從蜜蜂腸道菌群到“腦病腸治”之遐想

樓澤亮，胡福良

（1.浙江大學藥學院藥物制劑1801 班，浙江 杭州 310058；2.浙江大學動物科學學院，浙江 杭州 310058）

1 引言

在人類農業文明的發展過程中，蜜蜂起著舉足輕重的作用。作為全球范圍內數量最大的授粉昆蟲，蜜蜂的有效授粉對植物的生長繁殖有著重要作用，據調查顯示，全球接近1/3 的農作物產量依賴于授粉昆蟲和動物，且每年全球直接源于昆蟲（其中主要為蜜蜂）授粉創造的價值預估有1 530 億歐元[1]，占全世界總農業生產經濟收入的9.5%[1]。

但是，近些年來蜜蜂的健康受到了極大的威脅，最引人注目的是2006年在美國開始發生的蜂群崩潰綜合征（簡稱CCD），上萬群蜂出現空巢的現象，工蜂損失率高達1/3[2]。導致CCD 發生的具體原因到目前為止仍無可知曉，但蜜蜂所受到生存環境的壓力，如蜜蜂的生境破碎化以及外來物種的入侵會使CCD 情況更嚴重已經是板上釘釘。現如今，保護蜜蜂是迫在眉睫之事。

如何保護蜜蜂，如何防治蜜蜂疾病，一直以來是養蜂人最關注的話題。蜜蜂作為一種營社會性群體生活的昆蟲，相比于獨居性昆蟲，其腸道微生物具有一定的獨特性。近些年來，隨著蜜蜂腸道微生物研究的逐步深入，越來越多的人將目光聚焦到探索腸道微生物與蜜蜂宿主的健康和疾病發生機制上[4]，期待從腸道微生物的角度解決蜜蜂疾病。而與蜜蜂相同的是，人類作為營社會性群體生活的生物，人類腸道中所共生的菌群也對人體的健康狀態有著一定程度的影響，這很好地提示了“腦病腸治”可能會是治療中樞系統退行性疾病的突破口。

2 蜜蜂腸道

2.1 腸道結構

顧名思義，生長、繁殖、衰老等一系列生命活動都發生在腸道中的菌群稱之為腸道菌群。蜜蜂腸道的結構直接影響著腸道菌群的組成以及分布，同時腸道菌群的組成與分布也體現著蜜蜂腸道各個部分的功能。根據蜜蜂腸道不同部分的胚胎起源以及執行的功能，可以將腸道分為前腸、中腸以及后腸3 部分。前腸可以分為咽、食管、蜜囊和前胃，由胚胎期外胚層的前端內陷而來，主要擔負著攝食功能[5]；中腸位于腹腔的前中部，呈現“S”型，由胚胎期的內胚層演化而來，與其他昆蟲相比，蜜蜂的中腸相對比較發達，主要功能是通過腸壁細胞分泌具有活性的酶來消化和吸收攝入的食物；后腸由小腸以及直腸組成，由胚胎期外胚層的后端內陷而來，其主要是吸收水分以及貯藏和排出機體代謝產物。經研究發現，蜜蜂的腸道菌群主要集中在后腸[5]。

2.2 腸道菌群

蜜蜂腸道菌群組成并不復雜，僅由少數的核心菌種組成。早期研究發現，工蜂的腸道中主要分布著9 種細菌，占蜜蜂個體腸道總菌量的95%～99%。其中有5 種菌出現在幾乎所有的蜜蜂個體中，稱之為蜜蜂腸道的核心菌群，包括2 種革蘭氏陰性菌：Snodgrassella alvi和Gilliamella apicola，以及3 種革蘭氏陽性菌：LactobacillusFirm-4、Firm-5 和Bifidobacterium。除核心菌群外，另外4 種菌在蜜蜂腸道內的數量不多并且分布不均，包括Frischella perrara、Bartonella apis、Parasaccharibacter apium和葡糖桿菌屬（Gluconobacter）中特定的一個種類群“Alpha 2.1”[2]。

5 種核心菌群以及4 種相對較少的菌群在蜜蜂腸道的不同部位分布是不均勻的，各個部位都有自己的優勢菌種。腸道菌群在前腸與中腸分布相對較少，在后腸分布相對較多，占成年工蜂總菌量的99%[2]。前腸與中腸細菌量較少也存在其合理之處：前腸的蜜囊部分是蜜蜂貯藏和運輸喂養幼蟲花蜜以及產生蜂蜜的部位，中腸主要是用來進行食物的消化以及營養物質的吸收。

