综述 | Gut Microbes：肠道微生物群-运动相互调节：体内、体外和计算机模拟研究的见解

编译：微科盟小木，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

导读  

人类的胃肠道是数万亿微生物的家园。肠道微生物群在肠道生理中具有重要的调节作用，如肠道运动。微生物对肠道运动的影响通常是由多种来源的生物活性分子引起的，如碳水化合物、纤维或蛋白质的微生物分解。反之，肠道运动调节微生物生态系统内的定植。然而，这种监管的潜在机制仍不清楚。肠道运动障碍是一种与许多疾病相关的合并症，阐明肠道微生物群和肠道功能的相互调节机制对于预防和治疗肠道运动障碍至关重要。本篇综述概述了目前关于肠道微生物及其产物对肠道运动的影响。我们讨论了目前可用的技术，以评估肠道运动的变化。此外，本文强调开放的挑战，并结合微生物-运动相互作用的生物物理元素，试图为描述微生物代谢产物诱导的肠道运动变化的长期影响奠定基础。

论文ID

原名：Gut microbiota-motility interregulation: insights from in vivo, ex vivo and in silico studies 

译名：肠道微生物群-运动相互调节：体内、体外和计算机模拟研究的见解

期刊：Gut Microbes

IF：10.245

发表时间：2022.1.3

通讯作者：Sahar El Aidy

通讯作者单位：荷兰格罗宁根大学

DOI号：10.1080/19490976.2021.1997296

综述目录

1 前言

2 胃肠运动的调节

2.1 肠道运动高度依赖于微生物群  

2.2 细菌通过肠道神经元和免疫系统调节肠道运动  

2.3 细菌与胃肠道平滑肌的相互作用  

2.4 肠道细菌向间质细胞传递信号  

2.5 细菌依赖性肠道激素的产生调节肠道运动  

2.6 肠道细菌、5-羟色胺以及对肠道运动的调控  

3 肠道细菌通过代谢产物调节肠道运动

3.1 短链脂肪酸  

3.2 色氨酸代谢物  

3.3 其他细菌代谢产物  

4 用于解释肠道运动的细菌调节机制的模型

5 设计计算机模型以揭示微生物群-肠道运动相互作用

5.1 收缩和流动  

5.2 溶质的运输和吸收  

5.3 细菌及其与流动的相互作用  

6 结论

主要内容

1 前言

理解肠道运动是解决功能性胃肠疾病(如炎症性肠病和便秘)的基础。一项大规模的多国研究表明，全世界40%以上的人口患有功能性胃肠疾病，因此对生活质量和医疗保健产生负面影响。胃肠运动是控制营养物质消化吸收的重要生理参数，受肠道神经系统、免疫系统、肠道激素、肠道微生物等多种因素的调控。尽管如此，控制这些因素之间复杂和动态相互关系的机制仍不清楚。迄今为止，关于肠道运动机制的报告通常来自三种研究方法：1)体内研究，包括人类或动物研究；2)体外/离体实验，涉及细胞/器官培养和器官浴研究；3)计算机模型，采用模拟和计算方法，试图涵盖运动、流动、转运、细菌及其代谢产物之间相互作用的不同方面。本综述总结了目前有关微生物群对肠道运动影响的文献，并描述了如何设计计算机模拟研究来补充现有的方法，以破译微生物群-肠道运动相互作用的机制。

2 胃肠运动的调节

胃肠运动是指消化运动的功能和摄入的物质在胃肠道的运输，它涉及到平滑肌和神经功能的协调来混合、研磨和推动消化产物。消化和运动是由消化道不同部分的协同工作来促进的，如食道、胃、小肠和大肠。肠道运动是通过多种调节元素来调节的，包括肠神经元、平滑肌细胞、间质细胞、激素和特殊刺激(如肠道细菌及其代谢产物)。此外，还有各种不同的时间尺度来控制上述元素和肠道运动的调节。例如，胃肠道神经支配的改变，或肠神经系统的信号转导和神经发生，分别在几分钟到几周的时间尺度内发生。然而，受体激活引起的基因表达诱导发生在秒到微秒的时间尺度上。人类胃肠道的独特结构促进了肠道运动的精确运作所必需的所有组成部分(图1)。如胃肠壁由肠内神经元突出的几层组成，分别为粘膜(上皮、固有层、粘膜肌层)、粘膜下层(粘膜下神经丛)、固有肌层(环形平滑肌、肌间神经丛、纵形平滑肌)和浆膜。内容物推进下的肌肉运动由肌间神经丛协调，而粘膜下神经丛广泛参与分泌和吸收。要理解肠功能障碍的原因，需要阐明胃肠道运动调节的基本机制。

胃肠道是唯一具有独立神经系统的器官，被称为肠神经系统。肠神经系统于1755年由Albert Von Haller发现，他指出，“在这种状态下，肠道在被剥夺了与大脑的所有联系后仍保持蠕动运动”。尽管肠神经系统可以独立于中枢神经系统工作，但在生理条件下，肠蠕动也受中枢神经系统的影响。在人类中，肠神经系统由2-6亿个神经元组成，其中绝大多数位于肌间神经丛和粘膜下神经丛。最近，对成年小鼠结肠肠神经系统的分析使21种神经元类型的识别成为可能。在这21种结肠神经元类型中：(1)感觉神经元(4个子集)，也被称为内源性初级传入神经元(IPANs)，它们对肠内的化学和机械刺激进行感知和反应；(2)中间神经元(3个子集subsets)，在神经元之间传递信号；(3)分泌运动/血管扩张神经元(2个子集)，在其他细胞类型中触发分泌和流体运动；(4)兴奋性运动神经元(5个子集)和(5)抑制性运动神经元(7个子集)，它们共同协调肌肉的收缩和放松，并支配胃肠道的纵形肌和环形肌。有趣的是，神经元的类型在胃肠道的不同区域和不同物种之间是不同的。例如，小鼠回肠有12种神经元类型，而人类结肠有14种神经元类型。

