一项新研究指出，短暂的压力暴露与肠道细菌产生的有益化合物迅速减少有关。这项发表在《Brain, Behavior, & Immunity – Health》期刊上的研究还发现，这些化合物在实验室环境下似乎能够保护肠道和大脑的细胞屏障免受损害。这些发现为压力的即时生物反应提供了新的见解，并表明即使短期的压力源也可能影响我们的生理状态。
科学家们越来越关注“肠脑轴”（gut-brain axis），即胃肠道系统与大脑之间复杂的通讯网络。这一系统不仅包括神经和激素，还包括免疫信号和微生物产物。在这一系统中，有一类被称为短链脂肪酸（short-chain fatty acids）的物质，它们是肠道细菌在消化膳食纤维时所产生的。
这些脂肪酸——主要是丁酸（butyrate）、乙酸（acetate）和丙酸（propionate）——可以影响肠道健康、炎症、大脑功能，甚至情绪。虽然已有大量研究关注压力对身体的长期影响，但对于肠道和大脑如何应对短期压力爆发的了解较少。这项研究旨在探讨急性压力是否会改变短链脂肪酸的产生，以及这些变化如何影响身体保护屏障的功能。
“我们长期以来一直关注压力对肠脑轴信号传导的影响。这是一个双向过程，肠道微生物可以调节宿主的压力反应，而压力暴露也可以改变肠道微生物群的组成和功能。在这一背景下，关于急性压力（慢性压力的基础）如何改变肠道的研究较少。我们本质上是想了解，在压力状态下肠道发生了什么。”该研究的作者、科克大学（University College Cork）神经行为科学教授Gerard Clarke解释道。他也是《Microbiota Brain Axis: A Neuroscience Primer》一书的合著者。
为了探索这一问题，研究人员让小鼠经历了15分钟的限制性压力（restraint stress）实验。他们使用了普通小鼠、无菌小鼠（没有肠道微生物）以及重新定植了肠道细菌的无菌小鼠。在压力暴露后，研究团队测量了这些动物下肠道中各种短链脂肪酸和其他相关化合物的水平。此外，研究人员还在模拟肠道和血脑屏障的细胞模型中测试了这些化合物的影响，这些屏障对于防止有害物质进入敏感组织至关重要。
在经历压力的小鼠中，普通小鼠和定植了微生物的无菌小鼠的下肠道内容物中丁酸和乙酸的水平显著下降。这些变化发生得非常快，在压力暴露后45分钟内就显现出来。研究人员还发现，压力减少了膳食糖分解产物和其他微生物代谢物的水平。这些发现表明，急性压力会干扰肠道细菌产生有益化合物的发酵过程，这可能对宿主健康产生连锁反应。
Clarke告诉PsyPost：“这里一个引人注目的发现是，急性压力暴露的后果在肠道中迅速显现为微生物代谢物的变化。这些结果建立在我们实验室早期工作基础上，可能解释了急性心理社会压力如何影响肠道通透性。”
为了了解这些因压力而减少的代谢物是否具有功能性后果，研究人员转向了实验室的细胞模型。他们在实验室中培养的肠道和脑细胞层上应用了不同浓度的丁酸、乙酸和丙酸，以观察这些化合物是否能防止由脂多糖（lipopolysaccharide）引发的屏障破坏——脂多糖是一种已知会增加通透性和炎症的细菌分子。
结果显示，特定浓度的丁酸和乙酸在肠道和脑细胞模型中都有助于维持屏障功能。例如，用1毫摩尔和10毫摩尔的丁酸预处理显著防止了肠道屏障的损伤，而10毫摩尔的乙酸也显示出保护作用。然而，某些浓度的乙酸似乎会加剧通透性，这表明其效果可能因剂量和环境而异。
这些保护作用与紧密连接蛋白（tight junction proteins）的变化有关，这些蛋白有助于将屏障细胞结合在一起。其中一种蛋白ZO-1在细菌挑战中减少，但这种减少在短链脂肪酸处理后部分逆转。显微镜观察显示，丁酸和丙酸增加了ZO-1蛋白在细胞连接处的数量和结构复杂性，形成了波浪状的“褶皱”，这可能代表了一个更活跃或更具弹性的屏障。相比之下，乙酸虽然没有增加褶皱，但仍有助于恢复整体蛋白水平。
