肠道益生菌可以防止小鼠的慢性心理压力诱发的大脑活动异常

Probiotic gut effect prevents the chronic psychological stress-induced brain activity abnormality in mice

文献ID：

发表期刊：Neurogastroenterol Motil 

影响因子：3.587

发表时间：2014-04

作者及单位：Afifa Ait-Belgnaoui Neuro-Gastroenterology & Nutrition Team

关键词：脑肠轴、慢性心理压力、肠粘膜、益生菌

导读：

1. Lactobacillus helveticus, Bifidobacterium longum R0175  对慢性心理应激诱发的脑活动异常具有保护作用。

2. 益生菌功能：改善慢性心理应激诱发的脑活动异常，减少神经发生，增加荷尔蒙。

3. 脑肠轴中肠道菌具有双向通信特点，益生菌是改善心理应激如焦虑、沮丧等的有效策略。

知识回顾：肠-脑-轴

IBS对环境因子敏感，通常发现与精神疾病相关，包括沮丧和焦虑。大量研究认为其发病机制与下丘脑-垂体-肾上腺HPA轴和自主神经系统ANS的异常活动有关，长期慢性压力会导致肠道功能紊乱，加剧IBS症状。

下丘脑中的Syt4 和Snap25基因调节神经原细胞突触泡囊的胞吞作用，与神经传导和空间记忆有关，研究发现敲除Snap25 和Syt4基因，小鼠则会表现出焦虑和沮丧缓解的行为。

 

HPA以及ANS对压力应激的激素响应依赖于肠道菌群，可以通过测定血浆皮质脂酮和儿茶酚胺来反映，肠道菌与中枢神经系统的相互作用，能够调节中枢神经突触的发生，影响正常的认知功能。有研究发现双歧杆菌能够降低海马体中去肾上腺素的水平，其作用机制与效果与抗抑郁症药物相似。一些益生菌能够降低与焦虑表现有关的γ-氨基丁酸（GABA）受体的表达，抑制反映受细胞分裂素诱导的血浆色氨酸水平升高，血浆色氨酸与沮丧表现有关。

压力应激还会导致神经化学物质调节通路的改变，增加下丘脑室旁核PVN中促分泌素的水平，益生菌能够降低下丘脑中促肾上腺皮质激素释放激素（CRF）的表达，改变下丘脑中神经可塑性相关神经网络调控基因的表达。益生菌还会使神经营养因子BDNF表达上调，并调节HPA有关的糖皮质激素水平。PVN中糖皮质激素受体功能损失会导致下丘脑中BDNF的上调，抑制HPA轴的活动。HPA 轴衰退与日常压力有关，而小鼠摄入益生菌后大脑区域细胞凋亡面积减少、记忆力、焦虑症状有所改善。

科学假设

本研究关注慢性心理压力诱导的小鼠，在摄入双歧杆菌与乳酸杆菌后中枢神经系统的响应，研究人员认为益生菌可以作为压力诱导的大脑活性异常的靶点，能增强HPA以及ANS活性，恢复肠粘膜屏障功能失调。

研究方案

目前的动物实验研究表明：慢性压力应激、肠道功能炎症能够改变肠道菌群组成，肠道菌与压力诱导的肠道功能改变与焦虑等行为有关。

主要看点

1.益生菌对慢性应激神经内分泌的影响

图1. 益生菌对血浆皮质脂酮、肾上腺素、去肾上腺激素的影响

sham是本底水平  a 表示与Sham组（本底水平，未刺激）的vehicle有显著差异，b表示与 WAS组的vehicle有显著差异。L. salivarius 降低WAS刺激的小鼠血浆激素影响不大，作为阴性对照。

•  皮质脂酮 WAS刺激的小鼠（WAS vehicle）血浆皮质激素有显著升高，益生菌能显著降低刺激后的皮质脂酮水平（相比较WAS vehicle）。

•  肾上腺素 刺激后的小鼠（WAS vehicle）肾上腺素水平显著增加，摄入益生菌显著降低刺激后的肾上腺素水平。

• 去肾上腺激素 WAS刺激的小鼠（WAS vehicle）去肾上腺素水平有显著升高，而摄入益生菌显著降低去肾上腺素水平, 益生菌对血浆皮质酮和儿茶酚胺没有影响（任然比对照高）。

这说明：益生菌对慢性应激神经内分泌产生积极影响，提高神经兴奋。

2. 益生菌对慢性应激大脑神经活动的影响

相比本底水平，刺激后的小鼠cFos positive nuclei 数量在以下区域有所增加：下丘脑室旁核（PVN）杏仁核（AN），外侧旁仁lateral parabrachial nucleus、蓝斑核（locus coeruleus）孤束核（nucleus tractus solitary）、海马体（hippocampus）。