兴奋性神经元的主要神经递质是神经肽、乙酰胆碱和速激肽，乙酰胆碱反应是由毒蕈碱受体(M2和M3)介导的，速激肽(P物质和神经激肽A)与NK1和NK2受体结合，激活与乙酰胆碱有关的通路。抑制性神经元构成多种递质，包括一氧化氮(NO)、血管活性肠肽(VIP)和ATP样递质。NO被认为是主要的抑制性神经递质，在一氧化氮合酶(NOS)敲除模型中，在其缺失的情况下观察到传输缺陷。肠神经系统在调节肠道运动中的作用已被广泛评估。在本文中，我们将重点关注研究较少的肠道微生物群及其代谢产物作为肠道运动的关键调节剂的作用。

图1 肠道微生物群、代谢产物及其对肠道运动的影响。肠道微生物群通过位于肠道上皮、环形肌或纵形肌或肌间神经丛中的不同机制和途径影响肠道运动的潜在途径。缩写：CSF-1，集落刺激因子1；CSFR1，集落刺激因子1受体；BMP2，骨形态发生蛋白2；BMPR2，骨形态发生蛋白2受体；AhR，芳香烃受体；ChAT，胆碱乙酰转移酶；NOS，一氧化氮合酶；L-VDCCs，L型电压依赖性钙通道；TLR2，Toll样受体2；ICCs，Cajal间质细胞；TLR4，Toll样受体4；NO，一氧化氮；5-HT4R，5-羟色胺受体4；SCFAs，短链脂肪酸；GLP-1，胰高血糖素样肽1；TGR5，G蛋白偶联胆汁酸受体；TRPA1，瞬时受体电位阳离子通道1；5-HT，5-羟色胺；PYY，多肽YY；LPS，脂多糖。

2.1 肠道运动高度依赖于微生物群

研究微生物群在调节肠道运动中的作用开始于几十年前，当研究人员观察到无菌大鼠的盲肠比传统大鼠大10倍，除了延迟胃排空，这表明微生物群在正常肠道运动的发展中有很强的作用。此后，无菌动物被用于许多研究以调查微生物群对肠道运动的影响。例如，Husebye等人证明，无菌大鼠与传统大鼠相比，在肠道运输和小肠收缩方面表现出明显的延迟，而这种延迟在嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)和两歧双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum)定植后得到部分逆转。此外，无菌小鼠肠神经系统中结肠神经元的数量比常规对照组要少。类似地，据报道，无菌小鼠在肌间IPANs中具有较低的兴奋性，当这些小鼠被常规化时，这种兴奋性会正常化。用抗生素治疗的小鼠排便频率显著降低，肠道总传输时间较慢。Ge等人也表明，与未处理对照组相比，抗生素治疗的小鼠近端结肠纵形肌的收缩性受到了抑制。总之，这些研究证明了肠道微生物在控制肠道运动方面的重要作用。

2.2 细菌通过肠道神经元和免疫系统调节肠道运动

新的证据表明肠道微生物群影响肠神经系统复杂信号。例如，丰富的人类肠道细菌Bacteroides thetaiotamicron，被证明对肠道神经系统的结肠神经支配至关重要。在该研究中，用Bacteroides thetaiotamicron定植无菌小鼠可恢复兴奋性和抑制性运动神经元信号转导酶的表达，如胆碱乙酰转移酶(负责乙酰胆碱的合成)、P物质和一氧化氮合酶(图1(A))。此外，当作者使用泛神经元标记物PGP9.5来研究无菌小鼠和SPF小鼠之间的神经支配变化时，发现无菌小鼠结肠粘膜和肌肉层(包括肌间神经丛)的整体神经支配减少。同样，当鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus GG)给药小鼠时，胆碱乙酰转移酶表达升高(图1(A))。

由于肠神经系统和肠道微生物群与肠道粘膜免疫系统紧密相连，因此后者在调节细菌对肠道运动的影响方面发挥作用也就不足为奇了。事实上，Muller等人观察到一种驻留在粘膜肌层的巨噬细胞亚型，即肌层巨噬细胞，在调节小鼠结肠蠕动活动中发挥作用。肌层巨噬细胞可以通过释放一种生长因子BMP2来改变结肠收缩的模式，BMP2激活肠神经元上表达的BMP受体(图1(B))。反之，肠内神经元释放巨噬细胞发育所需的生长因子CSF-1(图1(B))。Muller等人的研究表明，这种免疫-神经元相互作用是由肠道微生物刺激引起的，特别是微生物细胞成分脂多糖(LPS)，其调节BMP2和CSF-1的表达，进而可能改变肠道运动(图1(B))。

类似地，Toll样受体(TLRs)的两种亚型TLR2和TLR4最近被发现与小鼠肠神经元和肠道运动的调节有关(图1C,1D)。Yarandi等人观察到，体内TLR2(识别脂肽和肽聚糖)内源性信号转导的抑制会导致健康小鼠神经发生受到抑制，进而导致显著的运动障碍和结肠肌间神经元的丢失。Anitha等人报道，TLR4信号通路(识别LPS)的缺失可导致小鼠胃肠运动的延迟，粪便颗粒频率降低和肠道转运延迟证明了这一点。此外，芳香烃受体(AhR)被肠道微生物代谢产物直接激活(详细讨论在色氨酸代谢产物部分)，被认为是屏障位点免疫反应的关键组成部分，最近已被证明参与调节小鼠肠道总转运时间以响应微生物衍生代谢物。事实上，在结肠神经元中，微生物诱导的AhR表达参与诱导这些神经元对管腔环境的反应，特别是对微生物衍生的AhR激动剂吲哚-3-甲醇的反应。总之，这些研究为肠道运动的免疫调控提供了宝贵的信息，并为理解胃肠运动障碍的病理生理学提供了基础。

