综述：合成生物学助力解析肠脑轴：开启脑部疾病治疗新征程

为解决脑部疾病治疗难题，研究人员探究肠脑轴，发现其与脑部疾病紧密相关，为治疗带来新方向。

　　在人类对大脑的探索历程中，大脑的复杂程度始终令人着迷。它由约 1000 亿个神经元通过数万亿个突触相互连接，掌控着人类的情绪、情感和行为。然而，尽管在过去 20 年里，人们对大脑功能及相关疾病的理解取得了显著进展，但脑部相关疾病的治疗现状仍不容乐观。例如，近三分之一的抑郁症患者对目前被视为治疗情感和情绪相关障碍金标准的血清素再摄取抑制剂、三环类抗抑郁药或单胺氧化酶抑制剂没有反应。同时，脑部相关疾病在儿童和成人中的患病率不断上升，2019 年世界卫生组织报告称，全球有 2.8 亿人患有抑郁症，3.01 亿人饱受焦虑症困扰，在美国，近 19% 的成年人在一生中至少经历过一种精神疾病，自杀更是美国第 10 大死因 。

在此背景下，来自美国宾夕法尼亚大学等机构的研究人员开展了一系列研究，旨在深入探究肠脑轴（gut-brain axis，即肠道细菌与大脑之间的通信通路）在脑部健康和疾病中的作用，并利用合成生物学工具寻找新的治疗靶点和策略。相关研究成果发表在《Cell Reports Physical Science》上。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是基因编辑技术 CRISPR-Cas9，用于编辑神经元基因组，研究神经元表型和基因表达；二是光遗传学和化学遗传学技术，通过控制光或特殊设计的药物来调节神经元活动；三是各种传感器技术，如电压传感器（GEVIs）、钙传感器（GECIs）和神经递质（NT）传感器等，用于可视化和监测神经活动；四是对肠道微生物群的调控技术，包括益生菌 / 益生元干预、噬菌体疗法、抗生素 / 抗菌肽治疗和粪便微生物群移植（FMT）等。

在工程神经元的研究方面，CRISPR-Cas9 技术展现出巨大潜力。研究人员利用该技术在体外诱导多能干细胞（iPSC）模型中研究神经元表型和基因表达，成功创建了多种神经退行性疾病的临床前模型，如亨廷顿舞蹈症（HD）、帕金森病（PD）和阿尔茨海默病（AD）等。通过 CRISPR-Cas9 对相关基因突变进行编辑，能够纠正神经元的异常电生理特性。例如，在 AD 相关的 iPSC 衍生神经元中，CRISPR-Cas9 介导的基因编辑使淀粉样蛋白 β 42/40（Aβ42/40）水平正常化，动作电位的峰值幅度和频率恢复到接近正常神经元的水平。此外，CRISPR-Cas9 还可用于抑制或激活转录（CRISPRi/a），研究神经精神疾病相关基因的调控机制。

在可视化神经活动方面，研究人员开发了多种传感器。GEVIs 和 GECIs 能够实时可视化神经元的电压和钙浓度变化，如 ASAP3 可在清醒动物中实时监测神经元膜电位变化，GCaMPs 则广泛应用于多种动物模型中测量神经活动。同时，多种 NT 传感器也被开发出来，可检测大脑中特定 NT 的释放，如 iGluSnFR 和 iGABASnFR 分别用于检测谷氨酸和 γ- 氨基丁酸（GABA）的释放。

光遗传学和化学遗传学技术为调节神经元活动提供了有效手段。通过光激活离子通道或特殊设计的受体（DREADDs），研究人员能够精确控制神经元的兴奋或抑制，进而研究神经元活动与行为之间的关系。例如，利用光遗传学技术激活小鼠海马体中的特定神经元，可诱导恐惧记忆的回忆；化学遗传学技术则通过调节特定脑区的神经元活动，为研究神经精神疾病的发病机制和治疗提供了新的思路。

在工程肠道微生物群的研究中，研究人员发现肠道微生物群的失衡（gut dysbiosis）与多种脑部疾病密切相关。例如，自闭症谱系障碍（ASD）患者的肠道微生物群中，厚壁菌门与拟杆菌门的比例升高；AD 患者的肠道微生物群多样性降低，且与大脑中淀粉样蛋白 β（Aβ）的沉积有关。基于这些发现，研究人员探索了多种调节肠道微生物群的方法。

益生菌和益生元干预是其中重要的手段。一些益生菌，如乳酸杆菌和双歧杆菌，被证明能够改善小鼠的情绪和行为，减轻抑郁和焦虑样症状。益生元则可通过支持特定微生物的生长，间接影响大脑功能。例如，在 ALS 的小鼠模型中，口服 2% 的低聚半乳糖（GOS）可显著延缓疾病进展，延长小鼠寿命。同时，联合使用益生菌和益生元（synbiotic）能够调节肠道微生物群的组成，改善 ASD 儿童的症状。

抗生素和抗菌肽治疗也在研究范围内。虽然长期使用抗生素可能会带来副作用，但某些抗生素，如头孢曲松（CEF），在治疗实验性诱导的神经疾病方面显示出潜力。抗菌肽（AMPs）则可通过靶向特定细菌，调节肠道微生物群的组成，有望成为治疗脑部疾病的新策略。

噬菌体疗法是一种新兴的调节肠道微生物群的方法。噬菌体能够选择性地感染细菌细胞，通过改变肠道微生物群的组成，影响肠道代谢物的产生，进而影响肠脑轴的通信。例如，研究发现噬菌体捕食会改变小鼠肠道微生物群的代谢物组成，可能对肠脑通信产生影响。

粪便微生物群移植（FMT）作为一种直接改变肠道微生物群的技术，在治疗脑部疾病方面也展现出一定的潜力。在 AD 和 PD 患者中进行的 FMT 案例研究显示，患者的症状得到了不同程度的改善，如 AD 患者的认知功能提升，PD 患者的便秘和震颤症状缓解。

此外，研究人员还对神经活性代谢物进行了研究。肠道微生物群能够合成和释放多种神经活性物质，如短链脂肪酸（SCFAs）、生物胺和神经递质等，这些物质可通过多种途径到达大脑，影响神经元活动。例如，一些细菌产生的 GABA 和多巴胺等神经递质，可调节大脑的神经化学平衡，影响情绪和行为。

研究结论表明，肠脑轴在脑部疾病的发生和发展中起着关键作用，通过调节肠道微生物群和神经活性代谢物，有望为脑部疾病的治疗提供新的策略。合成生物学工具的应用为深入研究肠脑轴和开发个性化治疗方案提供了有力支持。然而，目前仍有许多问题有待解决，如如何精确靶向特定的肠道细菌物种，如何避免治疗带来的不良副作用，以及如何将多学科研究成果转化为实际的临床治疗等。未来，跨学科的合作和新技术的不断发展将有助于进一步揭示肠脑轴的奥秘，为脑部疾病患者带来新的希望。