肠道菌群在慢性疼痛中的作用机制研究进展

作者：王燕，叶樱，程浩，唐君，南京医科大学金陵临床医学院（东部战区总医院）麻醉科

疼痛是一种不愉快的感觉，与实际或潜在的组织损伤有关。世界卫生组织已将其确定为继血压、呼吸、脉搏和体温之后的“第五个生命体征”。据流行病学统计，三分之一的美国人患有慢性疼痛，每年的医疗费用高达6000亿，在中国也发现腰痛是致残的重要原因。

尽管慢性疼痛发生率很高，但人们对疼痛背后的分子机制尚不完全清楚，治疗常用的镇痛药多具有成瘾性。为更有效缓解疼痛，阐明背后的机制是非常重要的。近年来“微生物-肠-脑轴”已然成为神经科学研究的焦点，疼痛可能与之有关。肠道菌群与宿主以及外部环境之间保持动态平衡，多种危险因素可能引发肠道菌群失调，如使用抗生素、高脂高糖饮食、社会压力、遗传等。

一旦肠道菌群失调，会引发宿主多种功能丧失，最终导致疾病发生，如阿尔茨海默病、创伤性脑损伤、抑郁等。有研究发现，慢性疼痛的发展和肠道菌群失调有关，所以调节肠道菌群可能成为临床上治疗慢性疼痛的新靶点。本文主要就目前关于肠道菌群在慢性疼痛中的改变及其参与肠-脑轴的机制以及通过干预肠道菌群进行治疗慢性疼痛的方式等作一综述。

1. 肠道菌群调节慢性疼痛的机制

1.1 肠道菌群本身成分

脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是大多数革兰氏阴性菌外膜的主要成分，可促进巨噬细胞释放促炎因子，激活NF-κB通路，导致外周伤害感受器敏化。LPS还增加瞬时感受器电位锚蛋白1（transient receptor potential A1，TRPA1）和热敏通道瞬时感受器电位香草素受体1（transient receptor potential V1，TRPV1）蛋白的表达，TRPA1蛋白表达增加，引发伤害性神经元去极化；LPS与Toll样受体4（toll-like receptor 4，TLR4）结合，激活TRPV1介导的辣椒素反应诱导疼痛发生。

肽聚糖是细菌细胞壁的主要成分，结合脊髓中小胶质细胞和星形胶质细胞上的TLR2和TLR4，引起TNF-α和IL-1β的释放，诱发炎症性疼痛。白色念珠菌产生的的β葡聚糖可结合背根神经节（dorsal root ganglion，DRGs表达的C型凝集素受体，通过介导TRPV1和TRPA1的激活在小鼠中产生疼痛行为。

1.2 肠道菌群代谢物

肠道菌群的代谢物主要来自于宿主不能或未来得及消化的食物以及肠道上皮细胞分泌的内源性黏液，经过肠道菌群的作用，产生代谢物如短链脂肪酸、色氨酸以及次级胆汁酸等生物活性化合物。这些代谢物可保留在肠道局部发挥作用；也可在循环中释放，在远端组织器官发挥作用。

短链脂肪酸（short chain fatty acids，SCFA）主要包括丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐，是肠道中重要的免疫调节分子，通过调节肠道炎症和上皮屏障功能间接影响慢性疼痛的进展，通过其受体、转运蛋白和组蛋白脱乙酰酶调节能量代谢、神经炎症和血脑屏障通透性直接影响中枢神经系统。SCFA通过调节小鼠小胶质细胞的成熟，调节神经递质的表达及色氨酸的代谢来影响疼痛的进展。

神经损伤后同侧脊髓背角中小胶质细胞激活，通过衍生细胞因子和趋化因子介导疼痛发展。在不同疼痛模型中，肠道菌群似乎参与这一过程。SCFA还通过促进结肠内分泌细胞如胰高糖素样肽-1和肽YY释放神经肽来间接调节情绪和行为。其中有实验发现，在大鼠中注入丁酸盐能够促进肠道黏膜修复和减轻炎症，影响炎症性内脏疼痛的进展，且丁酸钠是以剂量依赖性方式增强小胶质细胞的抗炎功能。