同時，蜜蜂腸道菌群的組成以及各菌種的豐度也因蜜蜂個體的社會性差異而有所區別，例如，Firm-5 的豐度具有明顯的級型特異性和分工特異性，其在雄蜂最高，其次是工蜂，最低的是蜂王[3]。

3 腸道菌群功能

蜜蜂腸道菌群功能的正常發揮維系著蜜蜂個體、群體的健康，其功能主要分為3 方面：促進新陳代謝、激活先天性免疫應答以及體現社會性分工。

3.1 促進新陳代謝

新陳代謝包含有2 方面的內容：同化作用以及異化作用，2 種作用在個體生長過程中時時刻刻都在發生。蜜蜂的腸道菌群與蜜蜂間存在著較為明顯的生理界限，但研究證明腸道菌群通過自身的生命活動影響著宿主，即影響著蜜蜂機體的同化作用以及異化作用。

在最近的1 項實驗中，研究者以無菌狀態下的蜂蛹為實驗材料，在實驗室的無菌條件下進行羽化，一組幼蟲喂食蔗糖溶液以及滅菌蜂花粉得到腸道不具有核心菌群的蜜蜂，另一組飼喂正常蜜蜂的腸道液得到具有正常核心菌群的蜜蜂。在2 組幼蟲羽化為成蟲后，追蹤成蟲的體重生長曲線以及生長速率，最終發現具有核心菌群的蜜蜂有更高的體重（15%～20%），并且生長速率也明顯快于無菌蜜蜂。其原因之一是蜜蜂的腸道菌群能幫助蜜蜂消化難降解的成分[2]。蜜蜂的中腸是消化吸收營養物質的主要場所，而食物中部分成分難在中腸被消化，比如多種花粉成分。花粉細胞壁中含有大量難降解的多糖，而后腸中的腸道菌群能夠大量編碼水解多糖的酶類，從而幫助蜜蜂更好地利用花粉和花蜜中的營養成分[3]。腸道菌群將外界大分子成分降解為小分子成分，利于蜜蜂機體更好地吸收。

蜜蜂作為營群居性的社會性昆蟲，其所受到的來自傳染病的威脅是巨大的。蜜蜂群體也許可以憑借群體免疫，即蜜蜂社會中大部分個體對傳染病產生抵抗力而繼續繁衍生息，但更大程度上蜜蜂群體會遭遇滅頂之災。因此，養蜂人必須找出有效的方法去干預傳染病對于自家蜜蜂的影響，其中，通過藥物干預去防治蜜蜂疾病會是較佳的選擇。與人體一樣，經過腸道給藥的藥物需要通過蜜蜂的腸道吸收而進入體內，在經歷一系列體內過程后發揮藥效。而在這之中，藥物代謝影響著藥物的起效快慢、作用時間以及作用強度。鑒于人的腸道菌群中的部分菌種在藥物代謝的過程中發揮了一定的作用，因而聯想到蜜蜂的腸道菌群可能也會在相應的藥物代謝過程中起到促進或抑制的效果。雖然目前缺乏實驗數據，但這一想法的實踐有利于今后防治蜜蜂疾病的過程中精準用藥以及聯合用藥。

3.2 激活先天性免疫應答

絕大多數引起蜜蜂疾病的病原物存在于蜜蜂的腸道中，如擬幼蟲芽孢桿菌和蜂房球菌，分別誘發了歐洲幼蟲腐臭病以及美洲幼蟲腐臭病，使大量的蜜蜂幼蟲死亡[6]。面對外來病原物時，正常的腸道菌群則會激活蜜蜂的先天性免疫應答，通過刺激蜜蜂產生防御素以及蜜蜂抗菌肽從而增強蜜蜂的免疫能力，減少被感染的風險。

通過抗生素干擾核心菌群從而降低菌種的多樣性，實驗發現不具備正常腸道菌群的蜜蜂受到致病菌侵染的可能性會大大提升，致死率升高，并且腸道內的致病菌群與正常菌群呈現負相關關系[6]。與此同時，蜜蜂機體對病原體的敏感程度以及免疫能力因其腸道菌群的組成差異而有所不同。