不仅肠道共生菌，还有几种病原菌如霍乱弧菌(Vibrio cholerae)和鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)也可以通过不同的机制影响胃肠运动。例如，霍乱弧菌利用注射器状的VI型分泌系统诱导斑马鱼肠道运动，从而导致宿主将寄生的微生物群排出体外。将含有克隆鼠伤寒沙门氏菌肠毒素的大肠杆菌裂解物注射到回肠袢后，鼠伤寒沙门氏菌衍生的肠毒素引起白兔肠道肌电活动的显著变化和大量液体产生。

2.3 细菌与胃肠道平滑肌的相互作用

在整个胃肠道中，平滑肌被组织成两层环形和纵形的肌束，在细胞之间形成电和机械连接，促进收缩的协调(图1)。肠肌的兴奋和收缩是由膜去极化(细胞内正电荷离子的内流)调节的，它激活电压依赖的Ca2+通道，并触发细胞内Ca2+水平的升高。胃肠道平滑肌主要表达由CACNA1C基因编码的L型电压依赖性Ca2+通道。然而T型Ca2+通道也有助于这些肌肉中的Ca2+内流。最近，我们展示了一种新的肠道细菌衍生的代谢物5-羟基吲哚是如何通过调节位于结肠平滑肌细胞上的L型电压依赖性Ca2+通道来影响大鼠肠道总转运时间的(图1(F))。Ca2+内流也通过非选择性阳离子通道进入平滑肌细胞，如毒蕈碱刺激激活的瞬时受体电位通道(如小鼠基因失活所示)。瞬时受体电位通道是与电压无关的，由细胞内Ca2+或G蛋白偶联受体激活。随着细胞内Ca2+的增加，Ca2+结合到钙调蛋白(普遍存在的钙结合蛋白)，激活肌球蛋白轻链激酶和随后的肌球蛋白轻链激酶磷酸化，导致平滑肌收缩。相反，肌球蛋白轻链激酶的去磷酸化导致肌肉放松。肌肉放松也受cAMP/PKA信号通路调控。

Blakeney等人证明，肠道微生物产生的支链脂肪酸异戊酸，通过cAMP/PKA通路，使用离体器官培养液和分散的结肠肌细胞来使小鼠结肠平滑肌松弛(图1(G)；也在短链脂肪酸部分讨论)。这种微生物依赖性松弛被发现是具有浓度依赖性的，并发生在整个结肠段或独立的结肠肌细胞中。其他关于肠道细菌影响人或大鼠结肠组织肠道平滑肌收缩的研究发现，肠道细菌对肠道收缩有抑制作用。总体上，尽管肠道微生物群及其代谢产物在调节胃肠道平滑肌细胞中的关键作用开始被揭示，但肠道细菌行为的分子机制仍在很大程度上未知。

2.4 肠道细菌向间质细胞传递信号

Cajal间质细胞(ICCs)是肠道起搏器细胞，负责产生电振荡活动(也称为“慢波”)。电振荡活动是肠道内无所不在的主要起搏器活动，它与平滑肌细胞电耦合，使其兴奋性发生周期性变化。ICCs构成蠕动的基础，然后由迁移运动复合体(MMCs;消化间期肠道运动模式)或分节运动模式刺激蠕动(见下文收缩性和流动部分)，最早由Cajal在1893年提出。ICC网络的功能发展依赖于Kit受体途径的信号转导。事实上，c-Kit信号功能丧失的小鼠无法产生起搏器活动，这表明ICCs起到了起搏器的作用。

值得注意的是，据报道四种不同乳杆菌的混合物(Lactobacillus plantarum 2362、Lactobacillus casei ssp. paracasei 19、Leuconostoc raffinolactis 23~77:1和Pediococcus pentosaceus 16:1)Synbiotic2000TM被喂食给易出现胃肠运动异常的创伤性脑损伤(TBI)小鼠模型，与对照组相比，可改善小鼠小肠收缩幅度、频率和张力的降低。TBI模型还显示ICCs数量和c-Kit蛋白浓度严重受损，而Synbiotic2000TM给药后，ICCs数量和c-Kit蛋白浓度均有明显改善，但未达到对照组水平。类似地，Sui等人发现，益生菌菌株丁酸梭菌(Clostridium butyricum)通过调控ICCs上表达的TLR2，促进了ICCs(从小鼠小肠分离)的增殖(图1(H))。另一项研究表明，LPS通过TLR4信号传导激活小鼠ICCs产生一氧化氮，从而抑制起搏器电流(图1(I))。ICCs是一个潜在的有价值的治疗靶点。ICCs细胞及其与肠道微生物及其代谢产物的相互作用的进一步表征可能为功能性胃肠疾病的新疗法的开发提供新的见解。

2.5 细菌依赖性肠道激素的产生调节肠道运动

肠道激素由专门的肠上皮细胞、肠内分泌细胞释放，以响应与饮食相关的刺激。随后，这些肠道激素发挥作用，从肠道运动的局部控制到葡萄糖稳态的调节和食物摄入。胃肠蠕动在消化间期(即两餐之间;胃动素和胃饥饿素)和餐后(即饭后;胆囊收缩素(CCK)、葡萄糖依赖性促胰岛素多肽(GIP)、胰高血糖素样肽-1(GLP-1)和PYY)。GLP-1和PYY是从消化间期向餐后胃肠运动模式转变的关键介质。此外，肠道激素CCK、GLP-1和PYY通过调节消化和吸收来控制血液营养水平，因为减缓这些步骤中的任何一个都会降低摄入的营养物质进入循环的速度。

