Hệ vi sinh vật của con người có vai trò cơ bản trong sinh lý học và bệnh lý của vật chủ. Sự thay đổi vi khuẩn đường ruột, còn được gọi là rối loạn vi khuẩn, là một tình trạng không chỉ liên quan đến rối loạn tiêu hóa mà còn liên quan đến các bệnh ảnh hưởng đến các cơ quan ở xa ruột khác.
Gần đây, đã xác nhận rõ ràng là vi khuẩn đường ruột có thể ảnh hưởng đến sinh lý và viêm nhiễm của hệ thần kinh trung ương (CNS). Hệ thống thần kinh và đường tiêu hóa đang giao tiếp thông qua một mạng lưới đường truyền tín hiệu hai chiều được gọi là trục ruột – não, bao gồm nhiều kết nối, bao gồm dây thần kinh phế vị, hệ thống miễn dịch và các sản phẩm và chất chuyển hóa của vi khuẩn.
Tuy nhiên, nhiều cơ chế đằng sau tác động của hệ vi sinh vật đường ruột trong quá trình phát triển thần kinh và sinh bệnh học vẫn chưa được hiểu rõ.
1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ VI SINH ĐƯỜNG RUỘT
Hệ vi sinh vật đường ruột của động vật có vú bao gồm vi khuẩn, vi rút, nấm, nấm men và vi khuẩn, cộng sinh hoặc hội sinh với vật chủ. Ở người, cộng đồng này bắt đầu phát triển khi mới sinh và tiếp tục trong 2 – 3 năm, cho đến khi đạt được thành phần ổn định.
Tuy nhiên, nó tiếp tục bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường và lối sống khác nhau trong suốt cuộc đời. Do đó, thành phần hệ vi sinh vật khác nhau đáng kể ngay cả giữa những người khỏe mạnh. Hệ vi sinh vật có thể đạt mật độ hơn 10^12 tế bào/ g chất trong ruột già của con người. Từ 500 đến 1.000 loài vi khuẩn khác nhau cư trú trong ruột của động vật có vú, thuộc bốn ngành vi khuẩn chiếm ưu thế là Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria và Proteobacteria.
Một sự tương tác có lợi cân bằng giữa vật chủ và hệ vi sinh vật của nó là một yêu cầu thiết yếu đối với sức khỏe đường ruột và toàn bộ cơ thể. Trong điều kiện khỏe mạnh, hệ vi sinh vật niêm mạc đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiêu hóa thức ăn, tổng hợp vitamin, hình thành mạch, trưởng thành tế bào biểu mô, phát triển, điều chỉnh hệ thống miễn dịch của vật chủ và bảo vệ chống lại mầm bệnh.
Sự rối loạn hệ vi sinh vật đường ruột cũng có thể ảnh hưởng đến các cơ quan của vật chủ ở khoảng cách xa ruột, như hệ thống thần kinh trung ương (CNS). Hơn nữa, sự đóng góp có liên quan của hệ vi sinh vật đường ruột không chỉ giới hạn ở các chứng rối loạn viêm thần kinh và tâm thần mà còn đối với sự phát triển não bộ. Đáng chú ý, hệ vi sinh vật điều phối hệ thống miễn dịch cục bộ trong ruột, và định hình các tế bào miễn dịch và không miễn dịch nằm ở các vị trí xa và hoạt động một cách có hệ thống.
2. TRỤC NÃO – RUỘT
Hiện tại, cơ chế giao tiếp chính xác giữa hệ vi sinh vật đường ruột và não bộ vẫn chưa được hiểu rõ và làm rõ. Nói chung, hệ vi sinh vật đường ruột tác động lên não không chỉ thông qua hệ thống thần kinh (con đường giải phẫu thần kinh của não – ruột) mà còn thông qua hệ thống nội tiết, hệ thống miễn dịch và hệ thống trao đổi chất.
