微生物-腸-腦軸在缺血性腦卒中的研究進(jìn)展

顏山荃 楊錫彤 王光明▲

1.大理大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，云南大理 671000；2.大理大學(xué)第一附屬醫(yī)院基因檢測中心，云南大理 671000

腸-腦軸（the gut-brain axis， GBA）是存在于大腦與腸道之間的一個(gè)信息通道，眾多的系統(tǒng)與器官參與其中，腦與腸道之間可以直接進(jìn)行信息交流[1]。腸道菌群（gut microbiota，GM）是指在生物個(gè)體腸道中定植的所有微生物。GM是機(jī)體健康和疾病的重要參與者，賦予了機(jī)體實(shí)質(zhì)性的代謝、免疫和腸道保護(hù)功能[2]，在維持宿主的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮了重要作用。腸道菌群失調(diào)及其代謝產(chǎn)物的異常分泌均能通過腸-腦軸傳遞給大腦促進(jìn)炎癥介質(zhì)的釋放，從而導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生相應(yīng)的炎癥反應(yīng)。

近年來，腸道菌群在影響腦卒中的發(fā)生、發(fā)展以及對該疾病的治療潛力等方面愈發(fā)受到人們的關(guān)注，尤其是缺血性卒中。為進(jìn)一步了解腸道菌群對缺血性腦卒中類疾病的影響，本研究現(xiàn)將對腸道微生物群與缺血性腦卒中之間的相互作用進(jìn)行綜述。

1 腸-腦軸

GBA是為讓大腦的認(rèn)知和情感中心與周圍腸道活動(dòng)過程能夠相互連接起來而形成的一個(gè)信息通道[1]。GBA包含了腸道微生物及其代謝產(chǎn)物、腸壁上的神經(jīng)組織、神經(jīng)-免疫系統(tǒng)、神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)及中樞神經(jīng)系統(tǒng)等[3]。眾多的研究[4-5]表明，腸道菌群在影響GBA方面具有重要作用。因此，一個(gè)新概念被提出：微生物-腸-腦軸，可以進(jìn)一步地解釋腸道菌群如何介導(dǎo)胃腸道與大腦之間的相互作用以及腸道菌群怎樣借助神經(jīng)、內(nèi)分泌、免疫系統(tǒng)參與和大腦之間的信號傳遞。

2 腸道菌群與人類健康

腸道菌群是一類天然存在于生物體內(nèi)的微生物，指在機(jī)體腸道內(nèi)定居的整個(gè)微生物種群。微生物通常被認(rèn)為是引發(fā)機(jī)體生理病理反應(yīng)的刺激源，但實(shí)際上它們能與機(jī)體和諧相處并保持著良好的共生關(guān)系[6]。腸道菌群合成的短鏈脂肪酸是宿主豐富的能量來源，同時(shí)也在維持腸道完整性和抗炎方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[7]。三甲胺N-氧化物（trimethylamine N-oxide，TMAO）作為腸道代謝產(chǎn)物之一，目前已被證實(shí)該類物質(zhì)對腦卒中風(fēng)的發(fā)生有促進(jìn)作用[8]。早期動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，與正常培養(yǎng)的小鼠相比，用富含卵磷脂的飼料飼養(yǎng)的小鼠更易患上動(dòng)脈粥樣硬化[9]。因?yàn)槁蚜字軌虮荒c道菌群分解成三甲胺，隨后三甲胺又被運(yùn)送至肝臟，通過相應(yīng)酶的催化作用，最終變成氧化三甲胺并作用于機(jī)體進(jìn)而增加機(jī)體卒中的風(fēng)險(xiǎn)[10]。

目前，腦卒中是全世界范圍內(nèi)引起致殘率和致死率不斷增長的主要原因之一[11]。除腦卒中以外，阿爾茨海默癥、多發(fā)性硬化癥、盧伽雷氏病等疾病的發(fā)生、發(fā)展也與腸道菌群及GBA之間有著莫大的關(guān)系。阿爾茨海默癥（Alzheimer disease，AD）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的退行性病，主要病理特征表現(xiàn)為腦組織中的毒性Aβ42錯(cuò)誤折疊形成的β-淀粉樣蛋白大量沉積，Tau蛋白異常磷酸化[12]。菌群代謝物含量降低能夠控制中樞系統(tǒng)炎癥的發(fā)生，還可以有效減少腦內(nèi)Aβ沉積和Tau過度磷酸化，改善認(rèn)知功能障礙，從而減緩AD的發(fā)展進(jìn)程[13]。多發(fā)性硬化癥（multiple sclerosis，MS）是以中樞神經(jīng)系統(tǒng)白質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞髓鞘炎性脫落為主要病變的慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病。在MS患者的糞便樣本中，檢測得出嗜黏液桿菌和醋酸鈣不動(dòng)桿菌的豐度相對較高[14]，這似乎暗示著腸道微生物在患病過程中發(fā)揮了顯著作用[15]。盧伽雷氏?。╝myotrophic lateral sclerosis，ALS），在中國也被稱為“漸凍癥”，是一種運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病。疾病后期，患者全身肌肉萎縮，常因呼吸困難、肺部感染、全身衰竭而死亡。在這種疾病的小鼠模型中，檢測到與腸道通透性有關(guān)的丁酸產(chǎn)生菌的數(shù)量較少[16]。