肠道微生物群已被证明会影响肠道激素分泌到循环系统的水平。例如，利用快速蛋白液相色谱法和液相色谱联用质谱法，我们发现嗜粘蛋白阿克曼菌(Akkermansia muciniphila)分泌蛋白P9，该蛋白向肠道内分泌细胞的一种亚型L细胞发出信号，产生GLP-1(图1(J))。P9依赖性GLP-1的产生与改善肥胖小鼠的产热、体重和血糖稳态有关。在健康个体中，GLP-1诱导胰岛素释放，延迟胃排空并增加饱腹感。肥胖受试者比非肥胖受试者有更快的胃排空，因此GLP-1激动剂已成为治疗肥胖的成熟疗法。促进GLP-1产生的肠道细菌可能通过减少胃动力来改善肥胖。同样，据报道，其它肠道激素的产生也会被肠道微生物群或其代谢物改变。例如短链脂肪酸(SCFAs,在短链脂肪酸部分详细讨论)、乙酸、丙酸、丁酸和乳酸，以及双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌(Lactobacillus)的细菌上清液，通过在人胚胎肾细胞系中稳定表达的胃饥饿素受体的内化来影响胃饥饿素信号转导(图1(K))。此外，生理浓度的丙酸和丁酸可以诱导人肠内分泌细胞中PYY基因的表达和产生(图1(L))。

2.6 肠道细菌、5-羟色胺以及对肠道运动的调控

人们普遍认为，人体中最大数量的5-羟色胺(5-HT)是在肠粘膜的肠内分泌细胞，即肠嗜铬细胞中通过色氨酸羟化酶1(TPH1)合成的。肠嗜铬细胞作为感觉转导器，在各种机械和化学刺激下释放5-HT。2017年，肠嗜铬细胞被认为是一种特殊的刺激探测器，构成了小鼠肠上皮细胞和肠神经系统之间的直接通信线路。一年后，研究表明，在整个小鼠肠道内，肠嗜铬细胞会释放5-HT以响应其对营养物质和微生物代谢产物的感知，间接通过邻近细胞释放GLP-1。

在更小的范围内，肠神经系统中大约1%的神经细胞体也通过一种叫做色氨酸羟化酶2(TPH2)的酶合成5-HT。尽管外源性5-HT(肠神经系统产生的5-HT)水平较低，但其刺激胃肠运动的作用已被证实。相反，内源性5-HT(由肠嗜铬细胞产生的5-HT)的作用非常具有挑战性，有许多相互矛盾的报道。几项研究表明，当TPH1在小鼠体内被清除或药物抑制时，它会改变小鼠的肠道总转运时间、胃排空、小肠推进或插入直肠的珠子排出率。类似地，在体外，缺乏5-HT(Tph1-/-小鼠)的小鼠结肠排空时间、粪便颗粒推进和迁移运动复合体受到损害。相比之下，在清醒小鼠中，在没有TPH1的情况下，对清醒小鼠肠道运动的体内研究并未导致任何对胃肠道运输的抑制作用。因此，有研究表明，虽然内源性5-HT在多种刺激下被释放，并在旁分泌和内分泌系统中发挥重要作用，但它只是神经源性运动模式和肠道转运的调节者，而不是启动者。

大量研究报道称肠道微生物或其代谢产物可以调节肠嗜铬细胞的宿主5-羟色胺生物合成，因此可能参与调节而非启动肠道运动。例如，Yano等人表明，对小鼠的TPH1抑制阻断了微生物群促进肠嗜铬细胞产生结肠5-HT的能力，这表明肠道微生物群，特别是以梭状芽孢杆菌为主的孢子形成微生物，需要宿主TPH1活性来诱导5-HT合成(图1(M))。另一项研究表明，热灭活Lactobacillus casei subsp. casei具有促进小鼠结肠粘膜5-羟色胺合成的潜力。在给药热灭活的Lactobacillus casei subsp. casei后，在结肠组织中进行5-HT定量和珠粒排出测量，结果显示结肠组织中5-HT水平显著升高，珠粒排出时间显著缩短。这些数据表明，促进5-HT合成可能有助于改善肠道运动。除了TPH1在诱导5-HT合成中的作用外，5-HT的释放高度依赖于Ca2+内流进入细胞，而肠嗜铬细胞具有L型电压依赖性Ca2+通道。事实上，微生物代谢产物5-羟基吲哚被证明可以诱导肠嗜铬细胞体外细胞模型产生5-HT，这可能通过诱导L型电压依赖性Ca2+通道和Ca2+内流进入细胞来实现的(图1(M))。综上所述，目前的数据表明肠道微生物管腔刺激可以促进5-HT的释放，但内源性5-HT在调节肠道运动中的确切作用仍有待解决。

3 肠道细菌通过代谢产物调节肠道运动

肠道微生物群影响肠道运动的不同方式之一是通过代谢产物或细菌发酵最终产物的释放(表1)。两组主要的细菌产物是短链脂肪酸和色氨酸代谢物，已经很好地研究了其与肠道运动改变的关系。此外，其它几种属于各种化学基团的代谢物也被证明可以改变肠道运动。然而，我们所研究的只是冰山一角，因为还有更多与微生物相关的代谢物尚未被发现和研究，以了解它们在调节肠道运动中的潜在作用。

表1 概述了目前已知的细菌代谢产物及其对胃肠运动的影响以及用于评估肠道运动的实验模型。

3.1 短链脂肪酸

短链脂肪酸，包括乙酸、丁酸和丙酸，来源于细菌对膳食纤维的降解，是哺乳动物结肠细胞中关键的能量来源和信号分子。SCFAs，特别是丁酸，已经被证明可以调节大鼠肠神经系统的活动。抗性淀粉饮食(其中淀粉到达结肠，可被视为膳食纤维)、盲肠内注射丁酸盐和将丁酸盐应用于培养的肌间神经节都显示可通过增加胆碱能神经元转化为较短结肠传输时间的比例以及增加胆碱能介导的结肠环形肌收缩反应来影响大鼠肠神经系统。Hurst等人发现不同的短链脂肪酸对豚鼠结肠收缩有不同的影响。丁酸引起结肠收缩力增加，而丙酸和乙酸在较小程度上导致收缩力下降。不同类型的短链脂肪酸在作用上的差异可能在于研究中使用的动物模型不同，因为之前的研究发现，在大鼠结肠组织中三种短链脂肪酸都对结肠蠕动有刺激作用。此外，丁酸、丙酸和乙酸可以通过诱导结肠GLP-1分泌间接影响小鼠肠道运动(图1(J))，有报道称这可以显著延长肠道转运时间。

