王 璇 綜述,楊 軍 審校

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,重慶 400016)

腦血管病是當(dāng)今導(dǎo)致人類死亡最常見的三大疾病之一。其中,急性缺血性腦卒中(AIS) 占新發(fā)腦卒中的69．6%～70．8%[1],具有發(fā)病率高、病死率高、致殘率高和再發(fā)率高的特點(diǎn),是造成我國人口傷殘、死亡的首要原因,給家庭、社會造成了沉重的負(fù)擔(dān)。相當(dāng)一部分AIS患者伴有消化道并發(fā)癥,包括吞咽困難、消化道出血和大便秘結(jié)等。

微生物可以被認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜的內(nèi)分泌系統(tǒng),能夠確保人體各項(xiàng)機(jī)能的正常運(yùn)行。人體內(nèi)的細(xì)菌數(shù)量是細(xì)胞數(shù)量的10倍,而細(xì)菌基因總數(shù)則超過人類的100倍,約95%的細(xì)菌存在腸道中[2]。既往研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物主要由厚壁菌、擬桿菌、變形菌、放線菌、梭狀芽孢桿菌和疣狀芽孢桿菌6個(gè)家族組成,其中大部分為厭氧菌[3]。健康個(gè)體中厚壁菌和擬桿菌是主要細(xì)菌[4]。由于腸道菌群與炎癥及許多慢性疾病密切相關(guān),近年來引起了廣泛關(guān)注。國內(nèi)外多項(xiàng)研究表明微生物-腸-腦軸在神經(jīng)發(fā)育和衰老及AIS等腦部疾病中發(fā)揮著重要作用,如腸道微生物能夠影響小鼠作為自閉癥核心特征的行為;腸道微生物具有神經(jīng)保護(hù)作用從而改善小鼠帕金森病的表征[5]。

并且隨著研究的深入,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)微生物可以通過4種腸-腦軸通路干預(yù)腦內(nèi)疾病的發(fā)生發(fā)展。研究指出微生物-腸-腦軸是AIS后免疫系統(tǒng)的中樞調(diào)節(jié)器,且通過4種腸-腦軸通路發(fā)揮作用[6-7]。腸神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的交流對于維持全身穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要,腸道通過自主神經(jīng)(AN)和迷走神經(jīng)(VN) 2條神經(jīng)解剖學(xué)途徑對大腦進(jìn)行物理連接[8],并通過腸道中的腸神經(jīng)系統(tǒng) (ENS) 進(jìn)行雙向交換,該交換與脊髓中的自主神經(jīng)和迷走神經(jīng)相連。除此之外,還包括下丘腦-垂體-腎上腺軸和中央水平的免疫系統(tǒng)[9]。

1 歷史演變

隨著宏基因組學(xué)近幾年的發(fā)展,對腸道微生物的研究逐漸深入。宏基因組學(xué)也叫元基因組學(xué),已廣泛用于腸道菌群與人體疾病關(guān)系的研究中。目前宏基因組學(xué)由鳥槍宏基因組學(xué)(shotgun me-tagenomics) 和標(biāo)記基因擴(kuò)增宏基因組學(xué)(16S rRNA)兩部分組成[10]。既往研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)宿主的免疫學(xué)、微生物學(xué)和代謝組學(xué)特征可以逆轉(zhuǎn)老年小鼠卒中恢復(fù)不佳的情況,通過對實(shí)驗(yàn)性AIS老年小鼠進(jìn)行年輕糞便微生物群移植可以改變腸道微生物,并且減少了大腦和腸道炎癥[11]。移植能產(chǎn)生短鏈脂肪酸的細(xì)菌后提高了老年AIS小鼠的腸道、大腦和血漿短鏈脂肪酸水平并減輕了AIS后神經(jīng)功能缺損和炎癥。腦卒中生態(tài)失調(diào)指數(shù)(SDI)模型用于提示嚴(yán)重卒中(NIHSS ≥8)和早期不良結(jié)局(mRS >2),將腸道微生物群與腦卒中聯(lián)系起來[12]。伴皮層下梗死和白質(zhì)腦病的常染色體顯性遺傳性腦動脈病(CADASIL)是一種非淀粉樣變性、非動脈粥樣硬化的家族遺傳性腦血管病,缺血性腦卒中是其臨床表現(xiàn)中最常見的一種。研究發(fā)現(xiàn)CADASIL患者毛螺菌屬及微小小單胞菌屬等6個(gè)屬豐度明顯增加,巨球型菌屬及氨基酸球菌2個(gè)屬豐度明顯降低;與未發(fā)生卒中的患者相比,CADASIL患者發(fā)生卒中的2個(gè)屬豐度明顯降低,這表明腸道微生物群改變了CADASIL的發(fā)病和進(jìn)展[13]。

