一、背景介绍
近年来，研究发现神经发育障碍和神经系统疾病与菌-肠-脑轴的失调息息相关，并在临床上不断得到证实。
其关键证据之一，是发现一些肠道细菌来源的代谢产物在多种神经系统疾病患者的体液中均显著升高。例如，肠道中表达脱羧酶和色氨酸酶的部分细菌在代谢酪氨酸和色氨酸时可产生对甲酚和吲哚酚，二者经宿主肠上皮细胞或肝脏代谢可生成对甲酚硫酸盐和吲哚酚硫酸盐。
多项研究表明，对甲酚硫酸盐和吲哚酚硫酸盐在孤独症儿童的粪便及尿液中水平显著升高，且与患儿核心症状程度呈正相关[1-2]。另有研究发现，通过给孤独症儿童服用口服式活性炭从而非特异性地清除肠道中的酚类物质可以显著改善患有严重焦虑易怒症状的患儿的行为异常[3]，提示肠道菌群及其代谢产物在神经系统疾病的发生发展中发挥着至关重要的作用。
去年四月，美国西奈山伊坎医学院的研究团队发现对甲酚硫酸盐和吲哚酚硫酸盐在多发性硬化患者的脑脊液中水平显著提高，并发现这些肠道菌群酚类代谢物具有直接的神经毒性[4]。
多发性硬化是一种由中枢神经脱髓鞘导致的疾病，患者常表现为视力障碍、四肢无力、感觉异常以及共济失调，部分患者伴发癫痫、强直痉挛、自主神经功能异常以及精神与认知障碍等。多发性硬化的许多症状与孤独症谱系障碍存在相近和共通之处。
本项研究结果表明对甲酚硫酸盐和吲哚酚硫酸盐具有直接的神经毒性，并提示可能是引发多发性硬化和孤独症的共同病因。
二、研究方法
本项研究共计招募健康受试者20名，复发缓解型多发性硬化患者14名，继发进展型多发性硬化患者11名。给予多发性硬化患者12个月的富马酸二甲酯干预，并分别在治疗前、治疗后6个月、治疗后12个月取患者的血浆和脑脊液，使用质谱法进行代谢组学分析。另取健康受试者的血浆和脑脊液进行代谢组学分析。共检测了394种代谢物的水平。
复发缓解型多发性硬化（RRMS）：
表现为明显的复发和缓解过程，每次发作均基本恢复，约80%的多发性硬化患者发病初期为复发缓解型。为方便读者阅读，“复发缓解型多发性硬化患者”一词将在下文中简写为“复发缓解型患者”；
继发进展型多发性硬化（SPMS）：
表现为在复发缓解阶段以后，症状随着复发不能完全缓解、会留有后遗症，疾病程度逐渐加重的阶段。多数复发缓解型多发性硬化患者在5~15年内最终转变为继发进展型多发性硬化。为方便读者阅读，“继发进展型多发性硬化患者”将在下文中简写为“继发进展型患者”；
富马酸二甲酯：
多发性硬化治疗的一线用药，已由美国食药监局（FDA）和中国国家药品监督管理局（NMPA）通过批准。本药还具有免疫调节功能和改善肠道菌群紊乱的作用。
三、研究结果
1）多发性硬化患者的脑脊液具有神经毒性
研究人员首先使用各脑脊液样本对小鼠的海马体和大脑皮层神经元进行体外培养。发现健康受试者的脑脊液不影响神经元的生理特性；而使用复发缓解型和继发进展型多发性硬化患者的脑脊液对神经元进行培养会影响神经元的形态，并使体外神经元轴突损伤标志物SMI32表达增加。这提示多发性硬化患者的脑脊液具有神经毒性，可诱发轴突损伤。
有趣的是，研究人员发现复发缓解型患者在经过6个月富马酸二甲酯治疗后，其脑脊液诱发体外神经元轴突损伤的能力显著下降，但继发进展型患者经治疗后其脑脊液的神经毒性无显著变化。根据这一现象，研究人员进一步探究了经富马酸二甲酯治疗后复发缓解型患者脑脊液及血浆中水平降低的代谢物成分，继而发掘富马酸二甲酯的治疗机制及多发性硬化的病因。
2）特定的肠道细菌代谢物在多发性硬化患者脑脊液中水平升高，且与患者神经元损伤水平正相关