除了主要的短链脂肪酸外，分支短链脂肪酸异戊酸，已被证明对小鼠结肠收缩具有抑制作用。异戊酸被证明直接作用于离体结肠平滑肌，并通过PKA途径引起肌肉松弛(图1(G))。总之，细菌产生的短链脂肪酸在调节肠道运动中起着关键作用。然而，当SCFAs水平长期升高时，它们可能会导致结肠转运率的有害增加，这可能在发病机制中发挥作用，肠道功能障碍是一种共病，如肠易激综合征。

3.2 色氨酸代谢物

仅由肠道微生物群产生的色氨酸代谢物是肠道内稳态的关键贡献者。越来越多的证据表明，各种色氨酸代谢物与肠道运动有关。肠道微生物可以分解色氨酸，产生多种代谢物。例如，Clostridium sporogenes和其他肠道细菌，如Ruminococcus gnavus含有色氨酸脱羧酶，可以产生色胺。最近发现，色胺通过激活上皮5-羟色胺受体4(图1(N))和增加小鼠近端结肠的阴离子依赖性液体分泌来加速胃肠道转运。此外，在腹泻型肠易激综合征(IBS-D)患者的粪便样本中，色氨酸和色胺均显著增加，表明这些代谢物可能是IBS-D粪便水分含量较高的原因。另一种肠道细菌色氨酸代谢物是吲哚，由含有色氨酸酶的肠道细菌产生。已经观察到吲哚可以调节永生化和原代小鼠结肠肠内分泌L细胞分泌GLP-1(图1(J))。最近的研究表明，Edwardsiella tarda产生的吲哚和另一种细菌色氨酸代谢物吲哚-3-甲醛可以激活斑马鱼、小鼠和人的肠道内分泌细胞中的瞬时受体电位通道蛋白A1(Trpa1)，并诱导5-HT的产生(图1(M))，从而促进肠道运动。如上所述，AhR信号也与调节小鼠肠道转运时间有关(图1(E))。细菌产生的色氨酸代谢物，如吲哚、色胺、粪臭素、吲哚乙酸、吲哚丙烯酸、吲哚-3-甲醛和吲哚乳酸等被广泛描述为AhR的配体，因此可能参与了肠道运动的控制。此外，吲哚可通过增加维持上皮细胞结构和功能的基因表达，增强人结肠癌细胞系和小鼠体内肠道上皮屏障功能。肠道通透性受损是一些(胃肠道)疾病的一个重要因素，如炎症性肠病、肠易激综合征、乳糜泻或结肠癌，已被证实与运动障碍有关。肠道屏障防止水分和电解质的流失，防止抗原和微生物进入体内，同时允许宿主和环境之间的分子交换和膳食中营养物质的吸收。因此，正常的肠道屏障功能对健康的胃肠运输是必要的。类似地，通过苯乳酸脱水酶基因簇产生的另一种细菌色氨酸代谢物吲哚丙酸(IPA)被发现通过作为外源性传感器孕烷X受体的配体在小鼠体内调节肠道屏障功能，特别是在有吲哚存在的情况下。此外，IPA可降低高脂肪饮食小鼠的肠道通透性。最后，另一种细菌产生的吲哚衍生物5-羟基吲哚，通过其对L型Ca2+通道的作用被证明是大鼠肠道收缩的有效刺激物(参见细菌与胃肠平滑肌的相互作用部分)(图1(F))。5-羟基吲哚是吲哚的一种结构类似物，由细菌降解5-羟基色氨酸产生，5-羟基色氨酸是5-HT生物合成的化学前体和中间代谢物。

3.3 其他细菌代谢产物

关于营养物质调节肠道运动作用的研究已经揭示了许多影响肠道运动的化合物，其中一些是肠道细菌代谢这些营养物质的产物。例如，槲皮素是一种丰富的类黄酮，存在于许多水果、蔬菜和谷物中，但也由肠道细菌(特别是梭杆菌)产生，可以改善大鼠洛哌丁胺诱导的便秘模型的便秘症状。槲皮素的泻药作用是槲皮素与毒蕈碱受体信号通路相互作用的结果。观察到肠道细菌，特别是Prevotella、Lactobacillus和Alistipes产生的饱和长链脂肪酸、十七烷酸和硬脂酸能增强大鼠离体结肠收缩力和体内排便频率。另一项研究表明，肠道细菌衍生的多胺(亚精胺、腐胺、精胺)和微量胺(异戊胺、尸胺)可能作为化学传感器，从而调节大鼠肠道蠕动。胆汁酸影响小鼠的几种胃肠功能，如吸收、胃排空、小肠和结肠运动。在无菌小鼠模型中，胆汁酸被肠道微生物群修饰，细菌胆汁酸水解酶活性与胃肠道运输速度加快相关。此外，该研究表明，常用香料姜黄通过肠神经系统细菌胆汁酸水解酶活性和Ret信号(Ret是一种与先天性巨结肠症有关的基因，先天性巨结肠症是一种与远端结肠蠕动缺失相关的发育障碍)影响肠道运动。去氧胆酸是一种次级胆酸，由微生物转化胆汁酸产生，据报道其抑制小鼠结肠纵形肌自发收缩的机制需要肠嗜铬细胞上表达TGR5 G蛋白偶联受体(图1(M))。此外，Lactobacillus fermentum可以产生一种有效的抗炎和抗氧化化合物阿魏酸，并以剂量依赖性方式加速大鼠的胃肠运输和胃排空。另一项研究表明，结肠代谢从碳水化合物发酵向蛋白质分解代谢的转变，反映在尿液中潜在有害的蛋白质衍生代谢物水平较高，与人类结肠传输时间较长有关。此外，肠道微生物群能够产生与肠道运动有关的神经递质，如γ-氨基丁酸(GABA)。GABA受体在肠神经系统中表达，其中GABA可能调节肠道运动。最后，观察到饲料中的组氨酸被摩氏摩根菌(Morganella morganii)和罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)菌株代谢为组胺，其通过激活小鼠肠道中的组胺受体，显著增加粪便产量(每小时粪球数)。总的来说，饮食成分和肠道微生物群之间的相互作用是调节肠道运动的关键因素，进而决定哪些微生物在肠道中定居(见下图2)，从而进入一个恶性循环。

