章综述了微生物产生的气体神经递质及其在人体中的作用。

微生物产生的气体神经递质,包括一氧化氮、一氧化碳、硫化氢、甲烷、氢气和氨气等,它们被认为是人类行为、神经生理学和精神疾病的调节因子。这些气体分子是最小的具有生物活性的分子,在多细胞有机体中发挥着至关重要的作用。重要的是,作为气体神经递质的这些气体分子在肠道中既可以由宿主细胞合成,也可以由生活在肠道中的微生物合成,这些微生物包括古细菌(Archaea)、拟杆菌(Bacteroides)、双歧杆菌(Bifidobacterium)、丁酸弧菌(Butyrivibrio)、梭菌(Clostridium)、柯林斯氏菌(Collinsella)、粪球菌(Coprococcus)、脱硫弧菌(Desulfovibrio)、真细菌(Eubacterium)、乳酸杆菌(Lactobacillus)、普氏菌(Prevotella)、丙酸杆菌(Propionibacterium)、罗氏菌(Roseburia)等等。

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 楼主| 发表于 2017-9-22 09:22:02 | 显示全部楼层

成年人的肠道每天可产生大约400-1200毫升的气体,其中,氮气、氧气、氢气、甲烷、二氧化碳和硫化氢大约各占气体总体积的20-90%、3.9-10%、 20.9-50%、 7.2-10%、9-30%和0.00028%。大部分气体分子会从肠道中被排出,它们被吸收并转移到血液中,最终通过呼吸系统排出体外。

气体神经递质在身体内发挥着双重作用,它们既是身体的能量来源,也可作为微生物的能量来源。例如,最有代表性的肠道细菌大肠杆菌(Escherichia coli)就利用宿主细胞所产生的一氧化氮作为能量来源。免疫细胞在炎症状态下也会产生一氧化氮,所以大肠杆菌对肠道炎症非常“感兴趣”。

气体神经递质既参与细菌和细菌之间的信息交流,也参与细菌和宿主细胞之间的信息沟通。宿主细胞或微生物产生的一氧化氮能够调节免疫和心血管系统的功能,作为脑内的神经递质参与调节学习和认知行为。缺乏神经型一氧化氮合酶的小鼠表现出自发活动和性活动增强以及长期的抑郁。缺乏神经型一氧化氮合酶的雄性小鼠比野生型小鼠更具有攻击性。神经型一氧化氮合酶活性正常的小鼠对中脑动脉结扎引起的实验性中风具有更高的抵抗力。

硫化氢是一种极易溶于水的气体,因为其臭鸡蛋气味,在浓度为1ppm时就可以被闻到。硫化氢在浓度为4ppm时可引起头痛,到500ppm甚至更高浓度时可产生致命的影响。在人体各种器官中,低浓度的硫化氢参与调节许多生理过程,尤其是心血管系统和神经系统。在癫痫发作、精神障碍或脑电图病变的患者中,低浓度的硫化氢可作为一种神经保护因子对神经系统起保护作用。这些患者体内参与硫化氢合成的酶往往存在缺陷。但是,在唐氏综合征患者体内,参与硫化氢合成的酶的活性却显著增加。

氨气是蛋白质、多肽、尿素和各种氨基酸的降解产物之一。在人体内,氨气主要由肠道细菌产生。体内氨气的含量过高(高血氨症)可能是肠道菌群紊乱的结果。这可导致脑内氨的积累,这是肝硬化的重要特征,也增加肝性脑病的威胁。

气体神经递质可以影响自身细胞(自分泌作用)、临近细胞(旁分泌作用)以及远端组织与器官和整个身体系统(内分泌作用)。气体神经递质的产生及其在全身的分布依赖于产生这些递质的宿主细胞和共生微生物的活性。气体神经递质的浓度和活性受到大脑和整个神经系统(包括肠神经细胞组成的肠道神经系统)以及免疫系统的影响。它们也受到胃肠道及身体其它部位(比如皮肤、呼吸道和泌尿生殖道)的微生物的影响。

这些研究发现可能将在医学和心理学领域得到应用。微生物产生的气体神经递质将被用于预防和治疗神经精神紊乱,包括抑郁、暴力倾向及其它疾病。比如,通过细菌来帮助纠正体内氨气水平过高也许是可行的。

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 楼主| 发表于 2017-9-22 09:22:40 | 显示全部楼层

目前,在这个方向已经取得了一定的进展。他们以有益微生物为基础,比如,益生菌酸奶、奶酪等或者益生菌药物制剂。通过使用益生菌抑制体内有害气体的产生来帮助改善身体健康和行为。益生菌乳酸杆菌、双歧杆菌中的一些菌株可以合成一种十分重要的气体神经递质——一氧化氮,它具有多种多样的生理功能。此外,益生菌也可以促进宿主细胞合成一氧化氮。

这些年科学家们提出一个新的概念,“Psychobiotic”,是指当摄入足够数量时,能够对精神疾病患者产生健康效应的一类活性微生物。它们将作为一种生物活性添加剂和功能性营养补充剂,通过调节人类机体内的一氧化氮、一氧化碳、硫化氢和氨气的产生优化体内气体神经递质的水平,对宿主的大脑和行为产生有益的影响。

图片来自网络
参考文献:Oleskin, A. V. and B. A. Shenderov (2016). "Neuromodulatory effects and targets of the SCFAs and gasotransmitters produced by the human symbiotic microbiota." Microbial Ecology in Health and Disease 27: 30971.

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