別小看無腦水螅，牠可以用神經系統和細菌溝通呢！

餓了就要吃飯，冷了就會找衣服穿。一個生物體會反覆在不同的變化中，維持著某種「動態平衡」，無論是體溫、血壓還是血糖，身體內這些物理或化學條件的恆定性，是許多生理反應的核心，也是讓身體各部位可以在正常範圍內運作的主因。

然而，身體的調節不見得只是機械性的生理變化，更可能還牽涉到與微生物的互動。自2004年「腸腦軸線」 (gut-brain axis) 的概念出現，科學家對於生活在腸道中的微生物如何與大腦互相交流影響，有了越來越多的理解。

許多疾病，也與腸道生物有關？

雖然有很多細節待釐清，但有許多研究發現到腸道微生物的種類與許多嚴重疾病有關聯，如自閉症、焦慮症、肥胖症、精神分裂症、帕金森氏症與阿茲海默症等。

以往的研究認為，腸道微生物群的代謝產物，如短鏈脂肪酸、支鏈胺基酸與肽聚醣 (peptidoglycan) 等成分會透過免疫系統、迷走神經、腸道神經叢進行調節，與大腦互相交流，因此也有人主張應該稱之為「微生物─腸─腦軸線」。過去科學家發現微生物影響大腦的途徑，基本上都是比較間接的。但在2022年4月15日的《科學》 (Science) 中，科學家發現到腦部的下視丘 (hypothalamic) 神經元可以直接偵測細菌活動的變化，相對應的調整食慾與身體溫度。也就是說，這似乎是科學家第一次找到微生物直接跟大腦「對話」的證據。

微生物怎麼影響你？NOD2──模式鑑別受器

首先介紹本次研究中最重要的腦部構造，下視丘 (Hypothalamas) 。下視丘位在腦的基底，在一般成年人身上大概只有一顆碗豆的大小，卻負責調控非常多重要的生理機能，包括體溫、情緒、飢餓、口渴。

下視丘還負責調控腦垂腺前葉，參與多種內分泌調控。可以說，微生物如果能夠影響下視丘的功能，相當於開啟了影響生理機制的大門。

回到微生物，剛剛有提到微生物釋放在血液中的物質可以影響宿主的免疫、代謝與大腦等等功能。這些代謝產物會被生物體內許多受器所感測。最具代表性的受器為模式鑑別受器 (pattern recognition receptors, PRRs) 。

過去，科學家認為模式鑑別受器主要由先天免疫系統的細胞，偵測微生物病原體或者受損的細胞黏膜表面、組織間與細胞內出現病毒、細菌、真菌的訊號。

其中，有一種模式鑑別受器被稱為 NOD2 (Nucleotide-binding oligomerization domain-containing protein 2) ，會偵測細菌細胞壁的主要成分肽聚醣（也稱為細胞壁胜肽（muropeptides）。因此，科學家過去認為，NOD2的功能有可能就是幫助免疫系統辨識細菌細胞壁的碎片。

利用腦部成像技術，科學家進一步觀察小鼠腦部的不同區域，尤其在下視丘，紀錄 NOD2 受器的表現。結果證明，若是缺乏NOD2受器的腦袋可是會出問題的，過去科學家們已經確定 NOD2受器的突變，與消化系統疾病如克隆氏症 (Crohn’s disease) 有關，也與幾種神經系統疾病與情緒障礙有關聯。

小鼠研究中揭露了， NOD2 可能在多種免疫與神經的機制上扮演了重要的角色。為了進一步解相關的功能，團隊還開發出一種在下視丘區域缺乏 NOD2 受體的小鼠，這些小鼠對於許多行為與生理包括體溫保存、築巢行為、晝夜節律、禁食與腎上腺刺激等等都有所減弱。更長時間的觀察還顯示，這些失去 NOD2 的小鼠體重會增加，且更容易罹患第二型糖尿病，這些情況尤其在年老的雌鼠上更為嚴重。

