内脏痛-褪黑素-肠道菌群互作机制研究进展

摘要

内脏疼痛是一种典型的胃肠道疾病，是由中空的内脏器官壁过度收缩、拉伸、紧张、缺血或炎症引起，临床上表现为腹痛、腹胀、排便紊乱等。褪黑素（melatonin，MT）生理功能广泛，主要体现在调节昼夜节律和胃肠道运动、镇痛、免疫调节等，褪黑素抗内脏痛主要通过缓减胃肠道动力、调节肠道菌群与昼夜节律等途径实现。肠道菌群参与调节宿主消化营养、免疫、机体代谢等生物学过程，维持胃肠道菌群微环境稳态。肠道菌群-褪黑素互作是内脏痛肠-脑轴的重要内容。为此，本文聚焦内脏痛发生与褪黑素、内脏痛与肠道菌群相关性、褪黑素与肠道菌群互作等关键问题，以现有相关文献为基础，梳理了内脏痛与褪黑素-肠道菌群互作的内在关联性，为后续内脏痛机制研究提供新思路。

Graphical abstract

关键词

内脏痛 / 褪黑素 / 肠道菌群 / 昼夜节律

肠-脑轴通过神经元通路、免疫和代谢，参与肠道和大脑之间广泛的双向互动，而肠道菌群可以通过肠道与中枢系统产生联系，形成微生物-肠-脑轴。近年来发现，肠道菌群-肠-脑轴与包括内脏痛在内的慢性疼痛存在密切联系。褪黑素是由松果体分泌的一种神经内分泌激素，具有明显的昼夜节律，白天分泌受抑制，夜晚分泌活跃。褪黑素可通过神经及血液作用于肠道细胞及肠道微生物发挥其调节昼夜节律和胃肠道运动、镇痛、免疫调节等作用，在内脏痛治疗中也突显优势。用抗生素干预小鼠肠道菌群可以减轻内脏痛模型的内脏痛超敏反应^［1］，菌群衍生介质或代谢物可通过激活非神经细胞（如免疫细胞）释放促炎细胞因子、趋化因子、抗炎细胞因子或神经肽^［2］，表明肠道菌群可能直接或间接调节神经元兴奋性，参与调节内脏痛。肠道菌群与褪黑素是肠-脑轴的重要组成成分，二者互作可能在内脏痛调节中发挥重要作用，但其作用机制仍然处于探索阶段。为此，本文试图梳理清晰内脏痛与褪黑素-肠道菌群互作的内在关联性，为深入研究褪黑素-肠道菌群在内脏痛中的作用机制及丰富微生物-肠-脑轴理论提供支撑。

1 内脏痛与褪黑素

内脏痛通常是由中空的内脏器官的器官壁过度收缩、拉伸、紧张、缺血或炎症引起，同时伴有躯体疼痛与情绪及其他慢性疾病的共同重叠^［3］。临床上表现为腹痛、腹胀、排便紊乱等，内脏疼痛包括广泛的慢性综合征，如神经性疼痛、非心源性胸痛、功能性腹痛、子宫内膜异位症、胰腺炎及肠易激综合征（irritable bowel syndrome，IBS）和炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）^［4］。临床及实验研究中缓减内脏痛也是通过这几方面加以干预，包括调节胃肠动力，免疫调节及抗炎症等途径。褪黑素具有镇痛作用，其调节胃肠动力、免疫调节作用及抗炎症作用对治疗内脏痛有明显潜力。

