腸道菌群在腦卒中發(fā)病中的研究進(jìn)展

田 甜 盧 英 李 武 杜 珊 米 顏 程 葉 張 萌 牛曉晨 張格娟 常明則 史文珍 田 曄

人的腸道中生活著數(shù)以萬億計(jì)的微生物，稱為腸道菌群，其中大多數(shù)的腸道菌群駐留在回腸和結(jié)腸中，被稱為人類的新器官[1]。這些微生物與其宿主之間的關(guān)系從出生開始就一直存在，并且以“互惠互利”的關(guān)系維持生命。在妊娠期間，即可從健康母親的胎盤、早產(chǎn)兒的羊水和胎糞中發(fā)現(xiàn)細(xì)菌。許多因素均會(huì)影響宿主體內(nèi)腸道微生物群的種類，例如宿主基因型、地理、飲食、年齡、生活方式、懷孕、分娩方式、抗生素的使用、疾病狀態(tài)等。研究顯示，哺乳動(dòng)物的微生物定植可調(diào)節(jié)和影響宿主的生理功能，腸道菌群失調(diào)與多種人類疾病有關(guān)，包括炎性腸病、肥胖癥和心血管疾病等。近年來，人們逐漸認(rèn)識(shí)到宿主腸道微生物能夠影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，突觸發(fā)育、髓鞘形成、小膠質(zhì)細(xì)胞活性、血-腦脊液屏障完整性等可能會(huì)受到微生物組信號(hào)的調(diào)節(jié)，腸道菌群可通過腦-腸軸機(jī)制參與某些中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病過程。

一、腸道菌群概述

腸道微生物數(shù)量龐大，種類繁多，其中包含的基因數(shù)量是人類基因組的100倍。腸道菌群按照特定的比例組合存在，各菌群之間相互制約、依存，在質(zhì)和量上達(dá)成一種生態(tài)平衡，其中在門水平上占據(jù)優(yōu)勢(shì)的是厚壁菌門和擬桿菌門，其次是變形菌門、放線菌門等[2]。腸道細(xì)菌在維持能量、新陳代謝和免疫力的穩(wěn)態(tài)功能和作用已經(jīng)得到了廣泛的分析。腸道菌群失調(diào)例如厚壁菌門和擬桿菌門的微生物群落比率的變化可用作生物學(xué)標(biāo)志物來識(shí)別病理狀況。腸道菌群已被發(fā)現(xiàn)不僅是免疫和代謝健康的重要組成部分，而且還會(huì)影響腸道和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，例如腸道內(nèi)共生細(xì)菌對(duì)于實(shí)驗(yàn)性小鼠大腦灰白質(zhì)的正常形態(tài)發(fā)育和成熟是必要的[3]。早期微生物組-腸-腦軸以性別依賴的方式調(diào)節(jié)海馬 5-羥色胺能系統(tǒng)。近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究者對(duì)腸道菌群的研究從常規(guī)的基于分離、培養(yǎng)的方法轉(zhuǎn)向分子生態(tài)學(xué)研究方法，包括分子雜交技術(shù)法、DNA指紋圖譜法、DNA測(cè)序法等。這些研究方法的發(fā)展使得對(duì)環(huán)境中的復(fù)雜微生物群落全面分析變得更加方便、快速、直觀。

二、腸道菌群參與腦卒中發(fā)病

腦卒中是常見的腦血管疾病，具有發(fā)生率、致死致殘率高的特點(diǎn)。其病因是由于腦部血管阻塞或者破裂而引起的腦組織損失，包括出血性和缺血性腦卒中兩種[4]。在中國(guó)，腦卒中的年病死率已經(jīng)超過心臟病，成為死亡和致殘的主要原因，多達(dá)50%的腦卒中患者會(huì)出現(xiàn)胃腸道并發(fā)癥，包括吞咽困難、胃腸道出血、便秘和腸失禁等[5]。目前研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群失調(diào)會(huì)損傷腸道屏障和血-腦脊液屏障，促進(jìn)腦卒中并發(fā)癥的發(fā)生，甚至影響腦卒中的預(yù)后。Spychala等研究表明，通過灌胃改變幼齡鼠體內(nèi)的微生物群，使其與老齡鼠相似，再通過實(shí)驗(yàn)誘導(dǎo)缺血性腦卒中后會(huì)導(dǎo)致小鼠的病死率增加，小鼠行為測(cè)試的表現(xiàn)變差。相反，改變老齡鼠的腸道微生物群使之與幼齡鼠相似，可增加缺血性腦卒中后的存活率。目前研究公認(rèn)的腦卒中發(fā)病機(jī)制包括能量耗竭、酸中毒、興奮性氨基酸毒性作用、炎性細(xì)胞因子、細(xì)胞凋亡等。本文從腸道菌群角度出發(fā)，圍繞其參與三甲胺-N-氧化物(trimethylamine N-oxide, TMAO)、宿主代謝和炎癥、免疫穩(wěn)態(tài)進(jìn)行闡述，以期為腦卒中發(fā)病機(jī)制找到新的解釋。