細菌與神經元的你增我減

那麼，正常小鼠的 NOD2 受體作用是什麼呢？若小鼠擁有正常的 NOD2 神經元，其神經活動在遭遇到肽聚醣時會受抑制。換句話說，如果NOD2受器消失了，這些神經元就不再受到抑制。

肽聚醣在腦部、血液或腸道中都被認為是細菌增殖 (proliferation) 的標誌物，而研究發現，不管是口服或腸道菌釋出肽聚醣都會抵達大腦的許多區域，包括下視丘中，負責體溫調節、進食行為的弓形核 (arcuate nucles) 。而其中的 GABA 神經元在接觸到肽聚醣時，也會遭到抑制。

研究人員進一步測試微生物與 NOD2 在下視丘 GABA 神經元的表現，是否確實與食物攝取和體溫調節有關？研究顯示，在使用抗生素消除微生物，或是以病毒消除在下視丘的 NOD2 基因表現後，都會導致年老的小鼠體重增加與行為改變。

至此，科學家初步證實，下視丘神經元可以直接偵測到細菌的成分，並改變進食、築巢與體溫調節的行為。微生物非常有可能能夠藉由 NOD2 來調節宿主的一些行為，或者反過來也可以解釋成，大腦藉由 NOD2 受器接受到的訊號，來偵測微生物的狀況、進行一些調節。

微生物幫助你維持完美平衡

某種程度上，腸道菌可能被大腦視為攝入食物品質的某種直接指標；而另一方面，腸道菌的增長或死亡也與腸道的恆定或病理機制有關，因此下視丘進行調節可能至關重要。下視丘主掌的多種生理調控，在腸道菌生長得「不如人意」時，改變攝食與體溫來調整腸道菌相，似乎也相當合理。

反過來，某些腸道菌叢可能也會提供調節訊號，以維繫適合自己的生活環境。影響腸道細菌生長最主要的兩個因子，就是食物以及體溫。舉例來說，大量攝取單一種類的食物，有可能會導致某些細菌甚至是病原菌不成比例的生長，因而危及腸道平衡。因此對於腸道菌來說，有管道可以「上達天聽」似乎是頗合邏輯的。

整個調控機制到底是腸道菌主動、大腦掌握主導權，抑或是兩者基本上「狼狽為奸」，尚待進一步的研究。然而發現大腦可以直接偵測細菌活動，即使是遠在腸道的腸道菌的增生或是死亡，也讓我們了解到大腦與身體待解的謎題，或許遠比想像中還來的多。

細菌細胞壁的肽聚醣會影響下視丘神經元與代謝，那還有沒有更多細菌影響大腦功能的機制呢？本次發現到 NOD2 受器在中樞神經中扮演的角色，未來是否能以此為開端，為腦部疾病與代謝性疾病，如糖尿病與肥胖症找到新的治療手法？就讓我們繼續看下去吧！

參考資料：

1. Institut Pasteur. (2022, April 15). Decoding a direct dialog between the gut microbiota and the brain. ScienceDaily. Retrieved April 29, 2022 from www.sciencedaily.com/releases/2022/04/220415100551.htm
2. Gabanyi, I., Lepousez, G., Wheeler, R., Vieites-Prado, A., Nissant, A., Wagner, S., … & Lledo, P. M. (2022). Bacterial sensing via neuronal Nod2 regulates appetite and body temperature. Science, 376(6590), eabj3986.
3. Cryan, J. F., O’Riordan, K. J., Cowan, C. S., Sandhu, K. V., Bastiaanssen, T. F., Boehme, M., … & Dinan, T. G. (2019). The microbiota-gut-brain axis. Physiological reviews.

