小鼠肠道微生态与繁殖行为调控中枢发育相关研究文献综述

 2023-08-07 04:08

文献综述：

动物肠道内存在大量细菌、真菌、病毒等微生物，肠道内定植微生物数量约为10万亿个，是人体细胞数量的10倍。由肠道菌群编码的基因是人宿主细胞编码基因的150倍(Lozupone CA et al, 2012)，其中细菌占比可达99%以上，故肠道内的微生物群又可以称为肠道菌群（田明明等, 2019）。肠道菌群在机体各项生理功能的形成和维护中扮演着重要角色，当体内外环境发生变化时可导致肠道菌群失衡，引起肠道功能紊乱，诱发多种肠内外疾病，而某些疾病的出现也可能造成肠道菌群失调。近年来，对于肠道微生态与抑郁症、孤独症间的研究受到重视，也为这些疾病的治疗提供了行之有效的新方法。通过调节肠道菌群及改善肠－脑轴功能可以缓解和治疗抑郁症。与传统疗法相比，该疗法具有明显的灵活性及可操作性，患者更易接受。目前，许多微生物群的调控方法已经建立，包括补充益生菌，饮食调节及粪便菌群移植等（陶伟伟等, 2019）。

肠道微生态对机体功能的影响与调节是多方面的，包括消化系统、免疫系统、神经系统和内分泌系统等。有研究显示，无菌条件下，小鼠回肠末端固有免疫识别受体Nod2的表达量明显降低，提示肠道菌群对机体自身免疫功能成熟至关重要(Petnicki-Ocwieja T et al, 2009)。5-羟色胺(5-HT)，又名血清素，是一种典型的抑制性神经递质，能影响大脑的信号转导，参与对大脑情绪、精力和记忆力等的调节。90%的5-HT由肠嗜铬细胞产生(Ridaura V, Belkaid Y, 2015)。 膳食纤维经肠道菌群发酵会代谢产生如丁酸、丙酸和乙酸等短链脂肪酸。短链脂肪酸可促进肠嗜铬细胞分泌5-HT(Yano JM et al, 2015)，可见肠道微生态可以对中枢神经作出一定的调节。此外还有研究表明，小鼠背根神经节的伤害感觉神经元可感知沙门氏菌感染并释放特殊的神经肽，对抵御沙门氏菌的肠道菌进行调控，从而帮助小鼠抵抗沙门氏菌感染(Nicole Y. Lai et al, 2020)。这种神经免疫机制的发现，为未来治疗肠道感染和炎症性疾病带来启示。

肠道微生态由于与胃直接相连通，因此很容易受到外界影响，饮食组成、性别、分娩方式、环境清洁度以及药物使用等因素都可能改变微生物群的组成。不同清洁度对小鼠肠道微生物多样性的影响较为明确，有研究采用MiSeq高通量测序技术研究了不同清洁度条件下饲养的Balb/c小鼠盲肠内容物的微生物菌群多样性。研究结果显示，不同清洁度环境下饲养小鼠盲肠微生物多样性存在显著差异（章爱娣, 2014）。抗生素的使用对小鼠肠道微生态的影响则是多方面的。生命早期使用抗生素可引起肠道菌群紊乱，导致小鼠生理状况改变及海马与前额皮质中部分神经化学物质的异常分泌，提示生命早期肠道菌群紊乱可能会影响小鼠的脑部功能的正常发育（张瑜杰等, 2019）。此外，抗生素诱导肠道菌群失调，还会造成小鼠出现免疫应答能力降低，TLR2和4基因表达水平下降（刘崇海等, 2007）。若将这两种条件同时作为自变量，现有的实验发现有低清洁度环境能显著降低抗生素对小鼠肠道微生态的影响。抗生素处理使小鼠肠道微生物的多样性指数出现明显下降，但相比不外加其他干预，低清洁度环境可以加快抗生素处理后小鼠肠道微生物的恢复过程，增加其肠道微生物的恢复程度（李娜，2018）。肠道菌群作为一个复杂且庞大的微生态系统，与肠-脑轴共同组成了肠道微生物、大脑和胃肠道相互沟通的桥梁。