除了肠道微生物群吸收膳食小分子的能力外，它们还可以隔离药物，从而影响药物功效和毒性的人际变化。例如，我们发现左旋多巴(主要用于治疗帕金森病)，特别是其未吸收残基，被C. sporogenes脱氨为3-(3,4-二羟基苯基)丙酸(DHPPA)，DHPPA是一种小鼠离体回肠收缩的有效抑制剂。此外，细菌种类，如粪肠球菌(Enterococcus faecalis)、屎肠球菌(Enterococcus faecium)和短乳杆菌(Lactobacillus brevis)可以产生腔内多巴胺。多巴胺已被证明会影响几种模型生物的肠道运动，包括啮齿类动物、狗和人类。例如，在豚鼠身上，发现多巴胺可抑制纵形肌收缩。与对照组和禁食的受试者相比，在狗身上，多巴胺减少了进餐前1小时小肠内迁移运动复合体的持续时间，静脉注射多巴胺诱导十二指肠中III期样迁移运动复合体(MMC周期的最后阶段，包括强力收缩以完全闭塞管腔)。这一研究以及类似的研究都证实了参与药物代谢的肠道微生物群的代谢途径的重要性，这不仅是为了保持药物的疗效，也是为了避免药物未吸收残留物的细菌分解产物的潜在副作用，如抑制肠道运动。

图2 细菌产生的代谢产物和运动相互作用的综合计算机模型。细菌产生的代谢物可以直接影响肠道运动，导致影响代谢物本身的级联效应和反馈机制。肠道细菌根据营养的可获得性复制并产生其代谢产物。代谢产物影响肠道运动，进而改变液体流动。这种流动直接负责营养物、细菌及其代谢产物的运输和分散，关闭反馈回路。

4 用于解释肠道运动的细菌调节机制的模型

破译肠道细菌及其代谢产物影响肠道运动的机制对于理解这些微生物在肠道功能障碍中的作用以及通过设计基于微生物群的干预手段对其进行靶向治疗至关重要。迄今为止，研究微生物群影响肠道运动的实验研究主要有三种方法：人或动物的体内研究、体外和离体实验(表1和2)，后两个重点在于揭示体内观察结果的机制。人类和动物的体内研究包括磁共振测量、压力测量、微型胶囊或替代标记物的摄入，如胭脂红染料或异硫氰酸荧光素。这些测量允许对肠道运动进行功能性扫描(例如，水通量和水分含量)、腔内压力模式的获取、确定胃肠道转运时间以及肠道通透性。通过时间也可以用其他技术来测定，如Bristol Stool-Scale评分评估，最近，一种新的方法被引入人体肠道通过时间测定，即蓝色染料法。与传统的粪便频率测量方法相比，蓝色染料法提供了一种新颖、廉价和可扩展的肠道通过时间评估方法。

然而，肠道细菌在体内的分布易受影响。体外研究包括细胞培养技术，如分离平滑肌细胞、神经细胞群或ICCs。其中，肠嗜铬细胞的细胞系模型被用于研究微生物刺激下5-HT的释放。电生理学研究，如全细胞膜片钳被用来测量膜电流和电位。其他分子生物学技术如RT-PCR、qPCR和免疫组化分别用于肠组织中的基因表达研究和特异性蛋白的检测。体外器官浴系统仍然是解开肠道细菌及其代谢产物对肠道收缩性影响最常用的方法。器官浴装置是将一段肠道组织悬置在浴槽中，在Krebs-Henseleit溶液中用碳气体混合物(5% CO2与O2平衡)充氧，并应用压力传感器和数据采集软件。器官浴系统是为了模拟活体环境而设计的。尽管器官浴明显忽略了生物体的生物复杂性，但基于器官浴的研究为阐明肠道细菌或其代谢产物对肠道收缩性的影响机制提供了可能性。近年来，微型肠道或肠道芯片模型已经成为研究肠道运动系统复杂性的非常有前景的工具。类似地，尤斯灌流室系统可以作为一种有价值的工具来测量肠道完整性和肠道通透性，正如前文所讨论的，这两者都对肠道运动有影响。

然而，在营养物质的消化和吸收过程中发生的不同过程的复杂性、微生物群组成的巨大个体差异以及现有可用技术的局限性，使得获得这样的机械洞察力非常具有挑战性。复杂性进一步来自于多种物理、生物和化学方面的相互作用以决定肠道动力学。例如，肠道细菌及其代谢产物和细菌赖以为生的营养物质都是通过肠道的流体流动运输、混合和分散的，因此，细菌种群的稳定性受到这种流动的强烈影响。同时，体液的流动受肠道运动的影响，肠道运动受细菌代谢产物的影响，也受外界因素如摄食状态、昼夜节律、膳食含量和粘度的影响(图2)。因此，为了理解细菌代谢产物-宿主相互作用的长期后果，我们必须将肠道作为一个相互连接的系统来考虑生物物理学。