截至2022/5/28臺灣時間09:20，全世界的COVID-19確診者人數已達5億2444萬多人，其中臺灣已通報的確診人數已超過181萬人，對於COVID-19的得病與否已經無法控制。隨著確診人數不斷攀升，與此同時，臺灣也有了越來越多的康復者。這些康復者得到了超強的COVID-19天然抗體，在短期內不易再被相同病毒株感染，然而，得到超強抗體的同時，即使康復了，不少人仍然承受著病毒感染後的後遺症，也就是所謂的「Long COVID（新冠長期症狀）」。

什麼是Long COVID？

目前學界對於 Long COVID 的定義仍持續地在修正，大致對於 Long COVID 的描述為：感染過 COVID-19 並康復後，有些因為 COVID-19 感染造成的症狀仍持續4–12週或甚至更久。從中國、英國、法國、西班牙和美國對 Long COVID 患者相關的研究中可以看到，只要具有：

• 「倦怠（fatigue）」、
• 「關節疼痛（joint pain）」、
• 「睡眠障礙（sleep disturbance）」、
• 「呼吸困難（dyspnea）」、
• 「味覺或嗅覺喪失（loss of taste/smell）」、
• 「咳嗽（cough）」、
• 「頭痛（headache）」、
• 「掉髮（hair loss）」、
• 「胸痛（chest pain）」
• 「拉肚子（diarrhea）」

以上等任何一個症狀，持續了很久都無法痊癒，那這項症狀就是所謂的 Long COVID 症狀。
（以上的症狀占較大的比例，占比較低的症狀並沒有在此列出）

痊癒後，病毒也不會消失……？

許多論文研究指出，具有 Long COVID 症狀的患者的腸道菌相有失衡（dysbiosis）的情況，可能因此造成免疫系統失衡與許多症狀的產生；另外，更有趣的是，在今年的 Nature 期刊中刊出一篇對於 Long COVID 的新發現， Ledford 的團隊發現具有 Long COVID 症狀的康復者在康復7個月後，腸道中仍然可以偵測到 COVID-19 病毒！

這說明著，即使上呼吸道已經偵測不到病毒，病毒仍有可能藏匿在身體的其他地方（例如腸道），神不知鬼不覺地影響康復者的健康。但也因為這篇研究的樣本數還不夠多，並且受試者皆具有自體免疫相關的疾病，因此，病毒藏匿在腸道的現象，是否也會在健康的 Long COVID 患者身上被發現？這一點需要更進一步的研究。

腸道菌相失衡，會導致Long COVID嗎？

雖然，目前為止相關研究的取樣數量仍然不足；但是，與 COVID-19 患者以及康復者的腸道微生物相研究幾乎都指出， COVID-19 會導致患者的腸道微生物多樣性大幅下降，並且導致伺機性病原菌（opportunistic pathogens）在腸道的含量占比大大增加。這些病原菌雖然平常不易引起我們的疾病，但因為腸道菌相失衡，而大幅增加這些病原菌感染我們的機會。既然如此，那如果使用抗生素清除腸道微生物相後，菌相能不能重新恢復健康恆定的狀態？

不幸的是，在感染 COVID-19 的時候，不論病患是否使用抗生素，在康復後，腸道菌相仍然會出現失衡的情況。其中，從這些康復者的糞便中分離出的細菌 Clostridium ramosum, Coprobacillus, Clostridium hathewayi  等的占比，和康復者得到 COVID-19 病症的嚴重性具有高度正相關；而 Alistipes onderdonkii  和 Faecalibacterium prausnitzii （這個菌株具有消炎的效果）的含量，則和 COVID-19 的病症嚴重性具有高度負相關。這些細菌的在腸道中的占比間接指出，重症患者的腸道菌相失衡且伺機性病原菌占比大增的事實。

另外，延續上述所說「COVID-19 病毒會藏匿在康復者腸道的現象」，關於存在於腸道的病毒是否是造成菌相失衡的原因，以及病毒的感染如何造成腸道菌相失衡，科學家們仍持續探究著。