1.腸道菌群代謝物三甲胺-N-氧化物(TMAO)：TMAO是一種代謝產(chǎn)物，主要來源于飲食中的膽堿、磷脂酰膽堿和左旋肉堿， 在腸道菌群的作用下這些成分被代謝成三甲胺，三甲胺被含黃素單氧化酶 (FMO) 進(jìn)一步氧化，在肝臟中產(chǎn)生 TMAO。TMAO 是一種新發(fā)現(xiàn)的心腦血管疾病危險(xiǎn)因素，與動(dòng)脈粥樣硬化密切相關(guān)[6]。研究發(fā)現(xiàn)，血液中TMAO含量較高的測(cè)試者，5年內(nèi)心血管疾病的發(fā)生率也較高。動(dòng)脈粥樣硬化是腦卒中的一個(gè)重要危險(xiǎn)因素。研究表明，腦卒中患者中腸道菌群與正常人存在明顯差異，在腦卒中和短暫性缺血發(fā)作患者中表現(xiàn)出更多的條件致病菌，例如腸桿菌屬、巨型球菌屬、脫硫弧菌屬，而主要的共生或有益微生物屬，如擬桿菌屬、普氏菌屬、費(fèi)氏桿菌屬等幾乎是缺失的。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，在患者血液中TMAO水平降低。該研究證實(shí)了腸道菌群的失調(diào)可能與TMAO水平變化相關(guān)，從而間接導(dǎo)致腦卒中的發(fā)生。盡管尚不清楚TMAO水平降低是發(fā)生在疾病前還是疾病后，是否與藥物治療相關(guān)。另外一項(xiàng)臨床研究表明，TMAO水平還與血栓風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)，實(shí)驗(yàn)通過受試者的血漿TMAO變化水平預(yù)測(cè)血栓形成(心臟病、腦卒中)的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明，腸道微生物能夠通過生成 TMAO 直接使血小板過度活化從而增強(qiáng)血栓形成潛力，影響腦卒中的發(fā)病，該研究還揭示了以前未被認(rèn)識(shí)的特定膳食營(yíng)養(yǎng)素、腸道微生物、血小板功能和血栓風(fēng)險(xiǎn)之間的機(jī)制聯(lián)系[7]。

2.腸道菌群對(duì)代謝和炎癥的影響：代謝和炎癥在缺血性腦卒中中的作用已成為研究和臨床實(shí)踐中的主要關(guān)注點(diǎn)。Yamashiro等[8]通過對(duì) 41例缺血性腦卒中患者和40例對(duì)照受試者的糞便微生物濃度分析，評(píng)估臨床生物學(xué)標(biāo)志物與細(xì)菌計(jì)數(shù)和有機(jī)酸濃度之間的相關(guān)性，證實(shí)了缺血性腦卒中患者的腸道生態(tài)失調(diào)與宿主代謝和炎癥有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，缺血性腦卒中與乙酸的濃度降低和戊酸濃度增加有關(guān)。同時(shí)，乙酸濃度的變化與糖化血紅蛋白和低密度脂蛋白膽固醇的水平呈負(fù)相關(guān)，而戊酸濃度的變化與高敏C反應(yīng)蛋白水平和白細(xì)胞計(jì)數(shù)呈正相關(guān)。Winek等[9]在通過連續(xù)抗生素治療或用無特定病原菌的菌落定植發(fā)現(xiàn)，常見的微生物群可確保在實(shí)驗(yàn)性腦卒中小鼠模型中起到腸道保護(hù)作用，并防止在腦缺血后未給予抗生素保護(hù)的微生物群衰竭小鼠中發(fā)展為急性和嚴(yán)重結(jié)腸炎，即健康腸道菌群能防止炎癥的發(fā)生，從而參與到腦卒中的發(fā)病過程。