2 腸道微生物與AIS之間的關(guān)系

2.1 腸道微生物與卒中風(fēng)險(xiǎn)因素的關(guān)系

既往研究發(fā)現(xiàn)AIS與高血壓、糖尿病、動脈粥樣硬化、肥胖、吸煙、年齡等多種因素相關(guān),腸道微生物產(chǎn)生神經(jīng)活性化合物并調(diào)節(jié)神經(jīng)元功能,對AIS患者的行為產(chǎn)生影響;同時(shí)調(diào)節(jié)宿主代謝和免疫狀態(tài),影響缺血大腦中的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)[14]。對2型糖尿病、AIS、AIS合并2型糖尿病患者的研究發(fā)現(xiàn),2型糖尿病和AIS對AIS伴2型糖尿病患者腸道菌群失調(diào)存在累加效應(yīng),并且與2型糖尿病相關(guān)的腸道菌群失調(diào)和AIS患者的卒中嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[15]。腸道菌群的變化可能會影響宿主對胰島素、體重及脂質(zhì)和碳水化合物代謝的敏感性,生態(tài)失調(diào)導(dǎo)致促炎機(jī)制、代謝毒性和胰島素抵抗的激活[16]。

2.1.1三甲胺-N-氧化物(trimethylamine -N -oxide,TMAO)

TMAO是與AIS密切相關(guān)的腸道菌群的副產(chǎn)物[17]。三甲胺 (TMA) 通過門脈循環(huán)進(jìn)入肝臟,被黃素單加氧酶氧化形成TMAO。TMAO是卒中的高危因素和預(yù)后標(biāo)志物,是一種依賴代謝的腸道微生物群,已被證明具有促動脈粥樣硬化、促血小板活化及促炎癥的作用[18-19]。對AIS患者入院后不同時(shí)間TMAO動態(tài)觀察發(fā)現(xiàn),TMAO水平與90 d風(fēng)險(xiǎn)增加及12個(gè)月內(nèi)主要缺血事件相關(guān),這提示早期TMAO水平升高預(yù)示卒中的不良結(jié)局[20],且其水平是功能結(jié)果和死亡率的獨(dú)立預(yù)測因子[21]。此外,血漿TMAO水平與AIS發(fā)病率增加的相關(guān)性還表現(xiàn)在年齡、性別、體重指數(shù)、吸煙情況、飲酒情況、糖尿病史和高血壓病史分層的亞組中[22]。

2.1.2短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFA)

SCFA是腸道微生物將膳食纖維發(fā)酵后的最終產(chǎn)物,在AIS中發(fā)揮了不可或缺的作用[23]。AIS通常伴隨神經(jīng)炎癥變化,SCFA可能通過G蛋白耦聯(lián)受體 (GPR41和GPR43) 的激活和組蛋白脫乙?；?(HDAC) 的抑制參與炎性反應(yīng)的調(diào)節(jié);能直接或間接影響微生物-腸-腦軸的神經(jīng)功能,如神經(jīng)遞質(zhì)產(chǎn)生、免疫激活、受體信號和小膠質(zhì)細(xì)胞的變化。除此之外,細(xì)胞內(nèi)SCFA的持續(xù)積累伴隨著pH值的輕微降低,導(dǎo)致細(xì)胞酸化;隨后改變了鈣信號傳導(dǎo)和神經(jīng)遞質(zhì)釋放,間接改變了細(xì)胞通訊和宿主行為[24]。SCFA可能充當(dāng)腸道微生物和大腦之間的介質(zhì),對AIS具有保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)SCFA水平與AIS嚴(yán)重程度和預(yù)后呈負(fù)相關(guān),通過缺乏產(chǎn)生SCFA的細(xì)菌和糞便低SCFA水平可以定義AIS患者的生態(tài)失調(diào)[25]。

2.1.3脂多糖(lipopolysac-charide,LPS)

