腸道菌群紊亂與圍術(shù)期神經(jīng)認知功能障礙的研究進展*

丁希芝綜述李鵬審校

(1.電子科技大學醫(yī)學院,四川 成都 611731;2.四川省醫(yī)學科學院·四川省人民醫(yī)院麻醉科,四川 成都 610072)

圍術(shù)期神經(jīng)認知障礙(Perioperative neurocognitive disorders,PND)包括術(shù)前和術(shù)后12個月內(nèi)發(fā)生的所有圍手術(shù)期認知功能改變,包括術(shù)后譫妄(Postoperative delirium,POD)、術(shù)后認知功能障礙(Postoperative cognitive dysfunction,POCD)等[1]。PND在高危患者中發(fā)生率高,可導致住院時間延長、住院費用增加、社會負擔加重,以及患者遠期預后不良。近年來,隨著人口老齡化發(fā)展,老年患者接受外科手術(shù)比例逐年增加。由于生理功能的衰退和疾病所帶來的影響,老年患者對手術(shù)、麻醉的耐受能力大大降低。PND已成為老年患者常見的圍術(shù)期并發(fā)癥,盡管采取了多種預防措施,但均未取得理想效果,因此進一步探討PND發(fā)病機制顯得尤為重要。最新研究表明,腸道菌群和PND之間通過腸-腦軸相互聯(lián)系。腸道菌群通過參與免疫調(diào)節(jié)、神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)等多種途徑調(diào)控大腦功能,影響患者的認知、情緒和行為。手術(shù)麻醉過程可能通過直接或間接方式破壞腸道菌群穩(wěn)態(tài),引起認知功能紊亂。因此,本文旨在就腸道菌群紊亂與PND的關(guān)系進行綜述,以期為PND的預治提供新的思路和方向。

1 腸道菌群紊亂與PND關(guān)系密切

腸道菌群是存在于胃腸道中的復雜微生物系統(tǒng),參與多種代謝途徑、信號轉(zhuǎn)導和免疫炎癥軸的調(diào)節(jié)[2]。大量研究證明,腸-腦軸的紊亂在神經(jīng)精神疾病和中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用。最近研究報道[3],腸道菌群組成異?？赡苁荘ND發(fā)生的基礎(chǔ),可能在PND發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用。腸-腦軸是一個雙向通信系統(tǒng),調(diào)節(jié)大腦和腸道的功能。

1.1 腸道菌群紊亂和多種中樞系統(tǒng)疾病的關(guān)系 腸道微生物群的破壞與多種神經(jīng)、精神疾病密切相關(guān),包括焦慮、抑郁、自閉癥、精神分裂及神經(jīng)退行性疾病等。目前,腸道與大腦相互作用的確切機制尚未被完全理解。主流的觀點認為神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、迷走神經(jīng)以及一些胃腸激素和神經(jīng)遞質(zhì)都參與了腸-腦軸調(diào)控[4]。腸道微生物可通過直接(如迷走神經(jīng))和間接(如短鏈脂肪酸、細胞因子和關(guān)鍵的膳食氨基酸,如色氨酸)途徑將信息傳遞給大腦：一方面,腸道傳入迷走神經(jīng)在腸道內(nèi)的感覺微環(huán)境有感知炎癥調(diào)節(jié)因子的受體,迷走神經(jīng)傳入纖維的細胞體位于結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)中并投射到腦干的孤束核,然后由孤束核將信號傳遞給大腦的高級區(qū)域[5];另一方面,菌群代謝產(chǎn)物,例如短鏈脂肪酸、色氨酸、細胞因子、神經(jīng)活性物質(zhì)等,釋放血液中。一旦進入血液,微生物組及其因子可以改變外周免疫細胞功能,促使免疫細胞與血腦屏障血腦屏障的相互作用,改變血腦屏障完整性,并穿過血腦屏障進入大腦激活小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞以影響腦功能。另外,細菌已被證明能產(chǎn)生和消耗哺乳動物神經(jīng)遞質(zhì),如γ-氨基丁酸(GABA)、5-羥色胺、組胺和多巴胺,這些物質(zhì)都作為神經(jīng)遞質(zhì)或神經(jīng)遞質(zhì)前體參與一系列與情緒、行為和認知相關(guān)的功能[6]。

阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD),是一種與年齡有關(guān)的神經(jīng)退行性疾病。近年的研究發(fā)現(xiàn),AD 患者腸道菌群α多樣性顯著降低,并在門、科、屬、目分類上對AD患者的腸道細菌進行了研究,其中擬桿菌(屬)、放線菌(門)、瘤胃球菌(屬)、毛螺菌科(科)和硒單胞菌(目)的豐度顯著改變[7]。腸道菌群失調(diào)所導致的代謝物(如脂多糖、膽汁酸、功能性淀粉樣蛋白等)變化可能會通過引發(fā)神經(jīng)炎癥、神經(jīng)細胞凋亡等途徑進一步導致β-淀粉樣蛋白(β-amyloid,Aβ)沉積形成淀粉樣斑塊、過度磷酸化的tau蛋白在細胞內(nèi)聚集形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)(Neurofibrillary tangles,NFTs)等[8],從而促進AD的形成。

另外眾多證據(jù)表明,腸道菌群紊亂與自閉癥、抑郁癥、精神分裂癥之間均存在密切關(guān)系。Naseribafrouei等[9]的研究證實,與腸道炎癥相關(guān)的另支菌屬和與抑郁癥相關(guān)的顫螺菌屬水平在重度抑郁癥患者中明顯升高。Azouz等[10]在一組40名3～12歲的自閉癥兒童中研究發(fā)現(xiàn),82.5%的兒童合并胃腸道癥狀。此外,在診斷為自閉癥的患者中,厚壁菌門、擬桿菌門、梭桿菌門和疣微菌門均存在生態(tài)失調(diào)[11]。在精神分裂癥的發(fā)病機制中,邊緣部分多巴胺能傳遞的增加和谷氨酸能傳遞的抑制發(fā)揮重要作用。芽孢桿菌屬可以分泌多巴胺,腸道微生物群也可以影響谷氨酸的水平和代謝[12]。由此可見,腸道菌群與抑郁癥、自閉癥和精神分裂癥的發(fā)病機制息息相關(guān)。

合并上述疾病的患者、也是PND的高危人群。例如高齡是AD和POD的易感因素,65歲以上患者POD發(fā)生率明顯增加,且隨年齡增長而增加[13]。術(shù)前存在認知功能改變(如癡呆、認知功能損害、抑郁等)的患者容易發(fā)生PND[14-15]。由此可以看出,大量證據(jù)證明,腸道菌群紊亂與PND存在共同的高危人群,也證明兩者之間存在密切關(guān)系。

因此,腸道菌群失調(diào)引起的“腸-腦軸”功能紊亂在多種神經(jīng)精神疾病的起病和進展中均是一個重要的致病因素。調(diào)節(jié)腸道菌群組成,改善其生理功能,將有利于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的防治。

1.2 腸道菌群紊亂導致PND的發(fā)病機制 大量研究證明,腸道菌群組成異常可能在PND發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用。一方面,術(shù)后腸道菌群失調(diào)可能通過加重外周和中樞炎癥反應來促進PND的發(fā)展[16-17]。手術(shù)打擊導致的中樞炎癥反應反應是PND重要的發(fā)病基礎(chǔ),手術(shù)和麻醉誘導的組織損傷和氧化應激可誘導局部或全身促炎細胞因子的釋放,并激活相應的炎癥信號通路,導致全身炎癥[18]。正常的腸道菌群相當于腸道的保護性生物屏障;而腸道菌群失調(diào)不僅會產(chǎn)生神經(jīng)毒性因子,還會影響腸道粘膜通透性,導致“漏腸”,從而導致大量炎癥和神經(jīng)毒性因子進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)[16]。促炎細胞因子可以利用血腦屏障內(nèi)皮細胞表面的特定受體和轉(zhuǎn)運體,直接穿過血腦屏障,促發(fā)神經(jīng)炎癥[17]。隨著全身炎癥的進展,小膠質(zhì)細胞出現(xiàn)活化的形態(tài)表型,并釋放增加的促炎因子,如IFN-γ、IL-1β、TNF-α和活性氧(ROS)[18]。小膠質(zhì)細胞釋放促炎因子,將導致星形膠質(zhì)細胞進一步激活,并加重神經(jīng)炎癥[19],最后導致PND的發(fā)生率。在范嘉寧等[20]的研究中也證實,與偽無菌大鼠+接種PND患者糞菌濾液(P)組相比,偽無菌大鼠+接種健康人源糞菌濾液(NP)組IL-1β、IL-6和TNF-α的濃度顯著降低,GFAP、p-Tau蛋白表達水平均下降,逃生平臺穿越次數(shù)和興趣象限停留時間均明顯增加,還認為腸道菌群的差異性組成參與了體外循環(huán)心臟手術(shù)后PND的發(fā)生,其機制可能與炎癥反應的發(fā)生相關(guān)。