目前，计算机模型用于解决上述一些限制，并侧重于系统的一些关键组件。例如，在计算机模型中，可以将肠道运动与精确的流体流动计算、溶质和细菌运输以及细菌和组分对运动和流动的反馈整合在一起。这些系统可以适应精确的器官几何形状和运动模式，这是在体外/离体系统中无法模仿的。此外，这种系统是灵活的，可以帮助以系统的方式探索许多不同的、实验未知的参数的影响。到目前为止，已经在计算机和理论上解决了三个主要研究领域：1)运动及其对流体流动的影响，2)溶质的运输和吸收以及消化，3)细菌种群。这些领域的每一个对于构建一个完整的图像都是必不可少的，以了解微生物群及其代谢产物通过随后的流体流动对运动的影响。尽管计算机模型很有前景，但其仍处于起步阶段，并且还缺乏一个包括运动、流动、运输、细菌和代谢物之间所有相互作用的计算机模型。据我们所知，目前尚未开发出包括细菌代谢产物对运动的反馈在内的计算机模拟研究。然而，将建模与实验数据相结合，可能会引领解决许多与微生物群-宿主相互作用有关的未解决问题。在此，我们回顾了目前可用的信息，这些信息可能有助于该领域的研究人员构建一个综合模型，以解释运动诱导的流动、流动相关的微生物和代谢物的运输以及代谢物对运动的反馈。

表2 概述目前描述的影响胃肠运动的肠道细菌分类群以及用于运动评估的实验模型。

5 设计计算机模型以揭示微生物群-肠道运动相互作用

虽然细菌如何通过其产生的代谢物调节运动已经被广泛研究，但要揭示微生物群和肠道运动的全面相互作用，还需要理解肠道运动对微生物群的反馈(图2)。改变运动影响流动的代谢产物，从而影响营养物质的吸收，间接影响宿主的健康。此外，流动中的变化将影响微生物群的数量和增长，从而产生代谢物。计算机模型是考虑到微生物群-肠道运动相互作用的所有这些方面的最具代表性的模型。到目前为止，仍然缺乏一个综合所有这些方面的模型。为了建立全面的描述，第一个挑战是对代谢物-运动相互作用进行定量建模，这在计算机模型中尚未得到广泛探索。尽管这被证明是困难的，但仍然可以使用如上所述的流动和运输的有效描述来评估代谢物诱导的运动变化如何影响细菌和营养物质的长期分布。在下一节中，我们将概述如何描述运动、流体流动和颗粒分散，为建立微生物群-肠道运动相互作用的综合模型铺平道路。我们进一步强调了描述代谢物-运动相互作用方面的挑战。

5.1 收缩和流动

流动由肠道运动和肠道几何形状决定(更多理论细节见补充信息)；因此，代谢产物对运动的任何影响都会影响血流量。用于解释细菌代谢产物对运动的影响的计算机模拟研究的一种策略是利用实验观察的运动模式，如体外模型的精确运动图像(即肠道收缩的视频记录)、体内磁共振成像(MRI)测量、使用压力计或微型胶囊进行体内压力测量。观察到的运动模式也可以从体外运动图推广到理论图。到目前为止，只研究了最基本的运动模式，但该方法可以扩展到代谢物影响的模式。另一种模拟代谢产物对肠道运动的影响的方法是通过在肠壁的计算机模型中设计收缩模式。肠壁被视为代表肠肌层的弹性或粘弹性膜，由ICCs网络通过电刺激(体外记录)激活，从而产生运动模式。潜在的挑战是理解和描述细菌代谢产物对ICCs网络和肌肉收缩的影响，而其优点是可以直接比较模拟的收缩模式与模型验证的实验记录。迄今为止，在正常条件下或在营养物质刺激后，计算机模拟了三种类型的收缩：蠕动、分节/局部静止收缩和摆动活动/纵向收缩。对于肠道，已经描述了蠕动的多种定义：蠕动反射描述了团注运动，其中环形肌和纵形肌结合，产生向上收缩和向下扩张；或一个正弦波或一串正弦波(例如迁移运动复合体III期的协调收缩，另见补充信息))。分节也受到多种定义，从仅由环形肌引起的静止局部收缩到佳能分节（可描述为正弦波调制）。最后，摆动活动与纵形肌的收缩有关。分节和摆动活动主要发生在餐后，而蠕动既发生在蠕动反射的团注转运中(即餐后)，也发生在迁移运动复合体中(即禁食期间)。如果细菌代谢物诱导的运动变化符合或类似于上述众所周知的模式，那么现有的文献概述将有助于建模哪种类型的流动是由运动模式产生的，以及它如何影响宿主和微生物群组成。事实上，一旦知道运动和肠道内的流入量，就可以同时确定轴向(即沿管道)和径向流动。径向流动影响代谢物溶质混合、其在壁上吸收的可用性及其径向分布；纵向流动会影响溶质的纵向扩散及其通过时间，通过时间越长，吸收率越高。

不同运动类型对径向流动和纵向流动的影响不同。对于纵向流动，研究表明，蠕动主要是推动与清洗相关的高净纵向流动，而分节和摆动活动则减缓了内容物的速度以增加吸收，具有较强的前后纵向流动（增加分散度），但向前的净流动较小。对于结肠来说，吸收水分是很重要的，泵水会降低沿管的纵向速度。在径向效应方面，运动壁产生径向流动，促进溶质的径向位移。通常在低粘度环境和水样含量下会出现涡流，尽管增加粘度会减少这种涡流，所以在实际系统中，由于膳食含量或纤维的存在而粘度较高，涡流应该起次要作用。涡流与混合效应有关(下一节将讨论)。