LPS是革蘭陰性菌外膜的主要成分,它通過toll樣受體4 (TLR4)激活對先天免疫反應(yīng)的有效炎癥刺激。2型糖尿病與腸道微生物群的變化和腸道屏障功能受損有關(guān),導(dǎo)致微生物群衍生的脂多糖易位進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng),即發(fā)生代謝性內(nèi)毒素血癥[26]。KURITA等[27]研究發(fā)現(xiàn)2 型糖尿病小鼠腸道微生物組成改變、腸道通透性增加且血漿脂多糖水平升高;AIS組小鼠腦梗死體積更大,脂多糖、TLR4 和炎性細(xì)胞因子的表達(dá)水平更高,神經(jīng)損傷更重。

2.1.4炎癥

既往研究已經(jīng)表明動脈粥樣硬化是AIS的首要高危因素,而動脈粥樣硬化引起血栓栓塞事件的原因是由于斑塊分子和炎性介質(zhì)的激活,易損斑塊破裂。有研究提出活化的炎癥細(xì)胞會增加促炎細(xì)胞因子、趨化因子、蛋白酶和黏附蛋白的產(chǎn)生,這些炎癥標(biāo)志物參與全身炎癥、血腦屏障破壞、腸道菌群失調(diào)和缺血性腦損傷的加重[28]。AIS后的先天免疫細(xì)胞包括中性粒細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞或巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞,先天淋巴細(xì)胞和自然殺傷 T 細(xì)胞在數(shù)小時(shí)內(nèi)發(fā)生反應(yīng),然后通過激活T細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞產(chǎn)生作用[29]。除此之外,慢性全身炎癥參與了許多與年齡相關(guān)的疾病的發(fā)病機(jī)制,老化的生物群系增加了全身性促炎細(xì)胞因子的水平[30]。

2.1.5維生素B12(VitB12)

VitB12是甲基丙二酰輔酶A合酶和蛋氨酸合酶的輔助因子,對蛋氨酸和核苷酸的生物合成至關(guān)重要。VitB12缺乏會導(dǎo)致代謝底物(如同型半胱氨酸)積聚,從而改變機(jī)體免疫狀態(tài),引發(fā)動脈粥樣硬化疾病,包括AIS。VitB12可作為腸道微生物代謝輔助因子,通過塑造微生物群落進(jìn)一步影響局部和外周免疫。由VitB12缺乏引起的腸道菌群失調(diào)相關(guān)的免疫功能障礙可能影響AIS的發(fā)病、嚴(yán)重程度和患者預(yù)后[31]。

2.2 AIS腸道微生物失衡

AIS的發(fā)生及預(yù)后可能受腸道微生物變化的影響,反之,AIS可通過富集病原體和機(jī)會性微生物引發(fā)腸道微生物紊亂,增加腸道通透性,破壞腸道屏障,造成腸道菌群易位[32]。有研究發(fā)現(xiàn)豬AIS模型微生物多樣性和均勻度降低,且微生物的多樣性和病灶容積是負(fù)相關(guān)的,第5天時(shí)微生物模式恢復(fù)到與AIS前相似的值,這表明腸道微生物在豬模型AIS急性期的可塑性[33]。如今機(jī)械取栓術(shù)已廣泛應(yīng)用于AIS的治療中,VAJPEYEE等[34]對時(shí)間窗內(nèi)行機(jī)械取栓術(shù)的患者大腦中動脈血栓中的微生物群進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),血栓樣本中存在超過27種細(xì)菌,大多數(shù)細(xì)菌是乳桿菌、葡萄球菌和窄食單胞菌,這提示細(xì)菌從口腔、腸道或皮膚入血后可能在短暫性菌血癥期間滯留在頸動脈斑塊中,而未出現(xiàn)明顯的敗血癥。

2.3 卒中伴發(fā)疾病與腸道微生物及其相應(yīng)代謝物的關(guān)聯(lián)

2.3.1卒中后認(rèn)知障礙(post-stroke cognitive impairment,PSCI)

PSCI是AIS常見的并發(fā)癥和后遺癥之一,也是AIS后殘疾的一個(gè)重要因素。研究發(fā)現(xiàn)患有PSCI的患者腸道微生物α多樣性明顯降低、微生物組成和相應(yīng)代謝物受到干擾,并伴隨糞便SCFA的缺乏。進(jìn)一步構(gòu)建基于腸道微生物的PSCI風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模型,在卒中發(fā)病后3個(gè)月或更長時(shí)間內(nèi)能對PSCI的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測[35],血漿TMAO水平較高可能是PSCI的獨(dú)立預(yù)測因子[36]。

2.3.2卒中后抑郁(post-stroke depression,PSD)