另一方面,術(shù)后腸道菌群紊亂可能通過影響神經(jīng)遞質(zhì)的平衡來促進PND的發(fā)展。5-羥色胺和γ-氨基丁酸(GABA)等眾多神經(jīng)遞質(zhì)都可以由腸道菌群產(chǎn)生[21]。5-羥色胺在全身廣泛存在,但90%～95%的5-羥色胺存在于胃腸道,主要存在于上皮腸染色質(zhì)細胞(ECs)中[22]。5-羥色胺是一種能產(chǎn)生愉悅情緒的神經(jīng)遞質(zhì),幾乎影響到大腦活動的每一個方面：從調(diào)節(jié)情緒、精力、記憶力到塑造人生觀。Heylen等[23]的研究表明,POD的老年患者患者存在5-羥色胺代謝失調(diào),存在POD的患者血漿中5-羥色胺更低,而血漿中5-羥吲哚乙酸(5-HIAA)——血清素(5-HT)的主要代謝產(chǎn)物更高。GABA是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要抑制性神經(jīng)遞質(zhì),主要分布在皮層、基底神經(jīng)節(jié)、海馬、下丘腦、杏仁核、小腦、髓質(zhì)和脊髓。雙歧桿菌屬和乳桿菌屬可以產(chǎn)生GABA,而大腸桿菌將GABA作為唯一的碳和氮源。Yoshitaka等[24]的研究中,POD患者在術(shù)后第二天血漿平均GABA濃度明顯低于無POD患者?；诂F(xiàn)有證據(jù)推測,手術(shù)麻醉破壞腸道菌群,影響腸道內(nèi)分泌細胞和腸道菌群參與5-HT的代謝合成,導致體內(nèi)5-HT水平波動,同時增加有害菌減少有益菌導致GABA合成減少,從而影響情緒、行為和術(shù)后胃腸蠕動,最后可能促進了POD的發(fā)生。

最后,術(shù)后腸道菌群失調(diào)可能通過引起代謝產(chǎn)物異常而促進PND的發(fā)展。短鏈脂肪酸(Short-chain fatty acids,SCFAs)是腸道微生物活動的重要代謝產(chǎn)物,是腸道黏膜和上皮細胞的營養(yǎng)因子。SCFAs通過促進腸屏障的完整性、粘液的產(chǎn)生和增加對炎癥的耐受反應來維持腸道菌群的穩(wěn)態(tài)。在生理條件下,SCFAs有一小部分到達體循環(huán),并可以通過腦血管上皮細胞上的自身轉(zhuǎn)運蛋白穿過血腦屏障[25]。SCFAs還可以影響神經(jīng)傳遞和神經(jīng)遞質(zhì)產(chǎn)生,如谷氨酸、谷氨酰胺、GABA和神經(jīng)營養(yǎng)因子[26]。在Xu等[27]的研究中,與手術(shù)小鼠相比,術(shù)前給予外源性SCFAs可改善小鼠術(shù)后第3天的運動活動和焦慮樣行為。Xu認為手術(shù)創(chuàng)傷和麻醉加重了認知障礙,增強了神經(jīng)炎癥反應,抑制了SCFAs的產(chǎn)生。SCFAs預處理部分通過逆轉(zhuǎn)小膠質(zhì)細胞過度激活、抑制神經(jīng)炎癥反應和增強BDNF表達來減少認知障礙的發(fā)生。另外,微生物群也可以調(diào)節(jié)色氨酸的代謝,色氨酸在免疫系統(tǒng)和腸腦軸的正常運作中起著關(guān)鍵作用[28],色氨酸產(chǎn)生犬尿氨酸、色胺和5-HT的三大代謝途徑都是在微生物群的間接或直接控制下的。早在1991年Murry[29]就在《柳葉刀》雜志上報道,心臟手術(shù)POD癥狀可能與大腦可用色氨酸減少有關(guān)。但是,在Robinson等[30]的一項隨機對照研究中,接受重大擇期手術(shù)需要術(shù)后ICU住院的老年人術(shù)后補充色氨酸并不能減少術(shù)后興奮性譫妄或整體譫妄的發(fā)生率或持續(xù)時間。腸道菌群紊亂時,機體內(nèi)的三甲胺-N-氧化物(trimethylamine-N-oxide,TMAO)會明顯升高,TMAO可通過血腦屏障引起氧化應激和炎癥反應,加劇小膠質(zhì)細胞活化、誘發(fā)神經(jīng)炎癥反應,進而導致老年患者發(fā)生一系列認知功能障礙相關(guān)疾病,例如卒中后認知障礙、阿爾茲海默病、術(shù)后認知功能障礙等[31-32]。Zhao等[33]的研究發(fā)現(xiàn),機體內(nèi)高水平的TMAO可抑制七氟醚誘導的老年大鼠海馬區(qū)蛋氨酸亞砜還原酶A的表達,增加大腦對氧化應激的敏感性,增加海馬區(qū)小膠質(zhì)細胞的激活和促炎因子的釋放,最終加重七氟醚誘導的老年大鼠認知障礙。?；切苋パ跄懼岜蛔C實有助于阿爾茲海默癥、帕金森病等神經(jīng)退行性疾病的動物模型認知功能改善[34]。此外,在急性神經(jīng)炎癥的動物模型中,?；切苋パ跄懼嵋脖憩F(xiàn)了強大的抗炎作用,能減少神經(jīng)膠質(zhì)細胞活化、抑制小膠質(zhì)細胞遷移以及降低趨化因子和血管黏附蛋白的表達[35]。可見,腸道菌群代謝產(chǎn)物與多種改變認知功能的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生密切相關(guān)。

