综述/肠道菌群介导的营养素与基因相互作用在睡眠调节中的研究

消化界2019-01-09 13:05:16

  

睡眠是一个复杂的节律性生理过程,正常人每24小时或25小时会有一个自然的睡眠觉醒周期,与自转周期24小时不同,大部分人的睡眠觉醒周期为25小时。加州大学圣迭戈分校与美国癌症学会联合对年龄区间为30~102岁的100万名对象进行调查研究发现,睡眠时间与病死率呈U型分布,每天仅睡67个小时的人病死率最低,长时间或者短时间睡眠都不利于身体健康。睡眠觉醒周期过长,难以适应地球自转24小时节律,不利于适应社会生活,导致睡眠节律的破坏并诱发失眠,进而引起肥胖、糖尿病、焦虑、记忆力下降、免疫力下降等相关慢性疾病,睡眠质量直接反映了一个人的机体健康状态。

  

体内肠道细菌的菌群分布及其代谢活动,会对机体的行为产生深远的影响。从饮食、益生菌、益生元方面改善肠道菌群,调控睡眠相关基因,既可改善原发性失眠患者的病症,又可用来治疗睡眠障碍患者。肠道菌群伴随着人的一生,深入研究肠道微生物与机体的相互作用及调控机制,对失眠、抑郁、糖尿病、肥胖引起的人体健康问题至关重要。本文针对影响睡眠机制的因素,综述了调节睡眠机制研究的现状及其发展趋势,并尝试探讨了肠道微生物、营养素与基因相互作用在睡眠机制中可能的内在关系。


1  肠道菌群

  

在人类漫长的进化过程中,寄居在人体黏膜表面的数量庞大的肠道微生物,与宿主之间形成紧密的共生关系,共同维持人体的内环境稳态平衡,并参与人体生长发育、免疫调节、营养代谢等生理过程。肠道微生物总数高达1014,是人体细胞总和的10倍,含有的基因数目大约是人体的150倍。肠道菌群中主要为细菌和古生菌,已知细菌的种类至少有1 000种,重量高达1.2千克,堪称人体的另一大“器官”。肠道菌群数量及种类的变化,与免疫性疾病、慢性疾病、感染性疾病密切相关,外在环境或者内在平衡遭到破坏,就会导致菌群失调从而引起疾病发生。肠道菌群可通过自身或其代谢产物调节脑发育影响生理活动,使机体呈现不同的生理表现型,机体的神经—免疫—内分泌途径构成复杂的反馈网络,监控并调节肠道菌群的稳态,保持机体内环境的稳定平衡,这一模式称之为微生物—肠—脑轴(microbiota-gut-brain axis,MGBA),也称“肠脑”或“第二大脑”,肠脑可通过免疫、神经内分泌和迷走神经途径影响宿主的身心状态。

  

肠道菌群在睡眠—觉醒周期之中扮演着重要的角色,生物的生物钟调整到自然24小时周期来维持几乎所有的生命形式的代谢平衡,例如喂养与禁食等固定供需的周期性事件可以通过代谢影响睡眠—觉醒周期,进食时间的改变可引起代谢变化,导致神经系统活性改变,从而影响睡眠。生物钟基因通过转录因子及组蛋白的方式调节代谢,营养素经由摄食行为被肠道微生物吸收利用,产生代谢小分子5-HT、GABA等,通过迷走神经反馈到中枢神经系统及生物钟基因,进而实现肠脑交流(图1、图2)。不同的膳食模式对肠道菌群有不同程度的影响,造成了不同地区不同人群的“肠型”不同,Mayer通过MRI扫描大脑结构,发现“肠型”不同的人具有不同的大脑区域间的链接方式,由此可推测肠道菌群可能在大脑发育中发挥着重要作用,与人体的生理、心理、节律活动息息相关。

 

注:TNF:肿瘤坏死因;IL:白细胞介素;LC:蓝斑核;TMN:结节乳头体核;BF:基底前脑;vPAG:腹侧导水管周围灰质;Raphe:中缝核;LDT:脑干被盖外侧核;PPT:脑桥被盖网状核;GABA:γ-氨基丁酸;Ach:乙酰胆碱;His:组胺;VLCFA:超长链不饱和脂肪酸;NE:去甲肾上腺素;5-HT:5-羟色胺;DA:多巴胺。


图1 肠道菌群介导的营养素与基因相互作用的可能睡眠调节机制 

图2 睡眠障碍的病因网络模型(不包含环境因素)


2  肠道菌群与中枢神经系统调节机制

  