还讨论了粘度与肠道粘液层的关系。不仅要考虑宏观流动(即通过管腔和沿管流动)，还要考虑由绒毛运动引起的微流动。绒毛运动在靠近壁面的流体层中产生局部流动，增加吸收和混合。总之，肠道通过改变运动，改变了径向流动、湍流、混合和净向前流动，从而改变了通过时间。肠道还可以在快速流动和缓慢流动之间切换，改变的参数包括闭塞度(闭塞度越高，混合越多，流速越快)、波长和频率(频率越高，流速越快)。因此，细菌代谢产物对运动模式或运动参数的任何影响都会因此改变流动，进而影响营养物质和细菌产生的代谢物扩散，以及细菌定植(图2)。

5.2 溶质的运输和吸收

描述溶质运输、分泌、降解和吸收对于模拟细菌代谢产物对运动的影响是必不可少的。溶质可以是气体(如氧气)或营养物质(如葡萄糖和氨基酸)、药物、细菌、细菌代谢物或抗体。一般情况下，溶质是扩散的，并受到气流的平流，由于泰勒色散效应，溶质的表观扩散系数增强。溶质和颗粒可以被涡流混合，与其他溶质发生反应(通过化学反应、降解或被微生物群消耗)，并在壁上被分泌或吸收。一般都要研究流体流动对溶质、通过时间、吸收和混合的影响。如果溶质在肠道中停留足够长的时间，则肠壁的吸收(例如小肠中的葡萄糖)会增加，这可以通过缓慢流动(长的瞬态时间)、长管和延长的吸收表面(绒毛增加)来实现。由于流动、收缩和绒毛运动，在宏观和微观水平上的混合和增强的扩散也促进了吸收，因为溶质以这种方式更有效地径向运输到壁。混合也有助于使营养物质与肠道分泌的酶大量接触。已经证实，局部的环形肌收缩、摆动活动和分节运动会增加混合，并且增加诸如闭塞性、波长和收缩频率等参数也会增加混合。增加食糜粘度(例如，通过增加膳食纤维含量)会减少混合，因为在水样环境中可能出现的涡流的持续时间和强度会减少或消失，并降低颗粒扩散度(即使在没有涡流的情况下，也能使颗粒逃离流线并径向移动到壁面进行吸收)。因此，较高的膳食纤维含量会影响营养素和药物的吸收。总之，运动影响流动和溶质运输，这影响了溶质动力学和相互作用。因此，细菌产生的代谢产物影响运动，对溶质产生间接影响，从而对其自身的扩散和平流产生影响(图2)。这种类型的反馈可以决定细菌代谢物本身的命运，例如，代谢物诱导的运动是否旨在增加或减少代谢物浓度，从而影响微生物群的生长和定植，并最终影响宿主健康。只有考虑到流体流动的影响，才能解决这些问题。

5.3 细菌及其与流动的相互作用

细菌可以被认为是由流动输送和混合的颗粒，类似于溶质。此外，细菌动态与养分和氧气的可用性相耦合。细菌代谢产物也受到同样的流动影响，同时也与细菌动态有关。因此，为了评估代谢产物对肠道系统的影响，细菌和体液流动之间的关系应该被重视。然而，很少有研究将流动和细菌冲刷联系起来。本节重点介绍计算机模拟研究，这些研究可以作为未来探索流动对细菌的影响的基础，反过来，这将有助于模拟细菌产生的代谢物对运动的影响(图2)。对于小肠，Ishikawa等人只研究了肠蠕动的冲刷条件、流动的影响、营养物质和有氧和厌氧细菌的氧气利用率。研究表明，即使有蠕动流动，也能在小肠中发现稳定的细菌种群。具体来说，流场增强了营养物质和细菌浓度的径向变化。作者观察到细菌的纵向分布与实验数据一致，上游一侧的好氧菌数量较多，下游一侧的厌氧菌数量较多。对于结肠，Cremer等人也讨论了肠蠕动的细菌冲刷。作者在体外和计算机模拟中基于微型肠道数据的计算机模型证明，即使存在强烈的纵向流动，重复收缩对于避免冲刷至关重要。事实上，混合有助于克服流动。在他们接下来的研究中，Cremer等人展示了pH值和水分吸收对塑造细菌在结肠中的分布是如何至关重要的。

尽管如此，大多数关于结肠的计算机模拟研究旨在用最完整的方式来表示消化。通常，这些模型包括大量的方程和参数，用于描述不同的细菌种类、它们的相互作用、纤维降解和代谢物的产生。在这些研究中，流动主要是作为有效的通过时间来讨论，受粘度、粘液层和吸水率的影响。有趣的是，Labarthe等人通过有效的径向流将特定的径向壁运动纳入模型，并表明粘液层和吸水引起的径向粘度梯度，以及趋化性和径向流动，有助于壁上细菌的存在：细菌找到了一个可以繁衍生息的生态位，帮助它们粘附到粘液层上。然后，这些细菌可以分离并在管腔内播种，促进细菌的定植。当描述细菌的存在及其产生的代谢物时，这一结果需要结合此类径向动力学。尽管不同的纵向和径向平均流动强度可以用作不同运动的代理，但如何在这些模型中实现不同类型的运动尚不清楚。

结论

尽管微生物群和肠道功能之间的知识差距正在缩小，但无疑需要付出巨大的努力来充分揭示其潜在机制，从而促进微生物群靶向治疗在临床实践中和个性化的应用。未来的体外和体内研究应集中于揭示计算机模拟模型所需的基本机制。后者应侧重于关注调节肠道微生物和肠道运动之间相互作用的不同元素以及反馈，如流体流动等物理元素。计算机和体外的预测可以在体内模型中得到验证，以评估是否考虑了所有肠道运动调节因素。总之，结合计算机模拟、体外和体内结果，将为微生物群-肠道运动相互作用提供新的机制见解。