綜上,腸道菌群紊亂可能通過加重外周和中樞炎癥反應、影響神經(jīng)遞質(zhì)的平衡、引起多種代謝產(chǎn)物異常等多條途徑促使PND的發(fā)生發(fā)展。

2 圍手術(shù)期腸道菌群的破壞

2.1 手術(shù)打擊 手術(shù)創(chuàng)傷對患者機體各個系統(tǒng)都會造成重大影響,當然也包括消化系統(tǒng)的腸道菌群。近年,無論是臨床研究還是動物研究都表明,手術(shù)打擊會使患者或者動物腸道菌群多樣性明顯降低、菌群結(jié)構(gòu)改變、致病菌豐度增加。先是Yu等[36]在成年大鼠中發(fā)現(xiàn)接受全麻心臟手術(shù)的大鼠,術(shù)后一周腸道菌群α-多樣性明顯降低。進一步研究證明,Aardema等[37]也在臨床研究中發(fā)現(xiàn),行擇期心臟手術(shù)患者術(shù)后腸道菌群多樣性明顯降低,多種潛在致病菌豐度增加。最近,Liu等[38]的研究也證明,骨科手術(shù)會導致前驅(qū)性阿爾茨海默病患者腸道微生物菌群失調(diào)和腸道屏障功能障礙。由此可見,毫無疑問手術(shù)打擊可以破壞腸道菌群紊亂。

2.2 麻醉藥物 近年來,多項研究發(fā)現(xiàn)麻醉藥物會對腸道菌群會產(chǎn)生顯著的影響。Schoster等[39]和Serbanescu等[40]分別發(fā)現(xiàn)在健康成年馬和小鼠中,吸入異氟烷均會導致腸道菌群變化。尤其是在Serbanescu等[40]研究發(fā)現(xiàn)暴露于異氟烷4 h,小鼠的腸道菌群失調(diào)會持續(xù)到麻醉后第7天,且麻醉后細菌群落α-多樣性減少,變形菌門和放線菌門的豐度增加,厚壁菌門和梭狀芽孢桿菌門的豐度減少。另外,在臨床研究方面,陳健等[41]也證實吸入麻醉后出現(xiàn)認知功能障礙的患者,腸道菌群表現(xiàn)為雷伯氏桿菌、普氏菌等細菌的富集。Han等[42]觀察大鼠輸注異丙酚后腸道菌群的變化,其研究結(jié)果顯示腸道菌群的變化持續(xù)了14天以上。Lee等[43]的研究中給小鼠注射嗎啡后,腸道微生物組的組成發(fā)生了顯著變化,最早在治療開始后1天就有明顯變化。非甾體類抗炎藥(NSAIDs)作為全球范圍內(nèi)廣泛使用的解熱鎮(zhèn)痛抗炎藥。Maseda等[44]發(fā)現(xiàn)NSAIDs可通過破壞腸道微生物群的平衡和結(jié)腸上皮的完整性,增加艱難梭菌感染的易感性并增強艱難梭菌感染的嚴重程度。Chao等[45]檢測了服用阿司匹林和氯吡格雷后患者的腸道菌群變化,發(fā)現(xiàn)腸道菌群在綱、目、科、屬水平上與健康對照組相比均有顯著差異?？傊?上述研究指出了麻醉用藥(異氟醚、異丙酚、嗎啡、非甾體類抗炎藥)對腸道菌群組成會產(chǎn)生有效、持久的影響,但這些影響的臨床意義尚不清楚,需要進一步在臨床研究中驗證。