3 腸道微生物增加腦卒中風(fēng)險(xiǎn)

腦卒中，又被稱為“中風(fēng)”，是一種急性腦血管病，包括缺血性卒中和出血性卒中。缺血性卒中最為常見，其發(fā)病率遠(yuǎn)高于出血性卒中，缺血性卒中最為常見，其發(fā)病率遠(yuǎn)高于出血性卒中，可占腦卒中總數(shù)的60%～70%[17]。微生物的細(xì)胞壁由脂多糖（lipoplysccharide，LPS）和肽聚糖構(gòu)成，在Kawato等的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中提到持續(xù)靜脈注射革蘭氏陰性菌可能會(huì)促進(jìn)患有自發(fā)性高血壓卒中傾向的大鼠發(fā)生卒中，主要是由LPS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)所引起的[18]。TMAO作為腸道細(xì)菌的代謝產(chǎn)物之一，目前已有研究證明該類物質(zhì)與動(dòng)脈粥樣硬化之間存在著密不可分的關(guān)系[8，19]。TMAO通過抑制巨噬細(xì)胞膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)、促進(jìn)血小板聚集、增加血栓形成、促進(jìn)血管炎癥反應(yīng)及動(dòng)脈斑塊形成等生理過程，直接誘導(dǎo)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展[20]。動(dòng)脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）是腦卒中的基礎(chǔ)病變，脂質(zhì)沉積是AS的主要病理變化。膽固醇的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)是機(jī)體消除血管內(nèi)脂質(zhì)過多的重要方式之一，脂質(zhì)無法在血管內(nèi)聚集，即可減緩血管粥樣硬化的發(fā)生。此外，血栓黏附在血管壁內(nèi)也極易造成管腔的狹窄甚至堵塞，進(jìn)而血流斷供導(dǎo)致局部組織缺血壞死。Zhu等[21]發(fā)現(xiàn)TMAO與血栓的形成有關(guān)，TMAO可促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)鈣離子釋放從而引發(fā)血小板的高反應(yīng)性，血液能夠快速地凝固。腸道菌群紊亂致使腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡，刺激機(jī)體發(fā)生一系列病理生理反應(yīng)和釋放相關(guān)細(xì)胞因子，促進(jìn)動(dòng)脈斑塊的形成，提高卒中的發(fā)病率。

4 腦卒中導(dǎo)致腸道微生物失調(diào)

GBA信號交流系統(tǒng)是雙向的，腦卒中很有可能會(huì)在自上而下的信號中改變腸道微生物區(qū)系；同時(shí)，腸道微生物區(qū)系的改變也可能自下而上傳遞信號從而引發(fā)腦卒中[22]。卒中后的受損腦組織會(huì)通過釋放炎癥分子和細(xì)胞碎片來激活免疫炎癥系統(tǒng)進(jìn)而傳播全身炎癥。炎癥因子的大量釋放使得腸道通透性增加，腸道屏障被破壞，腸腔內(nèi)的細(xì)菌和毒素將會(huì)滲出至血液循環(huán)中，機(jī)體更易發(fā)生腸穿孔、膿毒癥等惡性疾病，最終導(dǎo)致全身炎癥[23]。在急性缺血性腦卒中后，強(qiáng)烈的應(yīng)激反應(yīng)致使胃腸道運(yùn)動(dòng)降低，腸道內(nèi)某些有害細(xì)菌過度生長，而共生或有益屬的數(shù)量卻大大減少，促使腸道運(yùn)動(dòng)減慢及腸道屏障的受損，導(dǎo)致腸道免疫反應(yīng)以及免疫穩(wěn)態(tài)的改變[24]。在動(dòng)物模型中觀察到的物種多樣性減少和擬桿菌門細(xì)菌過度生長便進(jìn)一步證實(shí)了上述說法[25]。此外，在腦卒中的機(jī)體內(nèi)還會(huì)出現(xiàn)GBA信息交流障礙的現(xiàn)象，如迷走神經(jīng)無法傳導(dǎo)信號、內(nèi)分泌系統(tǒng)信號傳遞異常等[26]。腦卒中后應(yīng)激反應(yīng)刺激腎上腺釋放出大量的促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素和糖皮質(zhì)激素以此增加腸道通透性，加速腸道細(xì)菌易位和造成腸道菌群多樣性減少。同時(shí)，自主神經(jīng)系統(tǒng)也參與了對腸道菌群的調(diào)節(jié)，主要表現(xiàn)為盲腸菌群成分的改變，并根據(jù)損傷的嚴(yán)重程度而有著不同的變化，這些是通過自主神經(jīng)系統(tǒng)釋放去甲腎上腺素以及盲腸黏液蛋白的產(chǎn)生和杯狀細(xì)胞數(shù)量的改變來實(shí)現(xiàn)的[27]。