代谢组学分析表明，复发缓解型患者脑脊液中对甲酚硫酸盐和吲哚酚硫酸盐的水平均明显高于健康受试者（P=0.05）；继发进展型患者脑脊液中吲哚酚硫酸盐水平显著升高（P=0.04），但对甲酚硫酸盐水平与健康受试者无明显差异。
代谢组学分析还指出，经富马酸二甲酯治疗6个月后，在复发缓解型患者脑脊液和血浆中均呈现水平显著下降的菌群代谢物即为对甲酚硫酸盐和吲哚酚硫酸盐，二者在复发缓解型患者脑脊液和血浆中的水平较治疗前均有显著下降；与此同时，复发缓解型患者的脑脊液中另一种肠道细菌代谢产物 N-苯乙酰基-L-谷氨酰胺的水平在经过6个月的富马酸二甲酯治疗后也有显著下降。而继发进展型患者经治疗后脑脊液和血浆中各菌群代谢物的水平无明显变化。结合前序富马酸二甲酯可降低复发缓解型患者脑脊液神经毒性但不能降低继发进展型患者脑脊液的神经毒性的结果，不难推测这三种肠道菌群酚类代谢物水平升高可能是多发性硬化患者脑脊液具有神经毒性的原因。
研究人员继而分析了上述代谢物与神经元损伤之间的关系。发现多发性硬化患者脑脊液中上述三种肠道细菌代谢物的水平均与脑脊液中指征神经退行性病变及轴突损伤的标志物——神经丝轻链的水平呈显著正相关，且三种代谢物水平的总和与大脑皮质容积呈显著负相关，进一步提示这三种肠道细菌来源的代谢物可能具有神经毒性。
3）多发性硬化患者脑脊液中升高的肠道细菌代谢物具有直接的神经毒性
接下来，研究人员通过联合使用和分别使用上述三种肠道菌群代谢物（对甲酚硫酸盐、吲哚酚硫酸盐和N-苯乙酰基-L-谷氨酰胺）对体外神经元进行培养以探究它们的神经毒性。结果表明，上述代谢物的联合使用可使体外神经元轴突损伤标志物SMI32的表达呈现剂量依赖性增加，提示上述代谢物具有损伤神经元轴突的能力，这与多发性硬化患者脑脊液表现出的神经毒性一致。
研究还发现三种肠道菌群代谢物均具有降低神经元动作电位频率的作用，其中对甲酚硫酸盐和N-苯乙酰基-L-谷氨酰胺还具有降低神经元平均放电频率的作用，而三者联合使用可更加显著地抑制神经元的兴奋性和放电。这表明三种肠道菌群代谢物各自都具有抑制神经元电生理活动和降低神经元功能的作用，而三者作用的协同性可使它们在共存时更进一步损害神经元功能。
研究人员进一步探究了三种肠道菌群代谢物是否通过提高神经元的氧化应激水平从而间接造成损伤。结果表明三种代谢物并未改变神经元的耗氧率以及氧化应激标志物硝基酪氨酸的表达水平，提示其轴突损伤能力与氧化应激无关，而是具有直接的神经毒性。
四、小结与展望
1. 多发性硬化患者脑脊液中发现肠道菌群来源的代谢物对甲酚硫酸盐、吲哚酚硫酸盐水平升高；
2. 多发性硬化患者的脑脊液可对神经元轴突造成损伤，其神经毒性部分来源于其中的肠道菌群代谢物对甲酚硫酸盐、吲哚酚硫酸盐和N-苯乙酰基-L-谷氨酰胺；富马酸二甲酯治疗可降低复发缓解型患者脑脊液的神经毒性及三种代谢物的水平；
3. 肠道菌群来源代谢物对甲酚硫酸盐、吲哚酚硫酸盐和N-苯乙酰基-L-谷氨酰胺在脑脊液中的水平与患者神经元损伤水平正相关。三种代谢物均具有直接的神经毒性，无需激发神经元氧化应激即可抑制神经元电生理活动和降低神经元功能，且具有协同作用；
4. 肠道菌群来源的神经毒性代谢物（如对甲酚硫酸盐和吲哚酚硫酸盐）可进入血液和脑脊液，参与多发性硬化和孤独症等多种神经系统疾病的发生发展。降低体液中肠道菌群来源的酚类物质水平具有缓解神经系统疾病的能力，同时这也是部分药物/疗法发挥改善神经系统疾病作用的机制之一。
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