Giao tiếp hai chiều giữa ruột và não được gọi là trục não – ruột. Tương tác của hệ vi sinh vật đường ruột và trục ruột – não được gọi là trục hệ vi sinh vật đường ruột – ruột – não (gọi tắt là hệ vi sinh vật đường ruột – não bộ). Trong trục hệ vi sinh vật đường ruột – não, vì hệ vi sinh vật đường ruột có thể được sử dụng như một biến độc lập và được thay đổi có chủ ý, nên người ta nhấn mạnh nhiều hơn đến vai trò của vi khuẩn trong hệ vi sinh vật đường ruột – não.
Thành phần của trục ruột – não bao gồm hệ vi sinh vật đường ruột và các sản phẩm trao đổi chất của chúng, hệ thống thần kinh ruột (ENS), các nhánh giao cảm và phó giao cảm, hệ miễn dịch thần kinh, hệ thần kinh nội tiết và hệ thần kinh trung ương. Hơn nữa, có thể có năm con đường giao tiếp giữa hệ vi sinh vật đường ruột và não bộ, bao gồm mạng lưới thần kinh ruột – não, trục thần kinh nội tiết vùng dưới đồi – tuyến yên – thượng thận (HPA), hệ thống miễn dịch đường ruột, một số chất dẫn truyền thần kinh và chất điều hòa thần kinh được tổng hợp bởi vi khuẩn đường ruột, và các hàng rào bao gồm hàng rào niêm mạc ruột và hàng rào máu não.
Trong mạng lưới giao tiếp này, não ảnh hưởng đến chuyển động của ruột, chức năng cảm giác và bài tiết, và tín hiệu nội tạng từ ruột cũng ảnh hưởng đến chức năng của não. Ví dụ, các nhánh đến và đi của dây thần kinh phế vị đóng vai trò quan trọng trong việc truyền thông tin của ruột. Kích hoạt phế vị có tác dụng chống viêm. Tác động tích cực của nhiều hệ vi sinh vật đường ruột và men vi sinh đối với chức năng não phụ thuộc vào hoạt động phế vị.
Hình 1. Hệ vi sinh vật đường ruột – não. Năm con đường giao tiếp có thể (❶–❺) giữa hệ vi sinh vật đường ruột và não: hàng rào niêm mạc ruột và hàng rào máu não (❺) là cơ sở quan trọng cho con đường trục HPA-thần kinh nội tiết (❷), hệ thống miễn dịch đường ruột (❸) và hệ vi sinh vật đường ruột hệ trao đổi chất (❹). Các chất được sản xuất theo con đường trục thần kinh – nội tiết (❷), hệ miễn dịch đường ruột (❸), và hệ thống chuyển hóa hệ vi sinh vật đường ruột (❹), chỉ vào hệ tuần hoàn và não qua hàng rào niêm mạc ruột và hệ thống hàng rào máu não mới có thể phát huy tác dụng của hệ vi sinh vật đường ruột trên não.
❶ Con đường giải phẫu thần kinh
Ruột có thể tương tác với não thông qua hai con đường giải phẫu thần kinh. Một là trao đổi thông tin lẫn nhau trực tiếp giữa ruột và não bởi hệ thống thần kinh thực vật (ANS) và dây thần kinh phế vị (VN) trong tủy sống; một cách khác là giao tiếp hai chiều giữa ruột và não thông qua giao tiếp hai chiều giữa hệ thống thần kinh ruột (ENS) trong ruột và ANS và VN trong tủy sống.
Các con đường giải phẫu thần kinh để kiểm soát các chức năng của ruột tạo thành một tổ chức tích hợp bốn cấp độ phân cấp: cấp độ đầu tiên là ENS, bao gồm hạch cơ ruột, hạch dưới niêm mạc và tế bào thần kinh đệm ruột; cấp độ thứ hai là hạch trước cột sống điều hòa phản ứng nội tạng ngoại vi; cấp thứ ba là ANS ở tủy sống (từ thần kinh giao cảm T5-L2 và hệ thần kinh đối giao cảm S2-S4) và nhân bó đơn độc của thân não và nhân vận động lưng của VN, nơi nhận và đi ra của sợi hướng tâm và sợi hướng tâm của VN, tương ứng.
