编者按
肠道微生物群与中枢神经系统之间的双向通信，被称为“微生物群-肠道-脑轴”，已成为一个新兴研究领域的焦点。微生物衍生代谢物及肠道和神经免疫代谢产物在健康和多种疾病中调节这一轴系。事实上，评估这些由微生物代谢物或神经免疫介质诱导的信号，都可以显著增进对微生物群-肠道-脑轴的理解，但需要开发适当的技术和潜在的模型，因此，研究源自微生物群的诱导信号的方法至关重要。
今天，我们特别回顾一项2024年5月由法国里昂第一大学Stéphane Paul研究团队发表在《Gut Microbes》的题为“New methods to unveil host-microbe interaction mechanisms along the microbiota-gut-brain-axis”的一项研究成果。该研究探讨了可用于研究微生物群群-肠道-脑轴相互作用的方法和技术，重点介绍了斑马鱼、大小鼠等多种动物模型在该研究领域中的应用，并深入探讨了类器官技术的应用潜力，为研究人员合理选择相关的研究策略提供了重要参考。
文章题目
New methods to unveil host-microbe interaction mechanisms along the microbiota-gut-brain-axis
杂志：Gut Microbes（IF=12.2）
发表时间：2024年5月8日
作者：Habibullah Moradian、Tristan Gabriel、Stéphane Paul等
单位：法国里昂第一大学等
图1 研究微生物-宿主相互作用的模型示意图
01、研究背景
探索肠道微生物群在人类健康中的作用及其在疾病发展中的变化，是当前一个重要的研究领域。“微生物群-肠道-脑轴”这一生态系统因其与多种疾病的关联性，尤其是肠-脑交互作用而备受关注。对微生物群-肠道-脑轴的研究揭示了微生物群改变与多种人类疾病的关联，包括免疫性疾病、神经退行性疾病及神经疾病等。
最初，肠道-脑轴通信被认为仅限于神经系统对胃肠道病理生理学的影响及其反向作用；目前，众所周知，肠道微生物群在神经发育中发挥着关键作用，并通过迷走神经将外周信号从肠道传递至大脑，大脑也可以通过微生物群-肠道-脑轴的传出通路调节肠道生理功能，如应激介质对肠道通透性的调节等。目前，微生物群-肠道-脑轴已被看作是许多神经心理疾病、胃肠道炎症性疾病干预的潜在靶点，如炎性肠病（IBD）和肠易激综合征（IBS）等。
已有研究证实，肠道微生物群-肠道-脑轴通过代谢物介导对宿主大脑和行为活动的调节起着至关重要的作用。在肠道黏膜层，免疫细胞、微生物和神经元相互作用，以调节肠道功能，并影响大脑的活动与行为。作为粘膜免疫系统的组成部分，肠道微生物代谢物与肠道神经元共同构成肠道-脑轴相互作用的核心媒介。
然而，该领域仍有几个关键问题有待解决，比如“如何选择技术手段解析分子相互作用机制及介导通路”“如何开发更精准的体外及离体系统，来研究微生物群-肠道-脑轴的代谢组学及分泌特征”……许多现有的实验设计都是基于肠道微生物群的作用及其对胃肠病理生理、大脑相互作用通路的调控作用，并延伸至与微生物群-神经系统关联的肝-脑轴及其他器官，如皮肤、肺等。黏膜免疫系统在肠道-脑轴交互作用中起着重要作用，多数研究方法都基于神经-免疫交互机制。
本研究系统回顾了研究微生物群-肠道-脑轴相互作用的技术与相关动物实验模型的最新进展，不仅概述了斑马鱼、大小鼠等多种动物模型，并介绍了用于研究微生物群的肠道-脑轴类器官共培养系统等实验平台，还提出了多组学整合分析、时空动态监测技术、人工智能驱动的预测模型等改进方法，为未来的研究策略提供了更清晰的视角。
02、斑马鱼相关研究
在非哺乳动物模型中，斑马鱼是微生物群-肠道-脑轴相互作用研究中应用最广泛的模型，其特征如图1所示。尽管斑马鱼与人类微生物群存在实质性差异，但二者功能代谢通路的丰度高度相似。其三大核心优势包括：
（1）易于进行斑马鱼基因编辑，可实现高效遗传操作；
（2）斑马鱼可用于宿主-微生物相互作用的活体成像，可实时动态观测、追踪免疫信号分子活性等；
（3）斑马鱼无菌实验方案已十分成熟。
1. 斑马鱼模型证实褪黑素可改善神经递质障碍
已有研究者利用咖啡因诱导的斑马鱼神经亢奋模型，测定了褪黑素作为改善睡眠质量和调节昼夜节律紊乱的补充剂，改善神经递质障碍。
斑马鱼实验结果证实，与持续无菌状态相比，褪黑素可通过重塑肠道菌群，改善咖啡因引起的脑神经递质（DA、γ-GABA和5-HT）紊乱。这表明，受褪黑素调节的健康肠道微生物群，可以显著改善神经递质分泌异常。
2. 斑马鱼肠神经、免疫系统与哺乳动物相似
斑马鱼作为一种优秀的动物模型，由于其小体型、与人类的基因及生理相似性、适用于高通量筛选等优势，且斑马鱼与哺乳动物的中枢神经系统(CNS)、周围神经系统(PNS)具有相似性，已被用作模拟、研究各种人类疾病，如自闭症谱系障碍（ASD）、阿尔茨海默病（AD）等。