1.1 褪黑素及其受体的产生与分布

褪黑素是5-羟色胺（5-HT）的衍生物，由松果体在正常的暗光交替条件下夜间分泌的神经激素，光照能够影响褪黑激素的释放，主要生理功能是向身体结构传递有关昼夜循环的信息，响应光周期的变化。褪黑素稳定并加强了昼夜节律的耦合，特别是核心温度和睡眠-觉醒节律，其他生理功能的昼夜节律也依赖于褪黑素信号，例如镇痛、免疫、抗氧化防御、止血和血糖调节^［5］。除松果体外，肠道褪黑素由消化道黏膜的肠嗜铬细胞（enterochromaffin cell， EC细胞）产生，其浓度超过脑和血液中的浓度，是松果体褪黑素含量的400倍^［6］。根据药理学特性MT受体分为三种亚型，包括两种膜受体（MT1、MT2）和一种核受体（MT3），MT3属于醌还原酶家族，具有强抗氧化能力^［7］，G蛋白偶联的MT1与MT2两者存在高度的氨基酸同源性，互补调节神经系统的昼夜节律等其他生物学功能^［8］。MT1 mRNA在大鼠十二指肠中表达最高，在空肠和回肠中表达较低；MT2蛋白在大鼠结肠平滑肌层中表达丰度最高^［9］。褪黑素及其受体的组织分布差异反映其生理功能多样性，决定其与神经系统疾病、胃肠道疼痛疾病等病理学特征密切关联。

1.2 褪黑素的镇痛作用

褪黑素可能与内脏超敏反应和疼痛感知有关^［10］。褪黑素与其受体结合可升高动物的疼痛阈值，抑制Nav1.8的表达，调节钠通道活性，起到镇痛作用^{［7， 11］}。在内脏疼痛模型中，经褪黑素受体激动剂Neu-P11或Neu-P12作用后可以减轻小鼠内脏疼痛反应^［12］，在神经性疼痛模型中，用MT2受体激动剂IIK-7可以缓解大鼠机械痛并抑制神经胶质细胞活化^［13］。除此之外，褪黑素的抗焦虑、镇静和镇痛特性可成为手术期麻醉中的辅助药物，减少焦虑，缓减疼痛^［14］。临床上常见的褪黑素药物是雷美替胺和阿戈美拉汀，二者也可用于生物节律紊乱性失眠和时差变化睡眠障碍，且具有一定的抗抑郁效应。与吗啡和非甾体类抗炎药等其他常用镇痛药相比，对患者的不良反应小，因此，褪黑素的使用正逐渐成为一种重要的镇痛治疗方案，但褪黑素的镇痛作用包括抗内脏痛机制仍不清楚。

1.3 褪黑素调节胃肠动力缓减内脏痛

内脏痛可能因褪黑素的抗胃肠动力作用而有效缓解。褪黑素促进胃和十二指肠溃疡愈合，可作为胸腺和脾脏等免疫器官的保护剂。褪黑素具备高亲脂性特性，胃肠道中分布褪黑素受体，褪黑素可与受体结合调节胃肠动力，也可透过黏膜层和黏膜下层，作用于黏膜肌层或肠道神经丛^［15］，从而对肠道动力造成影响。也有研究认为，不同剂量的褪黑素对肠道产生不同作用，高浓度的褪黑素抑制胃、回肠、空肠和结肠肌肉的自发性和5-HT诱导的蠕动，低剂量的褪黑素加速肠道蠕动^［16］。胃肠道平滑肌细胞中分布有褪黑素受体和5-HT受体，大鼠胃、结肠和十二指肠黏膜均有MT2免疫反应，表明MT2受体参与褪黑素对胃肠道运动的调节^［17］，内脏痛发生发展的胃肠道相关机制可能与褪黑素、5-HT受体、褪黑素受体密切相关。