LBP, 臂旁外侧核; LC, 蓝斑核; NTS, 孤束核; PVN, 下丘脑室旁核; BLA, 外侧核; CeA, 杏仁中央核

; MeA, 内扁桃核; CA1, CA1;CA3, 海马锥体细胞区; DG, 齿状回

• WAS刺激后的小鼠摄入益生菌，cFos数量显著增加。

这说明：益生菌能激活压力诱导的大脑区域神经活动。

3. 下丘脑突触可塑性基因表达

Plau, Mmp9：涉及到组织重建;

在WAS中表达下调的：cytoskeleton （细胞骨架相关）,Gap43 ;

细胞粘附marker:  tenascin-C, Reln ;

在WAS中显著增加的：Gfap、glial fibrillary acid protein（纤维酸性蛋白）,Vim

,Syt4, Snap25;

• WAS刺激后小鼠神经营养分子BDNF下调-40.7%，而摄入益生菌有显著升高；

• WAS小鼠摄入益生菌后：

  BDNF神经营养因子显著性增高，细胞骨架组成显著性降低，小胶质细胞激活标记物Gap43, Gfap, Vim、突触发生synaptogenesis (Syt4, Snap25) 细胞粘附标记物（Reln, Sema [semaphorine）均有降低。

这说明：摄入益生菌能影响下丘脑突触可塑性基因表达。

4.  益生菌对神经发生的影响：

取决于海马体DG区的双皮质素（DCX）阳性细胞，是神经元密度最早的marker

WAS-vehicle group compared to sham ：decrease of DCX-positive cells

Probiotic (Probio’Stick ) prevents gut barrier impairment in stress mice

• WAS小鼠DG取神经发生显著降低，DCX-positive cells降低41.5%，在DG区颗粒细胞层下降更明显，比较Fig3B 的sham 和WAS。而摄入益生菌可以有效防止神经元生长降低（比较WAS的Vehicle和Probio）。

5. 益生菌防止肠粘膜屏障损伤

没有慢性应激时，益生菌不会影响肠道菌渗透性以及TJ蛋白的表达:

• WAS刺激后小鼠肠道对51 Cr-EDTA渗透性增加，WAS刺激的小鼠，摄入益生菌，渗透性显著降低（相比WAS-Vehicle）

• WAS刺激的小鼠，摄入益生菌，结肠粘膜中闭合蛋白occludin 和JAM-A显著降低（相比WAS-Vehicle）

这说明：益生菌防止肠粘膜屏障损伤

总结

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压力应激的小鼠下丘脑-垂体-肾上腺轴HPA axis 和自主神经系统ANS有改变，反应在血浆皮质脂酮、肾上腺素、去肾上腺素降低，而摄入益生菌会缓解这种状况，益生菌会降低海马体表达促肾上腺激素释放激素（CRF）的表达。

压力应激下，下丘脑-垂体-肾上腺轴以及自主神经有关基因的表达：

下丘脑表达的Syt4与Snap25是神经元突触囊泡胞吞作用的调控因子，益生菌处理表达下调。其他基因：Mmp9, Gap43, Reln, Sema, Gfap and Vim 反应组织再生，细胞骨架形成，细胞黏着，以及突触延长，在抑郁症中都能收到益生菌的调节。

压力应激调节大脑区域：

神经化学改变体现在很多压力调节的与PVN相关的通路中，会增加PVN出分泌激素的合成. 压力应激会使得HPA产生异常兴奋，会降低HPA在PVN和海马体水平的负反馈调节，不同的压力应激条件会抑制成年人海马体DG扩散比例，降低新生细胞簇受体。

在海马体中，前额皮质（prefrontal cortex）,慢性压力应激会减少海马体CA-3 区树突密度，抑制ＤＧ区组织神经元活性，降低糖皮质激素受体的表达。

益生菌促进神经元细胞的分化。同样的小鼠沮丧模型通过Akt活性依赖性的机制抑制细胞凋亡的倾向。益生菌会加强大脑几个区域神经元活性，能够防止压力诱导的小鼠中枢（下丘脑）神经元激活和神经元再生，这与结肠粘膜降解受到抑制有关。

压力应激导致的神经炎症： 

长时间过多地神经胶质细胞激活会加强慢性损伤，最终发展成神经炎症，在神经保护作用与神经毒素之间保持微妙的平衡。

压力应激引起的神经免疫反应有个特定的阈值，胶质重建调节突触功能，损害正常连接的神经元。

研究发现益生菌能够通过预防肠道菌泄露（gut leakiness）来抵消压力应激小鼠的下丘脑神经炎症。

此外，PI3K/Akt细胞通路在细胞内稳态中有关键作用，调节细胞凋亡、细胞生长和细胞周期。与沮丧状态的神经再生有关。