編者按
腸道微生物群與中樞神經系統之間的雙向通信，被稱為“微生物群-腸道-腦軸”，已成為一個新興研究領域的焦點。微生物衍生代謝物及腸道和神經免疫代謝產物在健康和多種疾病中調節這一軸系。事實上，評估這些由微生物代謝物或神經免疫介質誘導的信號，都可以顯著增進對微生物群-腸道-腦軸的理解，但需要開發適當的技術和潛在的模型，因此，研究源自微生物群的誘導信號的方法至關重要。
今天，我們特別回顧一項2024年5月由法國里昂第一大學Stéphane Paul研究團隊發表在《Gut Microbes》的題為“New methods to unveil host-microbe interaction mechanisms along the microbiota-gut-brain-axis”的一項研究成果。該研究探討了可用于研究微生物群群-腸道-腦軸相互作用的方法和技術，重點介紹了斑馬魚、大小鼠等多種動物模型在該研究領域中的應用，并深入探討了類器官技術的應用潛力，為研究人員合理選擇相關的研究策略提供了重要參考。
文章題目
New methods to unveil host-microbe interaction mechanisms along the microbiota-gut-brain-axis
雜志：Gut Microbes（IF=12.2）
發表時間：2024年5月8日
作者：Habibullah Moradian、Tristan Gabriel、Stéphane Paul等
單位：法國里昂第一大學等
圖1 研究微生物-宿主相互作用的模型示意圖
01、研究背景
探索腸道微生物群在人類健康中的作用及其在疾病發展中的變化，是當前一個重要的研究領域。“微生物群-腸道-腦軸”這一生態系統因其與多種疾病的關聯性，尤其是腸-腦交互作用而備受關注。對微生物群-腸道-腦軸的研究揭示了微生物群改變與多種人類疾病的關聯，包括免疫性疾病、神經退行性疾病及神經疾病等。
最初，腸道-腦軸通信被認為僅限于神經系統對胃腸道病理生理學的影響及其反向作用；目前，眾所周知，腸道微生物群在神經發育中發揮著關鍵作用，并通過迷走神經將外周信號從腸道傳遞至大腦，大腦也可以通過微生物群-腸道-腦軸的傳出通路調節腸道生理功能，如應激介質對腸道通透性的調節等。目前，微生物群-腸道-腦軸已被看作是許多神經心理疾病、胃腸道炎癥性疾病干預的潛在靶點，如炎性腸?。↖BD）和腸易激綜合征（IBS）等。
已有研究證實，腸道微生物群-腸道-腦軸通過代謝物介導對宿主大腦和行為活動的調節起著至關重要的作用。在腸道黏膜層，免疫細胞、微生物和神經元相互作用，以調節腸道功能，并影響大腦的活動與行為。作為粘膜免疫系統的組成部分，腸道微生物代謝物與腸道神經元共同構成腸道-腦軸相互作用的核心媒介。
然而，該領域仍有幾個關鍵問題有待解決，比如“如何選擇技術手段解析分子相互作用機制及介導通路”“如何開發更精準的體外及離體系統，來研究微生物群-腸道-腦軸的代謝組學及分泌特征”……許多現有的實驗設計都是基于腸道微生物群的作用及其對胃腸病理生理、大腦相互作用通路的調控作用，并延伸至與微生物群-神經系統關聯的肝-腦軸及其他器官，如皮膚、肺等。黏膜免疫系統在腸道-腦軸交互作用中起著重要作用，多數研究方法都基于神經-免疫交互機制。