PSD是AIS常見并發(fā)癥之一,如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和治療,PSD會影響患者神經(jīng)功能的恢復(fù)及其回歸社會的能力。研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群失調(diào)及炎癥因子過度表達(dá)都可能參與PSD的發(fā)生和進(jìn)展[37]。PSD患者腸桿菌目和腸桿菌科的變形菌豐度增加,且產(chǎn)生SCFA的幾種細(xì)菌豐度都有所降低[38]。

2.3.3卒中后感染

AIS患者發(fā)生感染的概率也增加,最常見的是并發(fā)肺部感染和尿路感染,可能與卒中后共生菌的腸通透性增加和易位有關(guān)。腸道微生物組成的改變可能增加菌血癥并改變宿主的免疫應(yīng)答。卒中相關(guān)性肺炎(SAP)患者糞便中SCFA水平較低,血清中D-乳酸水平較高,SAP 是30 d死亡和90 d不良結(jié)果的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[39]。這提示腸道微生物群的篩查或許可以幫助辨別SAP高?；颊?并為腦卒中的治療提供線索。雖然抗菌藥物似乎是治療卒中患者細(xì)菌感染的一種合理形式,但耐藥細(xì)菌的增加和有益腸道菌群的破壞可能是這些藥物面臨的主要挑戰(zhàn)。

3 治 療

多項(xiàng)研究提示長期攝入高脂肪、高蔗糖、低纖維的食物可能會降低腸道微生物的多樣性,增加膳食纖維攝入量可能是預(yù)防卒中的有效方法[40]。益生菌和益生元對宿主健康的益處已被廣泛研究和明確定義,在嚙齒動物模型中早已證實(shí)乳桿菌、酪酸梭菌、地衣芽孢桿菌等益生菌對卒中的有益作用[41-43]。其中乳果糖是一種益生元,在結(jié)腸內(nèi)通過腸道微生物可轉(zhuǎn)化成相對分子質(zhì)量較小的有機(jī)酸,可軟化糞便,體外研究發(fā)現(xiàn)它可以通過劑量依賴的方式提高腸道中的SCFA水平[44],并且YUAN等[45]研究發(fā)現(xiàn),補(bǔ)充乳果糖可改善卒中的功能結(jié)果并減少卒中后的炎癥反應(yīng)。已經(jīng)應(yīng)用在臨床的糞便微生物群移植技術(shù)可能是改善AIS的潛在選擇,動物研究中通過移植富含SCFA的糞便微生物卒中后的腦損傷得到改善[46-47]。除補(bǔ)充益生元之外,去除有害微生物也是一種選擇,抗生素可以影響腸道微生物的組成,口服不可吸收抗生素可以緩解腦水腫,并通過改變腸道菌群減少神經(jīng)損傷和腦梗死的體積[48]。有研究發(fā)現(xiàn)阿托伐他汀能逆轉(zhuǎn)微生物成分,提高糞便中丁酸水平,對卒中患者的腸道屏障功能和免疫功能有促進(jìn)調(diào)節(jié)作用[49]。既往研究發(fā)現(xiàn)較高的TMAO水平可能與AIS患者預(yù)后不良及心血管事件風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān),針對性地降低TMAO水平來恢復(fù)腸道健康,可為高危患者提供替代的二級預(yù)防。中藥湯劑在AIS的治療中也有一定的應(yīng)用。星蔞承氣湯能改善神經(jīng)功能并緩解AIS;促進(jìn)抗炎因子的釋放,下調(diào)促炎因子水平;并明顯升高SCFA的水平[50]。通竅活血湯能調(diào)節(jié)腸道菌群豐度,改善腸道上皮屏障受損程度,減輕腦組織和梗死體積的病理變化,改善T細(xì)胞的失衡、抑制炎癥反應(yīng)[51]。

4 總結(jié)與展望

越來越多的研究表明,腸道微生物在AIS的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用,腸道微生物的調(diào)節(jié)可能為治療和預(yù)防缺血性腦卒中提供一種新的治療策略。現(xiàn)階段短鏈脂肪酸有望作為治療靶點(diǎn),糞便微生物群移植療法也可作為治療的一個(gè)新方向,從TMAO 等代謝物或從腸道菌群相關(guān)通路出發(fā)也是有希望的治療手段。中藥在AIS的治療上也表現(xiàn)出相應(yīng)的優(yōu)勢[52]。但是從動物實(shí)驗(yàn)到臨床試驗(yàn),它的安全性和治療方案等問題也需要進(jìn)一步思考及解決。未來,以腸道微生物為靶點(diǎn)的治療模式將在預(yù)防缺血性腦卒中方面發(fā)揮重要作用。