有趣的是，尽管丁酸治疗可减少轴突损伤并降低星形胶质细胞的活性，但不会显著改变脊髓中的小胶质细胞的反应性和巨噬细胞浸润。此外，有研究发现丁酸单胞菌的丰度与β-羟基丁酸（β-hydroxybutyrate，BHB）水平呈正相关，BHB结合游离脂肪酸受体（FFAR2，FFAR3），通过抑制组蛋白去乙酰化和激活NLRP3炎症小体，显著缓解脊髓损伤小鼠的疼痛。

FFAR2和FFAR3在去甲肾上腺素能交感神经元中表达，这些受体与丙酸结合后增强去甲肾上腺素的释放，抗抑郁药抑制神经性疼痛的主要机制就是脊髓中去甲肾上腺素的增加。FFAR3还存在于小鼠脑干迷走神经节中，迷走神经功能失调引起的炎症失衡与慢性疼痛的病因密切相关。FFAR2和FFAR3在背根神经节和三叉神经节中也有表达，这是疼痛转导所必需的。

综上所述，这些研究表明SCFA激活在疼痛转导中的机制，需要进一步大规模的临床前和临床研究。

色氨酸是几种单胺神经递质的前体，肠道菌群将色氨酸代谢成芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）激动剂，激活星形胶质细胞中的AhR信号传导能够抑制中枢神经系统炎症并最终缓解疼痛。代谢物之一犬尿氨酸激活DRG中GPR35，引起DRG神经元的兴奋性降低，并抑制DRG神经元的超极化激活的环核苷酸门控通道，在体内以剂量依赖的方式引起镇痛。色氨酸还是体内其他重要物质的前体，如褪黑素。近年来多项研究发现，褪黑素具有镇痛等作用。

胆汁酸也会影响疼痛。外周巨噬细胞中的脱氧胆酸结合胆汁酸受体（takeda G protein-coupled receptor 5，TGR5）通过释放内源性阿片类物质引起镇痛作用，但另一项研究中却发现矛盾结果：大鼠结肠灌注脱氧胆酸会引起扩张造成内脏疼痛，这是由于肥大细胞释放的神经生长因子能够增加TRPV1神经元的表达，因此参与伤害信息传递。

进一步研究发现激活胆汁酸受体TGR5或FXR（法尼醇X受体）是通过调节γ氨基丁酸受体抑制脊髓中的神经炎症反应因此缓解神经性疼痛。慢性束缚应激（chronic restraint stress，CRS）小鼠粪便测序的结果显示雄性小鼠乳酸菌减少，雌性小鼠双歧杆菌减少。而将CRS疼痛小鼠的粪便移植给无菌小鼠后，利用京都基因与基因组百科全书分析发现雄性小鼠的血清代谢特征主要涉及胆汁酸分泌，而雌性小鼠的相应变化主要是牛磺酸和次牛磺酸代谢改变，这说明肠道菌群在CRS诱导的痛觉过敏中具有性别差异。

1.3 肠道菌群产生的神经递质

谷氨酸作为中枢神经系统主要的兴奋性神经递质，在胃肠道中由某些微生物菌株产生。在肠易激综合征大鼠模型中发现海马中谷氨酸α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体（a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor，AMPA）受体的水平显著增加，其拮抗剂CNQX降低内脏对结肠扩张引起的疼痛感知，说明离子型谷氨酸受体可能参与慢性内脏疼痛控制。来自动物和人类研究的数据表明，N-甲基-D-天冬氨酸受体（n-methyl-d-aspartic acid receptor，NMDA受体具有抗抑郁作用，这一受体可与辣椒素敏感的TRPV1共表达，维持慢性疼痛。

乳杆菌属和双歧杆菌属通过脱羧酶对谷氨酸脱羧产生γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA。大鼠中GABA受体的激动剂能够抑制结直肠扩张引起的内脏疼痛。GABA与DRG神经元表面表达的GABA受体结合，导致其去极化，从而抑制伤害性传递。