本研究系統回顧了研究微生物群-腸道-腦軸相互作用的技術與相關動物實驗模型的最新進展，不僅概述了斑馬魚、大小鼠等多種動物模型，并介紹了用于研究微生物群的腸道-腦軸類器官共培養系統等實驗平臺，還提出了多組學整合分析、時空動態監測技術、人工智能驅動的預測模型等改進方法，為未來的研究策略提供了更清晰的視角。
02、斑馬魚相關研究
在非哺乳動物模型中，斑馬魚是微生物群-腸道-腦軸相互作用研究中應用最廣泛的模型，其特征如圖1所示。盡管斑馬魚與人類微生物群存在實質性差異，但二者功能代謝通路的豐度高度相似。其三大核心優勢包括：
（1）易于進行斑馬魚基因編輯，可實現高效遺傳操作；
（2）斑馬魚可用于宿主-微生物相互作用的活體成像，可實時動態觀測、追蹤免疫信號分子活性等；
（3）斑馬魚無菌實驗方案已十分成熟。
1. 斑馬魚模型證實褪黑素可改善神經遞質障礙
已有研究者利用咖啡因誘導的斑馬魚神經亢奮模型，測定了褪黑素作為改善睡眠質量和調節晝夜節律紊亂的補充劑，改善神經遞質障礙。
斑馬魚實驗結果證實，與持續無菌狀態相比，褪黑素可通過重塑腸道菌群，改善咖啡因引起的腦神經遞質（DA、γ-GABA和5-HT）紊亂。這表明，受褪黑素調節的健康腸道微生物群，可以顯著改善神經遞質分泌異常。
2. 斑馬魚腸神經、免疫系統與哺乳動物相似
斑馬魚作為一種優秀的動物模型，由于其小體型、與人類的基因及生理相似性、適用于高通量篩選等優勢，且斑馬魚與哺乳動物的中樞神經系統(CNS)、周圍神經系統(PNS)具有相似性，已被用作模擬、研究各種人類疾病，如自閉癥譜系障礙（ASD）、阿爾茨海默?。ˋD）等。
此外，其胃腸系統與哺乳動物一樣高度保守，能夠感知環境刺激并向大腦傳遞信號。斑馬魚腸神經系統（ENS）由腸神經元、粘膜下/肌間神經叢、相關膠質細胞和肌肉層及能夠分泌類似于哺乳動物神經遞質的神經元組成，已被證明可以調節腸道運動，并介導腸道和中樞神經系統（CNS）之間的連接。斑馬魚的免疫系統也被證明與哺乳動物的免疫系統高度相似，哺乳動物中存在的大多數免疫細胞，包括巨噬細胞、中性粒細胞等，在斑馬魚中也同樣存在。
3. 斑馬魚基因編輯技術可用于腸道微生物群研究
斑馬魚基因編輯技術已被證實可以有效地實現基因敲除，已有多種轉基因斑馬魚品系，可用于研究腸道微生物群-腸道-腦軸之間的相互作用。有研究表明，斑馬魚和哺乳動物對微生物群腸道定植的宿主反應相似，后續將一些斑馬魚研究成果在人體實現已成為可能。
4. 基于腸道-腦軸范式，可利用斑馬魚開展中藥作用機制研究
基于微生物群-腸道-腦軸范式，Chen等人通過嗎啡誘導的斑馬魚模型，評估了中藥成分異鉤藤堿的抗成癮作用，發現異鉤藤堿的抗成癮作用與腸道菌群調控有關，為進一步研究微生物群-腸-腦軸奠定了基礎。
03、類器官模型相關研究
近年來，通過建立類器官模型，腸道離體培養取得了重大進展。
1. 類器官培養系統
Yassachar等人開發了一種微加工3D腸道類器官培養系統，可以模擬腸道細胞、免疫系統、微生物與營養物質的相互作用等。實驗表明，將該系統暴露在兩種不同的微生物中，可分別復制分枝桿菌和分段絲狀菌（SFB）誘導RORg+調節性T細胞（Tregs）和輔助性T 細胞17(Th17)生成，這表明，感覺神經元可以被與RORg+Tregs誘導相關的微生物激活，腸道神經系統可能參與促炎或抗炎反應的調控。