此外，其胃肠系统与哺乳动物一样高度保守，能够感知环境刺激并向大脑传递信号。斑马鱼肠神经系统（ENS）由肠神经元、粘膜下/肌间神经丛、相关胶质细胞和肌肉层及能够分泌类似于哺乳动物神经递质的神经元组成，已被证明可以调节肠道运动，并介导肠道和中枢神经系统（CNS）之间的连接。斑马鱼的免疫系统也被证明与哺乳动物的免疫系统高度相似，哺乳动物中存在的大多数免疫细胞，包括巨噬细胞、中性粒细胞等，在斑马鱼中也同样存在。
3. 斑马鱼基因编辑技术可用于肠道微生物群研究
斑马鱼基因编辑技术已被证实可以有效地实现基因敲除，已有多种转基因斑马鱼品系，可用于研究肠道微生物群-肠道-脑轴之间的相互作用。有研究表明，斑马鱼和哺乳动物对微生物群肠道定植的宿主反应相似，后续将一些斑马鱼研究成果在人体实现已成为可能。
4. 基于肠道-脑轴范式，可利用斑马鱼开展中药作用机制研究
基于微生物群-肠道-脑轴范式，Chen等人通过吗啡诱导的斑马鱼模型，评估了中药成分异钩藤碱的抗成瘾作用，发现异钩藤碱的抗成瘾作用与肠道菌群调控有关，为进一步研究微生物群-肠-脑轴奠定了基础。
03、类器官模型相关研究
近年来，通过建立类器官模型，肠道离体培养取得了重大进展。
1. 类器官培养系统
Yassachar等人开发了一种微加工3D肠道类器官培养系统，可以模拟肠道细胞、免疫系统、微生物与营养物质的相互作用等。实验表明，将该系统暴露在两种不同的微生物中，可分别复制分枝杆菌和分段丝状菌（SFB）诱导RORg+调节性T细胞（Tregs）和辅助性T 细胞17(Th17)生成，这表明，感觉神经元可以被与RORg+Tregs诱导相关的微生物激活，肠道神经系统可能参与促炎或抗炎反应的调控。
针对帕金森病（PD），Trapecar等人开发了一种肠-肝-脑相互作用的中流体培养系统。该平台基于培养基互联的肠道免疫、肝脏免疫和脑免疫三个微生理系统（MPS），利用非病变结肠类器官（HC176）、单核细胞源性树突状细胞和巨噬细胞构建，研究发现，健康对照组的脑MPS与肠-肝轴MPS之间的相互作用发生在循环免疫细胞存在下，可促进神经细胞成熟基因的表达，SCFAs可上调PD相关通路。
人源多能干细胞衍生的脑类器官为神经机制研究提供了新工具，但其在微生物群-肠道-脑轴领域的应用仍有待进一步研究。目前脑类器官在微生物群领域的应用受限于缺乏微生物群落、免疫系统、血管与神经等关键体内组分，且无管腔结构导致肠道分泌的代谢物，如粘蛋白扩散至培养基；类器官在细胞外基质中生长时形态、大小和定位的异质性也限制了对其进行实时监测。
2. 器官芯片平台
通过整合芯片实验室与3D器官培养的微流控器官芯片（OoC）技术，具有培养通道多样化、培养基需求低、成像便捷、细胞获取量足等优势，可克服传统临床前模型的局限性，重建微生物群-肠道-脑轴的病理生理复杂性，模拟单器官或多器官相互作用，降低研究成本并减少伦理争议。如，Gabriel-Segard团队设计的微流控装置证明细菌脂多糖可通过免疫细胞（MoDC）介导激活谷氨酸能神经元电活动，为研究肠道-神经分泌机制提供了新思路。
图2 器官芯片模型示意图
3. 微生物群-肠道-脑轴代谢组学研究平台
微生物代谢物具有多种不同的作用，通过激活免疫系统或影响神经退行性疾病进程参与肠道-脑轴相互作用，微生物群的代谢组学分析是研究微生物群-肠道-脑轴的重要工具（图3d）。用于代谢组学分析最广泛使用的分析平台包括液相色谱-质谱联用(LC-MS)、气相色谱与质谱联用等技术。
在基于微生物动物模型、肠道类器官等分析中，Horvath等人进行了基于液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)的代谢组学分析，以研究SCFA、肠道和大脑神经递质。他们发现，双歧杆菌是一种存在于肠道中的共生细菌，会产生GABA(y-氨基丁酸)，其与肠道的定植、较高的肠道血清素水平有关。
Mayeli等人开发了一种微创机械传感探针，通过口服振动胶囊感知胃肠系统信号及神经反应。该研究设计受到了信号理论的启发，将肠道信号的机械感觉刺激与肠道感觉、脑电图(EEG)、胃电图(EGG)记录及其他外周生理信号的记录相结合。整合肠道微生物数据与EGG/EEG、非侵入电记录系统及磁共振成像（MRI）等神经影像技术，为解析肠脑互作机制提供了多维视角。
04、编者点评
目前，动物模型已被广泛用于研究微生物群-肠道-脑轴的相互作用机制，各种体外模型也已被用于再现其病理生理环境。本研究阐述了用于微生物群-肠道-脑轴研究的常用方法和动物模型，特别强调了斑马鱼作为体内动物模型和类器官系统作为体外模型的重要性。斑马鱼被认为特别有希望成为研究微生物群-肠道-脑轴的金标准，但也有一些局限性有待解决。
本研究还重点介绍了类器官培养系统等实验平台，提出了多组学整合分析、时空动态监测技术、人工智能驱动的预测模型等改进方法，为未来的研究策略提供了更清晰的视角。
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