健康的便便可以治療Long COVID嗎？

為什麼腸道菌相失衡會造成上述的 Long COVID 症狀？ Burchill 等人基於腸腦軸線（gut-brain axis）以及腸肺軸線（gut-lung axis）的理論提出假說：腸道微生物相會影響人的心情以及行為等，而腸道微生物相已知和許多嚴重的肺部疾病相關。因此， COVID-19 的患者和康復者因為 COVID-19 造成腸道菌相失衡，而這樣的結果藉由腸腦軸線導致嗜睡、心情低落等症狀，以及藉由腸肺軸線導致呼吸道的症狀。

延伸閱讀：

腸道炎會導致憂鬱症？——淺談體內的腸腦軸線，揭露腸道菌的「腦控」機制！

既然各項症狀都和腸道菌相失衡有關，那麼，如果要讓 COVID-19 的患者和康復者痊癒，是不是只要讓他們的微生物相恢復健康恆定即可？因此，Burchill 等人嘗試探索使用糞便菌相移植（faecal microbiota transplant, FMT）以治療 COVID-19 的方法。

糞便菌相移植在醫學上已行之有年，用以治療許多疾病，其中包含癌症、發炎性腸胃疾病（inflammatory bowel disease）、神經疾病（neurological disorders）等。

然而，若要使用糞便菌相移植治療 COVID-19 ，目前已知可能會有一些潛在的風險，例如：如果健康的糞便捐贈者不具有任何COVID-19症狀，但是血液裡卻帶有病毒呢？病毒是否會透過糞便傳播？再者，需要接受糞便菌相移植的患者，相較於捐贈者，可能較容易被病毒以及其他病原菌感染。因此，在篩選健康菌相時，必須要非常小心並且嚴格地把關，否則可能會輾轉加劇患者的病情。

目前對於 Long COVID 患者和他們的腸道菌相的研究持續增加中，對於「腸道菌相失衡導致了 Long COVID 」這個問題，從現在的相關研究結果來看仍無法百分之百確定，但可以確定的是，腸道菌相的恆定對於人體的健康具有絕對的重要性。

參考資料：

1. 衛生福利部疾病管制署網站。擷取時間：2022/5/28。取自：https://www.cdc.gov.tw/

2. Burchill E, Lymberopoulos E, Menozzi E, Budhdeo S, Mcllroy JR, Macnaughtan J & Sharma N. (2021). The Unique Impact of COVID-19 on Human Gut Microbiome Research. Frontiers in Medicine 8:652464, doi: 10.3389/fmed.2021.652464

3. Hilpert K & Mikut R. (2021). Is There a Connection Between Gut Microbiome Dysbiosis Occurring in COVID-19 Patients and Post-COVID-19 Symptoms? Frontiers in Microbiology 12: 732838, doi:　10.3389/fmicb.2021.732838

4. Ledford H. (2022). Coronavirus ‘ghosts’ found lingering in the gut. Nature 605: 408–409, doi: 10.1038/d41586–022–01280–3

5. Wang B, Zhang L, Wang Y, Dai T, Qin Z, Zhou F & Zhang. (2022). Alterations in microbiota of patients with COVID-19: potential mechanisms and therapeutic interventions. Signal Transduction and Targeted Therapy 7 (143), doi: 10.1038/s41392-022-00986-0

講到高生物多樣性的生態系，想必許多人會想到熱帶雨林。不過，要找物種繁多的生態系，其實不用大老遠到雨林，只要看看你的腸道就行了，腸道環境內也有著由眾多腸道微生物所構成的複雜生態系。說到腸道微生物，最為大眾所知的就是腸內菌了，不過既然是生態系，那就一定有腸內菌的天敵。

近期發表在 Nature Microbiology 上的研究就指出，除了腸內菌，我們的腸道還有大量專門感染細菌的病毒 – 噬菌體的存在，而且這些噬菌體大部分都是新品種（Nayfach et al., 2021）。