1.4 褪黑素抗炎作用缓解内脏痛

慢性内脏痛因褪黑素的抗炎作用而缓减。新生儿结肠炎症（neonatal colonic inflammation，NCI）诱导的内脏超敏大鼠模型中，脊髓鞘内应用褪黑素后可显著升高NCI大鼠的疼痛阈值，并显著降低背根神经节（dorsal root ganglion， DRG）神经元的兴奋性和TTXR钠通道密度，MT2受体蛋白的表达明显降低，应用MT2受体激动剂8MP后可升高NCI大鼠的腹部扩张阈值，并降低DRG神经元的超敏性^［7］。褪黑素能减少促炎细胞因子分泌，有效抑制应激引起的结肠炎恶化，治疗IBD^［18］。褪黑素的抗炎作用与许多转录因子，如活化B细胞核因子κ轻链增强子（nuclear factor kappa-B，NF-κB）、缺氧诱导因子、核转录因子E2的调节有关。NF-κB是诱导型一氧化氮合酶基因表达的关键转录因子，褪黑素对肠道炎症的治疗作用基于对NF-κB的抑制，导致促炎细胞因子基因表达抑制；褪黑素下调NF-κB介导的促炎因子和阻断核因子κB抑制因子α降解来降低结肠炎性损伤，一氧化氮合酶的抑制和NF-κB的下调都将导致炎性因子指标的改变^［19］；同样，在小鼠溃疡性结肠炎模型中，研究者也发现结肠段NF-κB和Nrf2等相关因子含量显著升高，外源褪黑素处理后相关炎性因子表达显著下调。褪黑素还可逆转炎症引起的肠道通透性升高，降低血液脂多糖水平，抑制促炎性细胞因子、趋化因子和正急性蛋白的表达，从而提高抗炎细胞因子白介素1受体和负急性蛋白纤维蛋白原的表达^［20］。经褪黑素处理后，急性结肠炎小鼠模型肠道菌群数量发生改变，粪便中的拟杆菌减少，放线菌增加，因而炎症减轻，结肠炎表型被显著逆转^［21］。综上，褪黑素通过减少促炎细胞因子的分泌或引起肠道菌群的稳态可塑缓解或抑制了肠道炎症和肠道损伤。

1.5 褪黑素免疫调节减轻内脏痛

褪黑素在神经免疫调节中起重要作用，主要通过促进T细胞效应发挥刺激功能，同时增加辅助性T细胞介导的免疫应答，影响T细胞的发育、活化、分化和记忆^［22］。麻醉和手术创伤会削弱机体的免疫功能（尤其对于癌症患者），褪黑激素可以刺激免疫系统，增强T淋巴细胞的活性，在一定程度上可减轻患者疼痛^［14］；在急性呼吸系统综合征冠状病毒感染患者中，褪黑素以治疗剂量使用可下调巨噬细胞向促炎型的极化并抑制T细胞和肺组织中的 NF-κB 活化，调节机体免疫功能^［23］；褪黑素可增强小鼠脾脏巨噬细胞到T细胞的抗原呈递，促进主要组织相容性复合体Ⅱ类分子和IL-1的表达^［24］，调节机体CD4+T细胞的释放，以及IL-2、IL-2R和干扰素的基因表达^［25］。此外，褪黑素也影响非特异性反应，如调节巨噬细胞活性，从而降低IL-1、TNF-α和NO活性^［22］，以及影响单核细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、肥大细胞等细胞的释放^［26］。褪黑素主要影响T细胞等免疫细胞调节肠道免疫系统，推测褪黑素-褪黑素受体-肠道免疫系统在内脏痛发生中可能发挥作用。

2 内脏痛与肠道菌群

人类共生微生物是影响宿主健康的重要因素，大约95％的共生微生物位于肠道中，其中拟杆菌门和厚壁菌门菌群是肠道中两个主要的细菌门，参与人体的营养消化、炎症反应、免疫调节和胃肠道稳态等多种生理病理功能。通过调节肠道菌群的改变可减轻小鼠脊髓损伤诱导的肠道炎症、缓解断奶应激导致的肠道生态变化^［27］。除此之外，肠道菌群产生的代谢物如短链脂肪酸丁酸盐已被证明具有免疫调节和抗炎特性，参与肠道通透性和脑-肠轴的调节，肠道菌群失调会引起短链脂肪酸减少；使用万古霉素、双歧杆菌可升高大鼠内脏疼痛阈值^［28］，说明肠道菌群数量和种类的改变可以调节或降低内脏痛。反之，内脏痛发生时，肠道菌群生态失衡，如IBS患者中肠道菌群多样性减少，厚壁菌门和拟杆菌等细菌类群的丰度降低，γ-变形菌丰度增加^［29］，揭示了在IBS患者中胃肠道菌群生态是失衡的。