2.3 其他因素 手術(shù)期還有許多其他因素也會導致腸道菌群紊亂,包括術(shù)前禁食水、術(shù)前腸道準備以及常規(guī)使用抗生素預防術(shù)后感染,而術(shù)前腸道準備是否會導致腸道菌群紊亂存在一定爭議性。一部分研究[46-47]認為術(shù)前腸道準備對腸道菌群沒有顯著影響,即使細菌總負荷減半,也不會改變微生物多樣性。但另一部分研究[48-49]發(fā)現(xiàn),術(shù)前腸道準備對腸道菌群有重大影響,大多數(shù)腸道菌群可能需要14天才能恢復到基線組成。但是以上研究的樣本量都不大,有待于更大樣本量的隨機對照臨床試驗來驗證。

3 益生菌、益生元、抗生素對腸道菌群紊亂和PND的預防和治療作用

目前國內(nèi)外學者提出了多種預防措施,如術(shù)前積極糾正易感因素、改善患者衰弱狀態(tài),術(shù)中右美托咪定的使用,維持循環(huán)穩(wěn)定、水電解質(zhì)平衡,體溫保護,術(shù)后充分鎮(zhèn)痛,但均未取得理想而明確的效果[50-52]。圍術(shù)期服用益生菌、益生元及使用抗生素治療PND似乎帶來了新的研究方向。Wen等[53]研究證明,在動物實驗中,口服乳酸菌可以降低血腦屏障的通透性,從而保護了老年和腸道菌群失調(diào)小鼠的術(shù)后認知功能。Xiao等[54]研究表明,術(shù)前3周持續(xù)使用益生元可通過抑制海馬區(qū)IL-6釋放和小膠質(zhì)細胞激活有效降低大鼠腹部PND發(fā)生率。

然而,圍術(shù)期使用抗生素對認知結(jié)局的影響結(jié)論不一。Liang等[55]的研究結(jié)果顯著頭孢唑啉的直接抗炎效應可能導致小鼠腸道菌群失調(diào),可以損害術(shù)后小鼠的記憶和學習障礙。而與之相反的是Luo等[56]的研究認為,圍手術(shù)期使用頭孢唑啉逆轉(zhuǎn)麻醉和手術(shù)引起的菌群失調(diào),減少麻醉和手術(shù)引起的認知損害,改善血腦屏障破壞和增加緊密連接蛋白的表達。

盡管動物實驗為圍術(shù)期使用益生菌、益生元及抗生素改善PND提供了積極證據(jù),但臨床研究卻仍比較少。Wang等[57]從入院到出院期間給予非心臟手術(shù)患者服用益生菌,發(fā)現(xiàn)益生菌顯著減少PND的發(fā)生。Zhang等[58]在術(shù)前1天至術(shù)后6天口服益生菌,發(fā)現(xiàn)圍手術(shù)期益生菌干預將降低老年骨科患者PND的發(fā)生,雖然二者益生菌服用時間各不相同,但總的原則都是盡量延長益生菌的使用時間,而且兩個研究研究結(jié)論都是圍術(shù)期口服益生菌可以降低PND或者POD的發(fā)生率。

總之,基于目前的動物研究和臨床研究都支持口服益生菌可以降低PND或者POD的發(fā)生率,這也為腸道菌群紊亂與PND的關(guān)系提供了更多的證據(jù)支持,但是仍然需要更大樣本的臨床數(shù)據(jù)支持。

4 總結(jié)與展望

現(xiàn)有證據(jù)已充分表明麻醉和手術(shù)導致的腸道菌群紊亂對于PND起著至關(guān)重要的作用。腸道菌群功能紊亂與PND存在共同的高危人群,腸道菌群功能紊亂又與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病存在密切關(guān)聯(lián)。也有證據(jù)表明腸道菌群紊亂可能通過腸-腦軸多個途徑對術(shù)后認知功能造成不良影響。手術(shù)、麻醉和多種圍術(shù)期因素都會導致腸道菌群發(fā)生明顯變化,再次提示腸道菌群紊亂與PND密切相關(guān)。此外,既往研究發(fā)現(xiàn)以調(diào)節(jié)腸道菌群為干預思路,通過益生菌、益生元、抗生素對PND起到有效保護作用。關(guān)于抗生素的研究結(jié)論卻出現(xiàn)兩極分化,值得進一步深入探索?？傊?關(guān)于腸道菌群紊亂在PND的發(fā)生機制作用的研究還處于探索階段,需要更多設(shè)計合理的、大樣本的研究對腸道菌群在PND發(fā)生機制的探索,調(diào)節(jié)腸道菌群策略在預防和治療PND發(fā)生的有效性尚需要更多的研究證據(jù)。