“越来越多的研究表明，肠道微生物发生变化的小鼠或其他模式生物会表现出行为改变，” Elaine Hsiao解释说。她是生物学与生物工程学助理教授，也是这项研究的资深作者。“我们关注微生物如何与神经系统交流。首先，我们探究了正常的肠道微生物是否会影响宿主体内神经递质的水平。”
外周血清素由消化道中的肠嗜铬（EC）细胞，以及特定类型的免疫细胞和神经元产生。Hsiao和同事首先想了解肠道微生物是否会影响肠道中的血清素生成；如果会，影响的是哪些类型的细胞。他们首先测量了肠道细菌群落正常的小鼠，以及缺乏这些常驻微生物的无菌小鼠体内的外周血清素水平。
研究人员发现，无菌小鼠的EC细胞产生的血清素比具有常规细菌群落的小鼠少约60%。当这些无菌小鼠重新定植正常肠道微生物后，血清素水平回升，表明血清素不足可以逆转。
研究人员接下来想弄清楚，在栖居于肠道的多种微生物中，是否有特定细菌物种与EC细胞相互作用，从而产生血清素。 依赖 微生物来产生血清素——或者至少产生其中很大一部分，”论文第一作者、与Hsiao共事的研究技术员Jessica Yano说。
“EC细胞是肠道中丰富的血清素来源。这项实验的结果表明，它们似乎
在测试了几种不同的单一物种和已知肠道微生物群后，Yano、Hsiao及其同事发现，在一种条件下——存在一组约20种可形成孢子的细菌——无菌小鼠的血清素水平会升高。与无菌对照小鼠相比，接受这组细菌处理的小鼠胃肠道运动也有所增强，血小板活化情况也发生了变化；已知血小板会利用血清素促进凝血。
为了深入了解这种微生物与宿主之间有趣协作背后的机制，研究人员开始寻找可能发挥关键作用的分子。他们鉴定出几种特定代谢物——即微生物代谢产生的产物——这些代谢物受可形成孢子的细菌调控，并能提高培养环境中EC细胞释放的血清素。此外，在无菌小鼠体内增加这些代谢物，也会提高其血清素水平。
Yano说，过去该领域的研究表明，有些细菌能够自行产生血清素。然而，这项新研究提示，人体内很大一部分血清素依赖于某些细菌与宿主 相互作用 来产生血清素。她解释说：“我们的研究表明，肠道中通常存在的微生物会刺激宿主肠道细胞产生血清素。”
加州理工学院Luis B. and Nelly Soux微生物学教授、该研究合著者Sarkis K. Mazmanian说：“微生物组与免疫和代谢系统之间的联系已广受认可，而研究肠道微生物在塑造神经系统方面所起的作用，则是生物科学中令人振奋的前沿领域。这项工作巧妙地拓展了加州理工学院此前在这一新兴领域的开创性研究。”
另一位合著者、Ethel Wilson Bowles and Robert Bowles化学与化学工程教授Rustem Ismagilov补充说：“这项工作既展示了宿主与其微生物群落之间化学相互作用的丰富性，也体现了Hsiao博士广博的科学素养，以及她领导这项工作的敏锐洞察力。”
血清素对人类健康的许多方面都很重要，但Hsiao提醒说，在这些发现能够应用于临床之前，还需要开展更多研究。
“我们发现了一组细菌，它们除了会提高血清素水平外，可能还有其他尚待探索的作用，”她说。“此外，在某些情况下，外周血清素过量似乎会带来不利影响。”
虽然这项研究仅关注肠道中的血清素，Hsiao和团队目前正在研究这一机制对发育中的大脑是否也很重要。Hsiao说：“血清素是一种重要的神经递质和激素，参与多种生物过程。发现肠道微生物会调节血清素水平，让人看到利用这些微生物推动生物学变化这一令人关注的可能性。”
这项研究发表在一篇题为 《肠道微生物群中的本土细菌调节宿主血清素生物合成》的论文中 。除Hsiao、Yano、Mazmanian和Ismagilov外，其他加州理工学院合著者还包括本科生Kristie Yu、Gauri Shastri和Phoebe Ann；研究生Gregory Donaldson；以及博士后学者Liang Ma。另一位合著者Cathryn Nagler来自芝加哥大学。
这项工作由一项美国国立卫生研究院（NIH）院长早期独立奖和一项加州理工学院环境微生物相互作用中心奖资助，两项资助均授予Hsiao。该研究还获得了授予Mazmanian的美国国家科学基金会（NSF）、美国国立糖尿病、消化和肾脏疾病研究所（NIDDK）及美国国立精神卫生研究所（NIMH）资助，授予Ismagilov的NSF EFRI和美国国立人类基因组研究所（NHGRI）资助，以及授予Nagler的美国国立过敏症和传染病研究所（NIAID）、食物过敏研究与教育组织和芝加哥大学消化疾病中心核心项目资助。
本文由以下机构合作发表： 加州理工学院。 发表本文并不代表世界经济论坛认同其中的观点。
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作者：Jessica Stoller-Conrad是加州理工学院的科学撰稿人
图片：显微镜下的肠道细菌。路透社。