Tác dụng quan trọng nhất của nhân vận động lưng của VN là nổi bật ở đường tiêu hóa trên, và các tế bào thần kinh cholinergic trên cơ ruột của đường tiêu hóa trên điều chỉnh hiệu ứng kích thích dây thần kinh phế vị; và cấp độ thứ tư là các trung tâm não bộ cao hơn. Thông tin từ vỏ não và các trung tâm dưới vỏ bao gồm các hạch nền và các phễu nền xuống các nhân đặc biệt của thân não. Nhân thân não kiểm soát nhiều chức năng đường ruột.
Giao tiếp thần kinh trực tiếp giữa hệ vi sinh vật đường ruột và não chủ yếu được thực hiện thông qua VN, tức là vi khuẩn kích thích các tế bào thần kinh hướng tâm của ENS, và tín hiệu phế vị từ ruột có thể kích thích phản ứng chống viêm, ngăn ngừa nhiễm trùng huyết do vi sinh vật gây ra. Nghiên cứu sâu hơn cho thấy rằng nhiều tác động của hệ vi sinh vật đường ruột hoặc lợi khuẩn tiềm năng đối với các chức năng của não là độc lập với sự kích hoạt phế vị và vi khuẩn định cư trong ruột đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong sự phát triển sau sinh của cá nhân và sự trưởng thành của hệ thống miễn dịch, hệ nội tiết và hệ thần kinh.
❷ Trục thần kinh nội tiết: vùng dưới đồi – tuyến yên – thượng thận (HPA)
Hệ vi sinh vật đường ruột rất hữu ích cho sự trưởng thành của hệ thần kinh nội tiết. Thiếu hệ vi sinh vật đường ruột và biểu hiện thiếu/ thấp các thụ thể Toll-like (TLR) góp phần tạo ra phản ứng thần kinh nội tiết đối với mầm bệnh trong ruột. Ví dụ, phản ứng của chuột loại TLR4 với lipopolysacarit (LPS) được sản xuất bởi vi khuẩn Gram âm đã giảm.
Hệ vi sinh vật đường ruột có thể ảnh hưởng đến các mạch thần kinh và hành vi liên quan đến phản ứng stress. Phản ứng stress của chuột bị mất hệ vi sinh vật có thể được đảo ngược một phần bằng cách cấy vi khuẩn có trong phân và đảo ngược hoàn toàn theo thời gian nhờ Bifidobacterium infantis riêng lẻ. Hệ vi sinh vật xuất hiện trong giai đoạn đầu đời là một cửa sổ rất hẹp, điều này cực kỳ quan trọng đối với sự phát triển bình thường của trục HPA.
Stress và trục HPA có thể ảnh hưởng đến thành phần của hệ vi sinh vật đường ruột. Stress sớm và tách mẹ có thể dẫn đến sự thay đổi dài hạn của HPA và cũng có ảnh hưởng lâu dài đến hệ vi sinh vật. Khi so sánh với chuột không tách mẹ, sự đa dạng của RNA ribosome 16S ở chuột trưởng thành, những con chuột bị tách mẹ trong 3 giờ/ ngày từ ngày thứ 2 đến ngày thứ 12 sau khi sinh, tiết lộ rằng sự căng thẳng đã làm thay đổi đáng kể hệ vi sinh vật trong phân. Thành phần hệ vi sinh vật ở chuột tiếp xúc với stress kiềm chế trong thời gian dài khác biệt đáng kể so với chuột không bị căng thẳng.