針對帕金森?。≒D），Trapecar等人開發了一種腸-肝-腦相互作用的中流體培養系統。該平臺基于培養基互聯的腸道免疫、肝臟免疫和腦免疫三個微生理系統（MPS），利用非病變結腸類器官（HC176）、單核細胞源性樹突狀細胞和巨噬細胞構建，研究發現，健康對照組的腦MPS與腸-肝軸MPS之間的相互作用發生在循環免疫細胞存在下，可促進神經細胞成熟基因的表達，SCFAs可上調PD相關通路。
人源多能干細胞衍生的腦類器官為神經機制研究提供了新工具，但其在微生物群-腸道-腦軸領域的應用仍有待進一步研究。目前腦類器官在微生物群領域的應用受限于缺乏微生物群落、免疫系統、血管與神經等關鍵體內組分，且無管腔結構導致腸道分泌的代謝物，如粘蛋白擴散至培養基；類器官在細胞外基質中生長時形態、大小和定位的異質性也限制了對其進行實時監測。
2. 器官芯片平臺
通過整合芯片實驗室與3D器官培養的微流控器官芯片（OoC）技術，具有培養通道多樣化、培養基需求低、成像便捷、細胞獲取量足等優勢，可克服傳統臨床前模型的局限性，重建微生物群-腸道-腦軸的病理生理復雜性，模擬單器官或多器官相互作用，降低研究成本并減少倫理爭議。如，Gabriel-Segard團隊設計的微流控裝置證明細菌脂多糖可通過免疫細胞（MoDC）介導激活谷氨酸能神經元電活動，為研究腸道-神經分泌機制提供了新思路。
圖2 器官芯片模型示意圖
3. 微生物群-腸道-腦軸代謝組學研究平臺
微生物代謝物具有多種不同的作用，通過激活免疫系統或影響神經退行性疾病進程參與腸道-腦軸相互作用，微生物群的代謝組學分析是研究微生物群-腸道-腦軸的重要工具（圖3d）。用于代謝組學分析最廣泛使用的分析平臺包括液相色譜-質譜聯用(LC-MS)、氣相色譜與質譜聯用等技術。
在基于微生物動物模型、腸道類器官等分析中，Horvath等人進行了基于液相色譜-串聯質譜(LC-MS/MS)的代謝組學分析，以研究SCFA、腸道和大腦神經遞質。他們發現，雙歧桿菌是一種存在于腸道中的共生細菌，會產生GABA(y-氨基丁酸)，其與腸道的定植、較高的腸道血清素水平有關。
Mayeli等人開發了一種微創機械傳感探針，通過口服振動膠囊感知胃腸系統信號及神經反應。該研究設計受到了信號理論的啟發，將腸道信號的機械感覺刺激與腸道感覺、腦電圖(EEG)、胃電圖(EGG)記錄及其他外周生理信號的記錄相結合。整合腸道微生物數據與EGG/EEG、非侵入電記錄系統及磁共振成像（MRI）等神經影像技術，為解析腸腦互作機制提供了多維視角。
04、編者點評
目前，動物模型已被廣泛用于研究微生物群-腸道-腦軸的相互作用機制，各種體外模型也已被用于再現其病理生理環境。本研究闡述了用于微生物群-腸道-腦軸研究的常用方法和動物模型，特別強調了斑馬魚作為體內動物模型和類器官系統作為體外模型的重要性。斑馬魚被認為特別有希望成為研究微生物群-腸道-腦軸的金標準，但也有一些局限性有待解決。
本研究還重點介紹了類器官培養系統等實驗平臺，提出了多組學整合分析、時空動態監測技術、人工智能驅動的預測模型等改進方法，為未來的研究策略提供了更清晰的視角。
作為健康美麗產業CRO服務開拓者與引領者、斑馬魚生物技術的全球領導者，環特生物搭建了“斑馬魚、類器官、哺乳動物、人體”多維生物技術服務體系，開展健康美麗CRO服務、科研服務、智慧實驗室搭建三大業務。目前，環特已建立200多種斑馬魚模型，胃癌、腦類器官、心臟類器官及各種腫瘤類器官培養平臺，歡迎有需要的讀者垂詢！