5 腸道微生物對腦卒中預(yù)后的影響

腸道菌群失調(diào)引發(fā)全身炎癥反應(yīng)，宿主免疫動(dòng)態(tài)平衡遭到破壞，包括Th1、Th2、Th17細(xì)胞和免疫調(diào)節(jié)T細(xì)胞（Treg cell）在內(nèi)的T細(xì)胞亞群失衡，這可能會(huì)導(dǎo)致腦組織的受損面積增多。卒中后，腸道固有T細(xì)胞(γδT細(xì)胞）主要通過兩種方式來加重機(jī)體的缺血性腦損傷：①主動(dòng)遷移到受損區(qū)域；②分泌大量的促炎細(xì)胞因子，如白細(xì)胞白介素-17（IL-17）等；吸引損傷部位的髓樣細(xì)胞(中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞）[28]。在小鼠實(shí)驗(yàn)中利用熒光標(biāo)記微量注射、小鼠體內(nèi)光轉(zhuǎn)化等細(xì)胞示蹤技術(shù)觀察到腸道中的T細(xì)胞和單核細(xì)胞有從腸道向大腦轉(zhuǎn)運(yùn)的趨勢[29]。相反，腸系膜淋巴結(jié)中的樹突狀細(xì)胞則會(huì)促進(jìn)Treg細(xì)胞向腸道內(nèi)遷移，以此來抑制γδT細(xì)胞的分化。此外，白細(xì)胞介素10（IL-10）產(chǎn)生增多，也會(huì)減少γδT細(xì)胞從腸道到腦組織的遷移[27]。減少γδT細(xì)胞向大腦的遷移和IL-17的表達(dá)水平降低都能保護(hù)大腦免受缺血再灌注腦損傷。在動(dòng)物腦卒中模型中，研究人員了解到Treg細(xì)胞能通過抑制腸道內(nèi)Th17因子的產(chǎn)生和γδT細(xì)胞的增殖來維持機(jī)體抗炎環(huán)境，這證實(shí)了Treg細(xì)胞在抑制缺血后炎癥中也有著重要的作用[30]。

6 微生物群在腦卒中治療中的潛在價(jià)值

眾多證據(jù)表明，腸道炎癥和免疫反應(yīng)在卒中的發(fā)生發(fā)展中充當(dāng)了重要的角色，并且還有可能成為卒中治療的關(guān)鍵靶點(diǎn)[23，26，28]。腦缺血組織產(chǎn)生損傷相關(guān)的分子模式，通過特殊的模式識別受體（如Toll樣受體）在局部和系統(tǒng)內(nèi)啟動(dòng)先天和適應(yīng)性免疫反應(yīng)[2]。在機(jī)體發(fā)生腦卒中后先天免疫細(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(分泌IL-17的γδT細(xì)胞)和自然殺傷T細(xì)胞會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)答，隨后通過激活T和B淋巴細(xì)胞產(chǎn)生適應(yīng)性免疫反應(yīng)。T細(xì)胞亞群可以加重缺血性腦損傷，而Treg細(xì)胞則可以通過增加抗炎細(xì)胞因子IL-10的分泌來抑制缺血后炎癥反應(yīng)，從而發(fā)揮保護(hù)腦組織的作用[28]。腸道微生物多樣性的恢復(fù)也是治療腦卒中的又一重要方案，在小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)幼年小鼠和成年大鼠的微生物群組成明顯不同，通過改變幼年小鼠的微生物區(qū)系使其與成年大鼠相似，可增大幼年小鼠的患病風(fēng)險(xiǎn)。反之，改變成年大鼠的微生物區(qū)系，使其與幼年小鼠相似，則可以提高大鼠的存活率，改善大腦中動(dòng)脈閉塞后的恢復(fù)[25]。同時(shí)，在Singh等的研究中也提到腸道菌群失調(diào)的短暫性MCAO的小鼠可能會(huì)出現(xiàn)更大的梗死面積以及更為嚴(yán)重的功能損害，由此可見腸道菌群豐度的改變會(huì)大大影響腦損傷區(qū)域[26]。

7 展望

當(dāng)前對腸道菌群及腸-腦軸的研究越來越多，發(fā)現(xiàn)在菌群發(fā)生改變之后機(jī)體的神經(jīng)、內(nèi)分泌、免疫系統(tǒng)均會(huì)做出相應(yīng)的應(yīng)答反應(yīng)，并且這些反應(yīng)在很大程度上影響著缺血性腦卒中的發(fā)生與預(yù)后，但是其在缺血性腦卒中中的具體作用機(jī)制尚未明確。希望可以找到腸道菌群及腸-腦軸影響缺血性腦卒中發(fā)病的明確因素，研發(fā)出能夠有效控制該類疾病發(fā)生、發(fā)展的藥物，新的治療策略一旦被開發(fā)，在預(yù)防或減輕這類疾病方面將起到關(guān)鍵性作用，有助于提高患者的生存質(zhì)量和降低致死率，造福全人類。