1925年,von Economo提出,大脑由下丘脑后部的促进觉醒的区域和视前区的促进睡眠的区域控制着睡眠-觉醒周期。不同的神经递质通过调控大脑皮质和下丘脑的抑制激活,来实现睡眠‒觉醒机制的进行。在睡眠周期中,蓝斑核(LG)去甲肾上腺素能神经元的兴奋性降低能够促进快速动眼睡眠;GABA神经元兴奋性选择性升高促进睡眠,并且GABA与c-Fos(神经元激活的标志)表达有关。在觉醒期间,结节乳头体核的组胺细胞群兴奋性高于睡眠期;腹侧导水管周围灰质(vPAG)多巴胺能神经元通过放电模式的改变调节DA浓度在不同部位的升高;脑桥的中缝核5-HT能神经元参与抑制快速动眼睡眠的过程,兴奋性升高,5-HT水平升高,促进觉醒;脑干被盖外侧核(LDT)和脑桥被盖网状核(PPT)的乙酰胆碱能神经元兴奋性升高,释放Ach,传递信息促进觉醒;同时,通过大鼠睡眠剥夺实验以及药理学方法研究发现,经过28 h睡眠剥夺实验后的大鼠,其Glu、Ach、NE活动显著性减弱,GABA活动显著性增强。

  

近年来临床研究和动物实验表明,肠道菌群在睡眠—觉醒机制中发挥着重要作用。胃肠道失调可导致睡眠障碍,与SPF小鼠(无病原菌且维持正常肠道菌群)比,无菌小鼠的NE、DA和皮层纹状体的5-HT的含量都显著增高,更易表现出肌动活动增加和焦虑行为减少;当幼年期的无菌小鼠定植肠道菌群后,与SPF小鼠的肌动活动和焦虑行为无显著差异,而成年期无菌小鼠置于正常环境则无法改变其行为,表明肠道菌群的定植参与神经系统发育,激发了参与肌动活动和焦虑行为的神经细胞线路的信号机制。Mukherji等的GF小鼠抗生素治疗和Leone等的研究表明微生物有助于建立正常的睡眠—觉醒机制,与生物钟基因的表达有关,比如HOMERLA,Bmal1,period(per),timeless(tim),Clock(C/k),cycle(cyc),double-time(dbt),vrille(vri)等位于小肠上皮细胞或下丘脑或肝脏的基因。因此,肠道菌群的定植对于神经系统的发育至关重要,必须从幼年期就开始关注,并可通过肠道菌群的改善达到调节神经系统发育来改善或预防某些疾病的目的。

  

肠道菌群的改变可能会引起疾病的发生,如慢性疲劳综合征(CFS),CFS患者除了出现长期原因未明的疲劳感外,还会出现睡眠障碍、焦虑、抑郁、认知减退、食欲下降等症状。与健康人群相比,CFS患者大肠埃希菌和双歧杆菌显著减少,肠球菌、白假丝酵母菌(急性发病期)显著增加。Summa等首次发现,在使用生物钟基因突变方法造成的生物钟基因缺失模型小鼠与使用改变环境(光线/黑暗)所造成的睡眠—觉醒周期紊乱模型小鼠中,均发现肠上皮黏膜屏障破坏,胃黏膜颜色变暗,通透性增强,并能促进乙醇引起的肠黏膜屏障的损伤。胃黏膜损伤模型大鼠大脑纹状体中5-HT和DA的水平升高,5-HT和DA能抑制促进睡眠的神经元,且与肠道痛阈下降以及睡眠持续时间缩短有关,损伤造成的肠道痛阈降低与睡眠时间呈正相关(图2)。此外,肠道微生物的代谢产物也可由肠道上皮细胞吸收,通过血液通道转运,穿过血脑屏障,调节神经系统(图1)。Lactobacillus rhamnosus YS9菌株能产生GABA,促进睡眠;小鼠的原生芽胞菌可以促进结肠嗜铬细胞的5-HT的合成和调节血液里的5-HT浓度,并且Yano等在一些粪便代谢物里检测出原生芽胞菌所促进分泌的5-HT,证实了肠道菌群对5-HT的分泌有着直接影响。

 

3  肠道菌群与肽类物质调节机制

  