3.3 體現社會性分工

蜜蜂社會由3 種類型的蜂組成，分別為蜂王、工蜂以及雄蜂。三型蜂的遺傳背景、食物結構和社會分工的明顯差別決定了體內腸道菌群的區系結構的差異[3]。

蜜蜂的社會性主要體現在蜂王與工蜂之間的級型分化以及工蜂之間的勞動分工[3]。根據蜂王與工蜂級型分化的定義，蜂王與工蜂的遺傳物質并無差異，均為含有相同遺傳物質的二倍體個體，而其分化產生的原因是它們幼蟲期間被喂養的食物種類與數量存在差異，因而可以理解為在幼蟲期間不同食物誘導了蜂王與工蜂的分化，并且隨之而來的是兩者形態結構、生理功能以及社會功能上的明顯差異[7]。由此可見，蜂王與工蜂的差異并非遺傳物質造成的，而主要是營養差異導致的。蜂王與工蜂在腸道菌群中不同菌種的豐度差異，可能意味著蜜蜂的腸道菌群在幼蟲時期對機體所攝入的營養物質產生相應效應，從而來調節蜜蜂的級型分化。最近有實驗表明，蜜蜂腸道的Bifidobacterium asteroides能夠刺激宿主產生一些保幼激素的類似物，而保幼激素對蜜蜂級型分化有重要調節作用[7]。

蜜蜂結束幼蟲期羽化出房后，根據日齡以及身體調節開始從事不同的工作以及任務，比如筑巢、釀蜜、守衛以及清理蜂巢[13]。而在實際情況中，蜜蜂體內不同生物分子的表達的改變會影響蜜蜂的分工，包括工蜂的社會分工，例如，卵黃原蛋白能夠抑制內勤蜂向采集蜂轉變。腸道菌群通過影響蜜蜂機體內的軟黃原蛋白以及生物胺含量可以調控蜜蜂的勞動分工。更有直接的實驗顯示不同勞動分工的工蜂腸道微生物的豐度存在差異，內勤蜂腸道的Firm-4 和Bifidobacteriaceae的豐度高于外勤蜂，Firm-5 在哺育蜂腸道的豐度明顯高于采集蜂[8]。

4 “腦病腸治”之遐想

人也擁有自己的腸道菌群，只不過相比于蜜蜂，人的腸道菌群組成以及區系架構更為復雜。近些年來在醫學領域，研究腸道菌群的穩態與人體健康之間的關系是興起的話題，科學家與醫生們旨在通過腸道菌群來預防、診斷以及治療人類疾病。

腦是我們認識與發展世界最重要的工具，但由于我們對腦部的研究并沒有那么全面以及深入，腦部疾病依舊是醫學上的難題，比如阿爾茨海默病。而近期有研究發現，人的腸道菌群不僅能調控腸道活動，還影響著宿主的腦功能以及行為[9]，也就是“腦病”可能通過“腸治”。

雖然人體與蜜蜂之間存在著很大的差異，但這并不意味著這2 個物種間毫無聯系。人類與蜜蜂存在的最大的共同點莫過于兩者都擁有自己的社會環境，其中的每個個體都具有一定的社會性，而腸道菌群的產生與社會性有著密不可分的關系，因而我們可以嘗試通過比較簡單的蜜蜂腸道菌群與較為復雜的人類腸道菌群，從中找出相同與不同之處，給予腸道菌群與人體疾病之間的聯系新的想法與思考。例如，蜜蜂的腸道菌群微環境的紊亂或者缺失會導致蜜蜂個體免疫能力以及新陳代謝水平下降，從而我們可以在無實驗數據支持下聯想到人類的腸道菌群可能也會影響機體的免疫以及代謝功能的正常發揮。順著傳統醫學的思路，我們可能很難找到解決人類的腦部疾病的方法，但如果我們發散思維，將目光聚焦于腦與其他身體器官間的聯系，比如腸道，運用系統性的方法去診斷以及治療或許會開辟醫學上新的大陸，比如“腦病腸治”。

阿爾茨海默病（AD）作為神經退行性疾病，雖然有很多假說去解釋AD 的發病機制，但都沒能得到比較準確的實驗以及臨床結果，比如較為流行的β-淀粉樣蛋白級聯假說[10]。最近有學者指出，腸道菌群微環境的紊亂驅動形成的炎癥反應可能是導致AD 發生的源頭[10]。腸道菌群主要是通過人體的腸-腦軸對神經系統或者大腦行為產生影響，其中的一種表現形式是腸道菌群的代謝產物產生一系列神經活性分子，如乙酰膽堿、兒茶酚胺以及γ-氨基丁酸等，而這些分子會降低腸道屏障的密度，同時促進神經性炎癥的發生與血腦屏障的損傷，直接影響到宿主大腦的正常行為功能[10]。

雖然，現在越來越多的證據證明腸道菌群與人體的健康，特別是神經性疾病有著密切的關系，但目前科學仍停留在通過腸道菌群去輔助剖析“腦病”，通過腸道菌群去治療“腦病”，由于實驗數據以及臨床試驗的證據并不充分，因而“腦病腸治”依舊是一個任重道遠的過程。