腸道微生物群

人體的腸道居住著眾多微生物，其中包括細菌、真菌和病毒。這些微生物的種類和數量都非常龐大，單看細菌，腸道內的細菌種類就多達上千種，其細胞總數可達100億。這群數量龐大且種類繁多的微生物，在我們的腸道內構建出極其複雜的生態系統，而這個生態系統也與我們的健康息息相關（Nayfach et al., 20201）。

最初人們以為腸道微生物的功能，只是協助消化食物。不過近來發現，腸道微生物對人體可謂影響深遠，從免疫、消化到神經等，都會受到腸道微生物的影響。在免疫的部分，腸道中的益生菌在抑制壞菌生長的同時，也會分泌細胞因子，協助免疫細胞辨識並消滅壞菌；消化的部分，腸內菌不僅可以製造一些人體所需的維生素，同時也能協助代謝一些我們無法消化的物質；神經方面的影響就更有趣了，我們的大腦與腸道是密切聯繫的，而這個聯繫被稱為「腸腦軸」。近來發現，腸內菌可以透過交感神經與大腦溝通，進而影響到人的行為與情緒⁴。總之，隨著對腸內菌的研究越多，人們就越發現牠們對人體健康是如此的重要。

目前科學家對腸道微生物中的「細菌」研究最多，但正如前文所述，腸道是個複雜的生態系統，裡面可不只有細菌。事實上，我們的腸道內也有大量的病毒棲息著，而這些病毒也可能與我們的健康息息相關。因此，近期發表在 Nature Microbiology 上的研究就使用總體基因體學^[註1]，對腸內病毒群進行大規模的定序分析，期望更了解這些在我們體內的陌生「鄰居」們（Lynch et al., 2016）。

除了細菌，腸道內也充滿著的病毒

研究團隊首先從總體基因體學的公開資料庫中，選擇了 11,810 筆人類糞便樣本的定序結果，這些資料分別來自 61 個不同的研究，其中的樣本包含了 24 個不同國家的人，而受試者包含了多種年齡、生活模式和疾病狀態。

對這些總體基因體學的數據進行初步分析後，研究人員從中找出了 189,680 個與病毒相關的基因組，進一步分析顯示這些基因組涉及 54,118 種病毒。在與所有的病毒數據庫比對後，他們發現這其中 92% 的病毒是新種，而這些病毒能編碼出超過 45 萬種不同的蛋白質。

另外研究人員也發現，這 5 萬多種病毒中，超過 75% 都是噬菌體，而這與先前不少人類腸道總體基因體學的研究結果吻合。不過這個結果倒沒有讓研究團隊太意外，畢竟噬菌體是專門感染細菌的病毒，做為細菌的天敵，出現在有大量細菌生活的的腸道生態系統中，實屬正常。

在知道大部分的病毒為噬菌體後，研究團隊接著想了解這些噬菌體的主要獵物是哪些細菌？而他們分析的方法，是通過比較細菌體內的 CRISPR 序列和噬菌體的 DNA 序列。

細菌的免疫機制：CRISPER 序列

CRISPR 是細菌的免疫機制，可記住曾經來犯的噬菌體。當噬菌體入侵細菌後，會將自己的 DNA 注入到細菌中，並佔用細菌的生化工廠來大量複製自己。而當複製完成後，有些兇狠的噬菌體還會使細菌破裂，讓自己能快速散播出去！

不過有些細菌在僥倖存活後，會挑選一段噬菌體的 DNA 序列，並將該序列插到自己的 CRISPR 序列中，以此將這個噬菌體的特徵記錄下來。當該噬菌體再來犯時，細菌就能依靠CRISPR序列快速認出並破壞噬菌體的 DNA ，提高自身的存活率。