研究人员还观察了这些脂肪酸如何影响已知对它们有反应的受体的活性。具体而言，丁酸增加了FFAR2和FFAR3的表达，这两个受体参与免疫和屏障调节。这些受体被认为在维持肠道内壁健康方面发挥作用，而缺乏这些受体的小鼠则表现出更高的通透性和更多的炎症。当前的结果表明，短链脂肪酸可能通过激活这些保护性信号通路来帮助稳定肠道屏障。
除了研究脂肪酸如何保护屏障功能外，研究人员还试图了解压力为何会首先减少这些脂肪酸的水平。通过对肠道中膳食糖分解产物的分析，他们发现压力减少了细菌用于制造短链脂肪酸的关键底物的可用性。
数据还表明，压力可能会使微生物活动转向产生其他化合物，例如多元醇（polyols），或者增加宿主在脂肪酸在下肠道积累之前对其的吸收。根据动物是否具有肠道微生物，也观察到一些微生物能量代谢的变化。这些发现指向了压力后肠道环境的广泛扰动，这可能会影响微生物活动和宿主可获得的有益化合物。
Clarke表示：“我们的肠道微生物就像一个个小工厂，它们的生产线不断产出微生物代谢物。这项研究的一个关键信息是，压力的体验也会被我们的肠道微生物所感知，其中一个后果就是这些代谢物的产量发生变化，尤其是在这种情况下表现为短链脂肪酸的减少。我们使用体外模型的研究表明，这些微生物代谢物（如丁酸）对于维持肠道和血脑屏障功能非常重要。”
这些发现为即使短期压力如何改变肠脑信号提供了新的见解，但研究人员也承认了一些局限性。实验中使用细胞培养模型来测试屏障完整性，这无法完全捕捉整个生物体的复杂性。
Clarke解释道：“我们使用体外研究来了解短链脂肪酸是否可能是肠道和大脑通透性变化的效应因子，但这些只是对整个生物体内微生物-肠-脑轴信号传导站点实际情况的非常简单的近似。我们最近注意到，更复杂的模型，如人类诱导多能干细胞（hiPSCs）为未来推进这些研究提供了更具创新性的模型。”
研究人员强调，了解急性压力如何影响像短链脂肪酸这样的微生物代谢物，可能有助于解释肠脑轴在压力相关健康问题中的作用。由于这些代谢物受饮食和微生物组成的影响，它们可能成为支持压力下肠道和大脑屏障功能的新疗法的目标。例如，促进丁酸生产或模仿其保护作用的干预措施可能有助于缓解压力引起的损伤。
Clarke表示：“我们仍需了解当这些急性压力暴露反复或长期发生时，肠道中会发生什么，以及是否会产生产生适应性或非适应性的后果，这对压力相关障碍非常重要。”
他补充道：“这项研究归功于一位非常有才华的博士后研究员Cristina Rosell-Cardona博士的出色工作。她现在是APC Microbiome Ireland的INSPIRE研究员，将继续研究微生物代谢物在抑郁症中的影响，这是一种与微生物-肠-脑轴信号传导变化相关的压力相关障碍。”
该研究题为《Acute stress-induced alterations in short-chain fatty acids: Implications for the intestinal and blood brain barriers》，作者包括Cristina Rosell-Cardona、Sarah-Jane Leigh、Emily Knox、Emanuela Tirelli、Joshua M. Lyte、Michael S. Goodson、Nancy Kelley-Loughnane、Maria R. Aburto、John F. Cryan和Gerard Clarke。
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