念珠菌属、链球菌属、大肠杆菌属和肠球菌属产生5-羟色胺（5-HT），5-HT作用于5-HT2和5-HT3后导致DRG中初级伤害感受神经元去极化，降低内脏超敏反应。一项研究表明，破坏雌性大鼠的血清素再摄取转运蛋白会增加内脏超敏反应，然而在雄性大鼠中未看到类似现象，说明血清素对疼痛的干预具有性别差异，这可能是由于雌激素可调节血清素的再摄取和降解。

临床上常用的抗抑郁药SSRIs通过抑制5-HT的重吸收，发挥抗抑郁作用，但这却对疼痛无明显缓解作用，最近的一项实验揭示了内源性5-HT调节疼痛不稳定的机制可能是由于氯稳态遭到破坏，目前还需要更多的研究来论证这一观点。

普拉梭菌产生的丝氨酸蛋白酶可结合蛋白酶激活受体4，通过降低背根神经节神经元的兴奋性，抑制痛觉感受器激活。还有观点认为，丝氨酸蛋白酶能够调节内源性阿片类物质的释放，从而影响伤害信号的传递。

1.4 肠道菌群毒性副产物

来自金黄色葡萄球菌的n-甲酰化肽通过甲酰基肽受体（formyl peptide receptor，FPR1）激活痛觉感受器，并发现小鼠敲除FPR1后机械异常性疼痛减少。金黄色葡萄球菌产生的一种孔隙形成毒素α溶血素通过TRPV1离子通道介导引起伤害性神经元阳离子流入，导致疼痛超敏反应。

2. 肠道菌群在不同慢性疼痛动物模型中的作用

慢性疼痛可能源于炎症、神经损伤、组织器官受损或自身免疫性疾病，在目前常见的动物模型中，肠道菌群的作用研究已取得不同程度的进展。

2.1 脊神经截断模型（spinal nerve truncation，SNT）

神经损伤后，肠道内菌群失调，这些菌群变化共同协调上调脊髓中TNF-α表达，通过激活突触前谷氨酸释放在疼痛发展中起到关键作用。广谱抗生素混合治疗（antibiotic，ABX）或补充益生菌可缓解疼痛。有趣的是，这并不影响SNT激活的胶质细胞和其他疼痛调节基因如IL-1β、IL-6、BDNF，具体机制有待进一步探索。

2.2 慢性坐骨神经压迫模型（chronic constriction injury，CCI）

ABX导致肠道菌群大量消耗，通过抑制脊髓神经胶质细胞的激活从而改善CCI疼痛过敏，流式细胞术还验证了ABX缓解CCI诱导的疼痛和脊髓浸润T细胞向调节性T细胞转变有关，但肠道菌群如何影响调节性T细胞具体机制目前未知。相比之下，另一项研究显示口服益生菌，如罗伊氏乳杆菌LR06或双歧杆菌BL5b，对CCI诱导的神经性疼痛无显著影响，这些矛盾的结果表明可能存在种间差异。

2.3 药物诱导的神经病变模型

在奥沙利铂诱导的化疗痛模型中，ABX治疗降低DRG中IL-6和TNF-α及其基因转录物水平，进一步研究发现肠道微生物群通过LPS–TLR4途径影响奥沙利铂治疗后机械性痛觉过敏的发展，而机械痛觉过敏是与化疗相关的主要副作用。这些发现与先前关于奥沙利铂具有神经毒性的发现并不相互排斥。另一种化疗药物紫杉醇治疗可改变大鼠肠道菌群种属及丰度，促进炎症因子的释放，激活TLR4和MAPKs促进大鼠的机械痛和热痛痛觉过敏。

2.4 炎性痛

在大鼠膝韧带注射MIA诱导关节炎痛模型中发现，乳酸菌通过改善肠道功能受损和增加SCFA受体治疗骨关节炎，进一步研究还发现，丁酸能够恢复炎症环境中软骨细胞的异常自噬从而减少炎症细胞的死亡。上述研究表明，肠道菌群与炎症反应关系密切，针对肠道菌群改善炎症反应可能是治疗慢性疼痛的有效靶点。