在睡眠—觉醒过程中肽类物质浓度水平的研究中发现,褪黑素、血管活性肠肽、以及β醒内咖肽神经肽S、神经肽Y、食欲肽(Orexin)、脑肠肽等,均有不同程度促进睡眠的作用。褪黑素的含量随着昼夜含量差异大,夜晚分泌量是日间的5倍以上,具有调节节律、促进睡眠的作用。位于下丘脑外侧部穹窿周围的神经元所分泌的Orexin,被认为对睡眠—觉醒调节起着最为关键的作用,且参与着奖赏系统及情绪反应,调节内分泌及心血管系统,对学习和记忆也有调控作用(图1)。Orexin是在大鼠脑内发现的神经肽,食欲肽或者其2型受体缺乏可引起实验动物嗜睡症状,且有85%~95%的昏睡大鼠脑脊液中Orexin1和Orexin2都有明显的减少,在觉醒期间食欲肽神经元主要为兴奋状态,特别在动物主动探究的活动过程中更高。虽然大脑皮质区域没有食欲肽受体,但是增强了激活系统的功能,食欲肽神经元也间接影响着促进睡眠的大脑皮质;而在腹外侧视前区的神经元和食欲肽神经元之间有不对称的纤维投射,作用于单胺能和胆碱能细胞群来促进觉醒,帮助稳定睡眠—觉醒模式之间的转换。

  

在肠脑模型中,肠道菌群扮演着不可或缺的角色,通过调节肠道内激素的分泌,实现肠脑信息传递,这些信号可能会促使人体摄取某些有利于某些细菌生长的营养素,从而影响人的摄食行为、生理状态、节律活动。

4  肠道菌群与细胞因子调节机制

  

细胞因子(cytokine,CK)是抗原诱导免疫细胞分泌的小分子可溶性蛋白质,具有调节非特异性免疫和特异性免疫、血细胞生成、细胞生长分化以及修复损伤组织等多种功能,且具有中枢调节功能,可通过调节神经活性来诱导局部状态的改变以影响睡眠过程。动物实验中,IL-1注射数分钟后,可引起非快速动眼睡眠增加,刺激内源性IL-1和肿瘤坏死因子可增强非快速动眼睡眠。睡眠过程中免疫功能也发生着变化,剥夺睡眠会影响免疫细胞及细胞因子活性,淋巴细胞的DNA合成、循环免疫复合物、NK细胞活性以及CD4、CD16、CD56淋巴细胞在睡眠剥夺后呈下降趋势。免疫系统的增强有助于治愈或缓解疾病,缓解或消除因疾病造成失眠的因素(图2)。


肠道菌群可以作用于免疫系统,促使血液中的细胞因子发生改变,从而影响中枢神经系统,导致睡眠障碍的发生。IL-1、IL-6、TNF等的升高或降低都可影响神经系统活性,引发抑郁症或者焦虑症,其症状往往伴随着睡眠障碍。

 

5  基于饮食的调节改善肠道菌群以干预睡眠的策略


肠道作为营养消化吸收的主要场所,其行为受神经中枢的控制,代谢吸收的各类小分子影响着人体的健康发育。肠道有调节营养物质的吸收、脂肪分布、肠道蠕动以及保护肠道上皮黏膜屏障等功能。中医有“胃不和则卧不安”定植始于胚胎,婴儿的肠道微生物多样性低且不稳定,饮食及环境等因素将很大程度上影响着肠道微生物的种类及数量,通过母乳喂养的婴儿的优势菌群为双歧杆菌,后随时间变化,婴幼儿的肠道微生物的种类与数量逐渐达到成年人水平,保持动态平衡直至衰老。


目前营养素在治疗神经疾病的研究中已经取得了相当的进展,特别是现代社会饮食模式发生了重大改变,与过去相比精制糖、蛋白质、脂肪的摄入量明显增多,导致慢性非传染性疾病发病率增高。美国的传统人群如依靠狩猎和采集生活的人群和农村社区(高纤维饮食)的人群的肠道菌群多样性比较高,有较多的普氏菌、琥珀酸弧菌和梅毒螺旋体,变异性较低,肠道微生物生态较稳定;而西方城市的人群(高脂肪高蛋白饮食)表现出较低的肠道菌群多样性,有较多的拟杆菌和毛螺旋菌,变异性较高,更易得慢性疾病。Feng等发现造成肠道恶化的肠道微生物关联组(MLG)与红肉的摄入量呈正相关,与蔬菜水果摄入量呈负相关;在St-Onge的睡眠与饮食模式的随机对照研究中,与高纤维低脂肪饮食组相比,自由摄食组的睡眠持续时间无差异,但睡眠质量较低,入睡时间较长,得出的结论是高纤维、低脂肪的饮食较有利于肠道菌群的稳定和维持身体健康,特别是摄入丰富的蔬果、谷物、不饱和脂肪酸的地中海饮食模式与高脂肪低纤维的膳食模式相比,有更高的肠道菌群多样性和稳定性,更有利于降低慢性疾病的发病率。