Gần đây, sử dụng phương pháp trên và tương tác xã hội lặp đi lặp lại, stress có thể làm giảm số lượng Bacteroides tại manh tràng và tăng số lượng Clostridium. Stress cũng làm tăng nồng độ interleukin-6 và protein MCP-1 trong máu và MCP-1 có liên quan đáng kể với sự thay đổi của ba loại vi khuẩn do stress của Enterococcus faecalis, Pseudobutyrivibrio và vi khuẩn hiếu khí chủng Dorea.
❸ Hệ thống miễn dịch đường ruột
Sự phát triển của hệ thống miễn dịch đường ruột phụ thuộc vào hệ vi sinh vật đường ruột. Chuột loại bỏ hệ vi sinh vật hầu như không có hoạt động miễn dịch, nhưng chúng có thể tạo ra chức năng miễn dịch khi cung cấp một số hệ vi sinh vật nhất định. Ví dụ, vi khuẩn dạng sợi phân đoạn trong ruột có thể khôi phục hệ thống miễn dịch đường ruột chức năng đầy đủ của các tế bào lympho B và T trong ruột.
Vi khuẩn giao tiếp với vật chủ thông qua nhiều cách khác nhau và các thụ thể -TLR của tế bào chủ đóng vai trò chính trong quá trình này. Những thụ thể này là một phần của hệ thống miễn dịch bẩm sinh, là bước đầu tiên để tạo ra đáp ứng cytokine và cũng được phân bố rộng rãi trên tế bào thần kinh.
Do đó, tế bào thần kinh cũng phản ứng với các thành phần vi khuẩn và vi rút. Các tế bào biểu mô ruột có thể vận chuyển thành phần vi sinh vật hoặc các chất chuyển hóa vào môi trường bên trong và hệ thần kinh cũng tương tác với các thành phần vi khuẩn và vi rút này. Sự cân bằng của hệ vi sinh vật đường ruột có thể thay đổi đáp ứng của phản ứng viêm và cơ chế này cũng có thể tham gia trong việc điều chỉnh cảm xúc và hành vi.
❹ Chất dẫn truyền thần kinh và chất điều hòa thần kinh do vi khuẩn đường ruột tổng hợp
Vi khuẩn đường ruột có thể tổng hợp axit amin gamma, axit butyric, 5-HT, dopamin và SCFA và những chất này có thể trao đổi giữa các tế bào của vi sinh vật, đặc biệt là các tế bào ruột trong ruột có thể tạo ra nhiều 5-HT mà có ảnh hưởng đến não. Các enzym của vi khuẩn cũng có thể tạo ra các sản phẩm độc tố thần kinh như axit D-lactic và amoniac.
Do đó, rất nhiều chất dẫn truyền thần kinh cần thiết trong cơ thể được tạo ra bởi hệ vi sinh vật đường ruột, gây ảnh hưởng đến cơ thể con người bao gồm cả não. Trong đó nhiều chất dẫn truyền thần kinh trong hệ vi sinh vật đường ruột của con người cũng là những phân tử quan trọng.
❺ Hàng rào niêm mạc ruột và hàng rào máu não (hệ thống hàng rào)
Bằng chứng từ các nghiên cứu về động vật gặm nhấm cho thấy rằng stress đã thay đổi chức năng hàng rào niêm mạc ruột, khiến liposaccharide (LPS) và các cytokine khác đi vào tuần hoàn máu, đồng thời kích thích TLR4 và các TLR khác tạo ra cytokine gây viêm. tạo điều kiện cho các yếu tố gây viêm ngoại vi ảnh hưởng trực tiếp đến não.
Do đó, rất nhiều bằng chứng về các nghiên cứu trên động vật và con người cho thấy hệ vi sinh vật đường ruột đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển và chức năng của não bộ.
Tài liệu tham khảo
Hong-Xing Wang và Yu-Ping Wang. “Gut Microbiota-brain Axis”. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5040025/
Tìm hiểu bài viết liên quan: https://inrd.vn/
Fanpage: https://www.facebook.com/inrd2022