3 褪黑素与肠道菌群互作参与改善内脏痛

褪黑素对肠道菌群的数量、种类、迁移、昼夜节律及其代谢等生理变化有重要调节作用。褪黑素可使睡眠剥夺而致肠道菌群紊乱的小鼠结肠内气单胞菌的数量变化减缓，丁酸盐释放增加，也可通过减少细菌迁移而减轻大鼠结肠炎症^［30］。罗伊氏乳杆菌和大肠杆菌激活TLR2/4/MyD88/NF-κB信号通路，促进褪黑素生成限速酶芳烷基胺N-乙酰转移酶（AANAT）的表达，当MyD88缺乏致信号通路阻断时，则结肠褪黑素生成不受肠道菌群的影响^［29］，说明褪黑素对肠道菌群的数量、种类、迁移、昼夜节律及其代谢等生理变化有重要调节作用。肠道菌群失调直接或间接反作用于褪黑素，影响褪黑素合成分泌和作用。以上提示，褪黑素与肠道菌群互作调控可参与改善内脏痛。

褪黑素与肠道菌群互作的另一重要体现是昼夜节律的调节。松果体分泌的褪黑素具有昼夜节律，其浓度不仅在松果腺和血浆中昼夜变化显著，而且在胰腺、肾、脾和十二指肠中也有明显的昼夜节律^［31］，褪黑素还使肠道细菌与人类的昼夜节律同步，褪黑素合成和分泌异常不仅显著改变肠道菌群的结构，也导致肠道细菌昼夜节律紊乱^［32］，如褪黑素是肠道产气菌表现昼夜节律的内源性因素，肠道产气菌对褪黑素具有高敏感性^［33］。反之，肠道菌群也是胃肠功能的重要调节剂，通过微生物-肠-脑轴参与调节昼夜节律，调节褪黑素分泌合成^［34］。可见，肠道菌群-肠道-褪黑素三者的昼夜节律一致或稳态可塑是肠道内环境稳态所必需的，它们共同参与胃肠道病理生理学过程，参与调节内脏痛。

4 小结与展望

肠道菌群及肠道与褪黑素具有双向调控作用，即微生物-肠-脑轴调节，它们共同参与内脏痛调节。褪黑素调节肠道菌群的昼夜节律、菌群迁移变化、代谢等，调节胃肠道运动并具镇痛、抗炎反应等生理病理功能，对内脏痛有明显缓减作用。肠道菌群及其代谢产物的复杂性和多样性与肠道微环境稳态及疼痛等疾病关系密切，为胃肠功能的重要调节剂。正常状态下，肠道菌群有助于维持肠道蠕动，粘膜完整性及免疫调节等，昼夜节律受控于松果体褪黑素，但当肠道菌群失衡导致肠道微环境紊乱时，则引发内脏痛或炎症等疾病发生，褪黑素生成增多，并通过镇痛、抗运动、抗炎及免疫调节等作用减缓内脏痛及炎症的发生发展，维持肠道微环境稳定（图1）。但肠道菌群与褪黑素双向调控内脏痛的分子机制以及肠道菌群如何介导胃肠道感应褪黑素信号响应昼夜节律变化及其反馈调节内脏痛的机制，仍鲜有报道。因此，内脏痛的褪黑素-肠道菌群-昼夜节律仍需深入探索，以便为内脏痛的治疗提供新思路和新途径。

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基金资助

国家自然科学基金项目(82301417)

国家自然科学基金项目(82260234)

延安大学科研项目(YDBK2022-58)