在短期内采用“高脂肪、高蛋白质、低碳水化合物”的饮食模式可促进慢波睡眠,但有较多的夜间觉醒次数,睡眠质量降低。碳水化合物中升糖指数高(高GI)比升糖指数低的(低GI)的食物更有利于缩短入睡时间,延长睡眠时间,同样的高GI的食物,固体食物比液体食物促进睡眠效果更好,且在早于睡前1~4小时摄入更佳;但不论是“高脂肪高蛋白低碳水化合物”的饮食模式还是“高碳水化合物”的饮食模式的实验都只进行了短期实验,若进行长期实验会对身体健康产生影响,因此根据个人不同阶段的睡眠质量对饮食模式进行调整是否更加有利,仍需进一步探究。众所周知的“喝牛奶助眠”,其原因是牛奶中的主要蛋白质α-乳白蛋白是合成色氨酸的主要来源,而色氨酸是5-HT的前体;另一有可能影响入睡时间的氨基酸是甘氨酸,低蛋白的饮食可导致快速动眼睡眠潜伏期增加。超长链不饱和脂肪酸可在松果体中转化为活性物质,与5-HT一起参与调节褪黑素的产生进而影响睡眠,这些说法因无直接有效的证据尚有争议,但摄入特定的食物如:牛奶、鱼类、粗粮、果蔬等对睡眠有一定的积极意义


肠道益生菌对于疾病治疗效果的研究已取得一定的进展,益生菌主要通过肠道黏膜免疫功能、通透性、抑菌作用发挥疗效。双歧杆菌作为益生菌与益生元共同调节肠道菌群,抑制有害菌的增殖、维持肠道黏膜屏障稳定及调节免疫功能。与正常人相比,肠易激综合征患者的双歧杆菌减少,肠杆菌、克雷伯杆菌等有害菌增加,其双歧杆菌/肠杆菌(B/E)值<1,引起肠道黏膜炎症细胞增多,当双歧杆菌等有益菌增多时,能有效减轻炎症反应。口服益生菌可有效提高肠免疫功能,抑制肠道有害菌定植,治愈或缓解腹泻、肠道炎症、肠易激综合征等以提高机体对于营养素的吸收代谢,进而有助于失眠等相关疾病的治疗。服用干酪乳杆菌、乳酸双歧杆菌、嗜酸乳杆菌等有益菌能显著改善CFS患者症状,并显著增加肠道有益菌(即内双歧杆菌、乳杆菌)的数量。疾病可导致身体免疫系统的紊乱,通过神经—免疫—内分泌途径,影响睡眠质量而导致失眠。睡眠是一种自我免疫保护调节,睡眠质量不好,机体无法以最佳状态调动免疫机制对疾病进行应答,进入免疫修复状态,从而影响疾病的恢复进入恶性循环。因此,我们可以在饮食的基础上调整肠道菌群的数量及组成,及口服乳杆菌和双歧杆菌等对大脑功能有一定调节作用的肠道益生菌,来缓解或治疗睡眠障碍及相关慢性疾病。

6  展  望


目前的微生物学研究较多的依赖于分子生物学,主要技术有基因测序技术、指纹图谱技术、基因芯片技术、实时荧光定量PCR技术、末端限制性片段长度多态性分析技术、FISH荧光原位杂交技术以及宏基因组学技术。针对肠道菌群介导的营养素与基因相互作用,以及对睡眠机制影响的研究很不完善。研究中的限制因素众多,睡眠质量无准确的检验标准,引起失眠的原因错综复杂,成因多种多样,存在环境、心理等干扰因素。肠道菌群在睡眠调节中发挥着重要的作用,寻找新的研究方法了解其作用机制势在必行,可在如下方面展开研究:(1)益生菌对于肠道菌群的改善作用的效果强度,探索单种益生菌与不同益生菌间的复合搭配的作用效果的差异及其显著性,以达到有针对性的改善效果。(2)关注幼年期的肠道菌群定植与生物钟基因间的联系及表达途径,在不同基因介导下肠道菌群变化和改善菌群后的睡眠状况。(3)睡眠障碍与相关疾病之间的关联,如睡眠与免疫性疾病之间除了细胞因子的影响之外,神经中枢的小胶质神经细胞也有重要的作用。研究表明小神经胶质细胞与睡眠障碍密切相关,可通过单细胞水平的活体体内成像以排除其他干扰因素,达到研究肠道菌群及饮食因素对睡眠的调节作用的目的。(4)在个人水平上可采用随机双盲法临床研究,降低人的主观因素对于试验结果的干扰作用和混杂偏倚,以评价基于饮食的调节改善肠道菌群对睡眠障碍的治疗效果。此外,借助生物钟基因缺失的小鼠模型和肠道微生物缺陷型的小鼠使用纳米荧光探针标记跟踪研究,结合单细胞水平研究,有助于揭示影响睡眠的影响因素及其原理,针对性的调节肠道微生物的微环境来改善睡眠质量。


转自:中国微生态学杂志




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