延伸閱讀：人體基因編輯是在編什麼？五分鐘搞懂基因神剪 CRISPR

而在分析腸內菌體內的 CRISPR 序列後，研究人員發現這些腸內噬菌體絕大部分的獵物是厚壁菌門 （Firmicutes）和擬桿菌門 （Bacteroidetes）。這個結果也沒讓他們太意外，畢竟厚壁菌門和擬桿菌門在整體腸內菌中是佔比最大的 （約佔80%），噬菌體以牠們為目標非常正常。

不過研究團隊在分析噬菌體的亞種後，倒發現了一個讓他們想不到的結果，那就是這些亞種有著明顯的地理分布。例如 2014 年發現的神秘噬菌體 crAssphage（Dutilhet al., 2014），在亞洲很普遍，但在歐洲和北美的糞便樣本中很少見或不存在。研究人員推測，這可能是由於這個病毒亞種只在特定人口中有局部擴張。

前文提到，這些腸內病毒能編碼出 45 萬種不同的蛋白質。但當研究人員深入分析後，發現這其中有 45% 的蛋白質與現有的病毒數據資料庫不匹配，甚至有 75% 的蛋白質其功能是未知的。這些結果都顯示了，人類對這些居住在我們腸道內的病毒是多麼地陌生，也揭示了未來對腸內病毒群的研究，充滿著許多潛力。

腸內病毒群與我們的關係

那這個研究的結果，能提供我們甚麼訊息呢？研究團隊表示，這個發現有助於發展噬菌體療法⁷。噬菌體療法是將噬菌體用於治療細菌感染的方法，由於噬菌體只會感染細菌，對人體不會有影響，因此不少科學家將其視為抗生素治療的替代方案。

越來越多的研究指出腸道微生物對健康的重要性，因此科學家們也嘗試不同的方法如飲食控制、食用益生菌甚至是糞便移植，來調整人體的腸道微生物群，希望能改善人體健康，而噬菌體療法或許是這個目標的候選方法。噬菌體療法不僅能用噬菌體精準地攻擊腸道中的致病菌群，等到我們對腸內菌和腸內病毒有更多了解後，或許就有能力使用噬菌體對腸內菌群進行精準的控制。

不過要注意的是，雖然人類腸道中的微生物生態系統是目前被科學家研究最多的，但 70% 生活在此的微生物其實都無法在實驗室中培育，若無法培育，我們就很難對其有更深入的了解。而這篇研究的資料就表明，腸內病毒群的多樣性不僅遠超我們想像，而且仍有許多未知的病毒仍有待我們去發現與研究。要對人體腸道中的所有微生物進行分類和分離，我們還有一段很長的路要走。

或許未來，這些生活在我們腸道中的病毒將不再是陌生的鄰居，而是協助並提升我們的健康的好夥伴～

註釋

1. 總體基因體學：是一門直接取得環境中所有遺傳物質的研究。早期研究微生物基因體的方式是將環境中的基因 DNA 或 RNA 轉殖到大腸桿菌內，利用複製選殖方式，分析在自然環境中的特定基因多樣性。但是，由於絕大多數的微生物基因並不是合複製選殖的方法，因此這種方法會遺失環境中大量的微生物基因。而隨著 DNA 定序技術的進步與成本的降低，讓直接定序環境中 DNA 的方法得以實現，也讓科學家更能了解環境中的微生物多樣性。

1. Nayfach, S., Páez-Espino, D., Call, L. et al. Metagenomic compendium of 189,680 DNA viruses from the human gut microbiome. Nat Microbiol (2021).
2. Gut microbiota
3. Lynch SV, Pedersen O. The Human Intestinal Microbiome in Health and Disease. N Engl J Med. 2016 Dec 15;375(24):2369-2379.
4. 腸腦軸
5. 噬菌體
6. Dutilh, B., Cassman, N., McNair, K. et al. A highly abundant bacteriophage discovered in the unknown sequences of human faecal metagenomes. Nat Commun 5, 4498 (2014).
7. 噬菌體治療