实验室用小鼠(Mus musculus)隶属于动物界，脊椎动物门，哺乳纲，啮齿目，鼠科，小鼠属。目前小鼠在我国生物医学动物实验中的用量已经占实验动物的70%，如果不注重其繁殖行为方面的研究，可能造成受胎率下降，仔鼠生长发育缓慢，容易发生疾病（韦日明, 诸葛秀红, 2015）等后果，进而拖累后续的相关研究进展。小鼠是研究人类疾病理想的动物模型，其基因组与人类基因组高度同源，因此研究成果推广性高，且小鼠繁殖能力强，生殖周期短，有利于进行大规模实验。尽管基于基因敲除技术可构建的人类疾病小鼠模型种类繁多，但评估模型构建是否成功以及后期的分析并不都十分容易。以孤独症为例，这种神经发育障碍性疾病缺乏一致的生物标志物，因此分析主要基于行为学评估，包括社交互动及社交沟通受损、刻板运动、重复的运动模式和狭隘的兴趣活动等（刘海鹰等, 2019）。虽然对于此类社会性行为难以鉴别，但对于小鼠交配行为的研究较为清晰，在实验室中也容易观察，如果交配行为出现了异常，一般可以判断其大脑神经发育也出现了一定程度的障碍。

动物的繁殖行为包括识别、占有空间、求偶、交配、对后代的哺育等一系列的复杂行为，每一部分都受到相应脑区的中枢神经调控。在本课题中，推测肠道微生态的改变导致控制交配行为的脑区发生变化，进而使得雄鼠不育。交配是雄性和雌性之间的一种相互作用，在该过程中它们进行多种行为活动以影响异性并获得性兴奋。交配行为周期可分为三个阶段：预交配、交配和射精阶段(Snoeren et al., 2014)。利用Fos免疫反应技术(Fos-IR)可以揭示与雄性小鼠交配行为相关的神经激活模式。Fos-IR可以定量即刻早期基因c-fos的数量，并识别在各种刺激，特别是感官刺激下被激活的细胞和通路(Hoffman, Lyo, 2002)。预交配阶段诱导边缘系统特定脑亚区的神经活动。例如终纹床核的后内侧部分(BNSTpm)、内侧杏仁核的后背侧部分(MeApd)和内侧视前核(MPN)都被激活(Bressler and Baum, 1996; Coolen et al. 1997b)，交配阶段可见内侧视前核强烈激活。研究发现下丘脑前部存在一个高级的雄性性行为中枢，位于内侧视前区，被称为性二态核(sexually dimorphic nucleus)，或称性两形核。刺激该部位，雌、雄性大鼠会出现不同的性行为；损毁该部位则导致正常性行为的丧失（张春晓等, 2010）。

此外，生殖器官的变化也可能导致雄鼠不育现象的发生。经卡麦角林处理后，雄鼠睾丸组织出现不同程度损伤，处理组生精上皮细胞层减少，出现空泡、核破裂、细胞溶解及多核巨细胞脱落现象，随药物浓度增加，生精小管出现萎缩，表明雄鼠精子发生被抑制（秦姣, 2015）。为了确定本课题中雄鼠的不育是肠道微生态影响生殖器官产生变化所导致，还是受到了大脑发育障碍的影响，将对实验对象大脑和生殖器官进行切片分析，分别观察其脑区、睾丸、附睾形态及精子质量等，尽可能确定其不育的直接原因。参 考 文 献

[1]Lozupone CA, Stombaugh JI, Gordon JI, et al. Diversity, stability and resilience of the human gut microbiota[J]. Nature, 2012, 489(7415): 220-230

[2]田明明,沈锡中,董玲.肠道菌群对脑—肠轴的影响[J].中华消化杂志, 2019, 39(5): 352—353

[3]陶伟伟,董宇,刘立等.基于“脑—肠”轴的肠道菌群影响抑郁症研究进展[J].南京中医药大学学报,2019,35(2):234-238

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