2.5 偏头痛

偏头痛确切发病机制尚不明确，但似乎与肠脑轴相关。啮齿动物注射硝酸甘油后会诱发偏头痛相关的感觉超敏反应，血液检查发现TNF-α水平升高，进一步研究发现这与DRG中AMPAR-GluA1磷酸化和转运增加有关。之前关于肠道菌群与偏头痛的研究较少，肠道菌群导致神经递质的改变通过影响大脑功能来调控偏头痛机制尚未阐明，可能成为未来的研究热点。

2.6 内脏痛

慢性内脏痛是一种源于内脏器官的疼痛感觉，肠道菌群不仅维持胃肠道神经和免疫系统稳定，还可影响胃肠道内脏敏感性和对疼痛刺激的反应性。无菌小鼠会表现内脏敏感性增强并伴随脊髓炎性因子以及Toll样受体上调。另外，在多项炎症性肠病的模型中发现小鼠的空间和认知记忆受损，这是因为肠道菌群介导了色氨酸通路的上调，并且与星形胶质细胞的神经毒性有关。以上证据均表明，与胃肠道疾病相关的内脏疼痛超敏反应与肠道菌群紊乱存在某些联系，且恢复肠道菌群稳态后可相对缓解胃肠道疾病引起的内脏痛。

3. 治疗

3.1 靶向治疗肠道菌群

目前粪群移植（fecal microbiota transplantation，FMT）已用于多种疾病的治疗，可能通过免疫和代谢信号传导在疼痛中发挥作用。一方面，移植的健康菌群的某些成分可通过抑制神经炎症和降低TLR4/TNF-α信号通路的活性，发挥神经保护作用。

另一方面，FMT帮助患者恢复胆汁酸代谢。尽管一些研究表明接受移植者会出现腹泻、腹痛、恶心等，但其在慢性疼痛治疗中的巨大潜力不容忽视。相比较其他治疗方法而言，临床上改变肠道菌群最简单的方法是应用益生菌。虽然由于各项研究设计不同、益生菌剂量和使用菌株的差异，很难整合益生菌干预的数据，但多项数据均表明，特定的益生菌可缓解慢性疼痛。

3.2 非靶向治疗肠道菌群

多种饮食干预可对健康产生有益影响。低脂低糖饮食可降低氧化应激，阻止炎症信号的传递；低多胺饮食通过减少NMDA生成，抑制中枢敏化，这可成为慢性疼痛的治疗靶点。另外，Guida等发现，维生素D缺乏导致微生物多样性降低，并导致与神经元过度兴奋相关的机械性异常疼痛，所以补充维生素D可能增加肠道微生物种类的丰度，这在慢性疼痛的治疗中具有重要意义。

4. 结语与展望

肠道菌群是一个复杂庞大的微生物系统，在长期进化中与人类形成密切联系。既往有不同研究表明肠道微生物组和中枢神经系统之间存在相互作用，进而对慢性疼痛产生影响，但具体的机制目前仍不清楚。临床上还发现慢性疼痛多与抑郁共病，而抑郁与肠道菌群的关系也在多种动物模型中被证明。

另外，胶质细胞中观察到的脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）与情绪障碍有关，早先有人推测小胶质细胞稳态的破坏是抑郁症的基础。利福昔明正是通过调节小胶质细胞的功能发挥肠道菌群依赖型的抗抑郁作用。由于抑郁多与慢性疼痛共病，因此肠道菌群，小胶质细胞和BDNF之间的相互作用可从抑郁延伸到疼痛。

值得注意的是，BDNF介导的信号在慢性疼痛的发展中具有性别二态性，而迄今为止，还没有研究检查肠道微生物组与BDNF之间关系中的这一差异，这是进一步研究的重要领域。

随着生物技术的进步，如宏基因组学、代谢组学和蛋白组学的发展，包括新的生物信息学和计算方法，可进一步研究肠道菌群在慢性疼痛中的潜在因果作用。基于益生菌等治疗可调控肠道菌群，由此可研发针对慢性疼痛的个体化治疗。

来源：王燕，叶樱，程浩，等.肠道菌群在慢性疼痛中的作用机制研究进展[J].医学研究与战创伤救治，2024，37（06）:640-644.

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