3.腸道菌群對(duì)免疫穩(wěn)態(tài)的影響：急性腦損傷能夠引起腸道菌群的生態(tài)失調(diào)，反過來，腸道微生物群的變化也可以影響腦損傷后的神經(jīng)炎癥和功能。Benakis等[10]研究發(fā)現(xiàn)，抗生素誘導(dǎo)的腸道菌群變化能夠減少小鼠的缺血性腦損傷，并會(huì)影響到宿主的免疫系統(tǒng)，即腸道菌群失調(diào)會(huì)改變小腸的免疫穩(wěn)態(tài)，通過改變樹突狀細(xì)胞活性導(dǎo)致調(diào)節(jié)性 T 細(xì)胞的增加和 IL-17 陽(yáng)性γδ T 細(xì)胞的減少。腸道菌群的異常會(huì)抑制效應(yīng) T 細(xì)胞在腦卒中后從腸道向柔腦膜的轉(zhuǎn)運(yùn)。也有實(shí)驗(yàn)揭示了分段絲狀細(xì)菌(segmented filamentous bacteria, SFB,已顯示可促進(jìn) T 細(xì)胞極化)的存在與Treg和 Th17細(xì)胞比例之間的增殖特異性有關(guān)，并且在無SFB的小鼠中誘導(dǎo) Treg 擴(kuò)增無效，這些變化與腦卒中預(yù)后直接相關(guān)，能夠?qū)е旅黠@的腦梗死[11]。Singh等[12]研究了急性腦卒中、微生物群改變和腦損傷后免疫反應(yīng)之間的機(jī)制發(fā)現(xiàn)，腦卒中病變會(huì)導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)，進(jìn)而通過免疫介導(dǎo)機(jī)制影響腦卒中的預(yù)后。該研究結(jié)果支持了一種新興概念，即腸道微生物群是引發(fā)腦損傷神經(jīng)炎性反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。另有研究表明，擬桿菌門的過度生長(zhǎng)和菌群種類的減少被認(rèn)為是腦卒中后菌群失調(diào)的標(biāo)志。因此筆者可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群例如擬桿菌屬來預(yù)測(cè)或治療腦卒中神經(jīng)炎性反應(yīng)。

4.腸道菌群對(duì)腦卒中其他因素的影響：載脂蛋白E是一種對(duì)脂蛋白代謝很重要的多功能蛋白，可作為腦梗死的生物學(xué)標(biāo)志物[13]。對(duì)健康受試者和腦卒中患者的糞便樣本進(jìn)行測(cè)序發(fā)現(xiàn)腸道微生態(tài)的相對(duì)結(jié)構(gòu)和多樣性存在顯著差異，在綱水平上，患者中的γ-變形菌綱豐度增加，擬桿菌綱豐度降低，這些變化降低了腸道內(nèi)的食物消化效率，從而影響到血清中的載脂蛋白E的代謝功能。

近年來有研究指出,腦卒中后感染可能是由于源自宿主腸道菌群厭氧細(xì)菌的存在，腦卒中會(huì)促進(jìn)腸道屏障的破壞和強(qiáng)烈的微生物群變化，隨后選擇性細(xì)菌菌株從宿主腸道菌群向周圍組織(即肺)的轉(zhuǎn)移會(huì)誘發(fā)腦卒中后感染[14]。

此外，大量的證據(jù)表明腸道菌群的變化會(huì)引起一些常見引發(fā)腦卒中的前體病癥的發(fā)生，例如高血壓是腦卒中的主要危險(xiǎn)因素[15]。而 Mushtaq等[16]對(duì)50例診斷為3級(jí)高血壓的患者和30名健康對(duì)照者收集的糞便樣品分析發(fā)現(xiàn)，在高血壓個(gè)體患者中，擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門為優(yōu)勢(shì)菌群，在屬水平上，普氏菌屬、巨型球菌屬、大腸桿菌-志賀菌屬等在患者中表現(xiàn)出更高的豐度，然而擬桿菌屬、費(fèi)氏桿菌屬等水平卻被降低。腦海綿狀血管瘤也是腦卒中的病因之一，研究表明腸道微生物組和內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)革蘭陰性菌的反應(yīng)在腦海綿狀血管瘤發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮中心作用[17]。

三、腸道菌群外部干預(yù)治療腦卒中

針對(duì)腸道菌群變化影響腦卒中的研究發(fā)現(xiàn)，外部干預(yù)腸道菌群治療此類疾病表現(xiàn)出巨大的潛力，例如益生菌定植[18，19]。益生菌是指一類對(duì)宿主有益，定植于腸道，能夠改善宿主微生態(tài)平衡的活性微生物的總稱。例如，丁酸梭菌能夠部分恢復(fù)腦缺血再灌注(ischemia/reperfusion, I/R)誘導(dǎo)的糞便微生物群多樣性降低、糞便微生物群組成改變，從而達(dá)到改善腦卒中預(yù)后的目的[20]。某些藥物也可通過影響腸道菌群改善缺血性腦卒中。例如，多酚經(jīng)過腸道菌群的加工進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化才能獲得在大腦中有活性的代謝產(chǎn)物，充當(dāng)穿越血-腦脊液屏障的神經(jīng)遞質(zhì)，從而對(duì)腦血管疾病進(jìn)行調(diào)節(jié)。三七皂甙提取物預(yù)處理調(diào)節(jié)腸道菌群對(duì)大鼠局灶性腦缺血/再灌注損傷具有顯著的神經(jīng)保護(hù)作用，并且在無菌大鼠中其效率減弱[21]。葛根和川穹組合可減輕腸道微生物群的生態(tài)失調(diào)和腦-腸道屏障的破壞，是缺血性腦卒中的有效治療方法[22]。綜上所述，未來改變腸道菌群組成可能成為改善和治療腦卒中的新手段[23]。

四、展 望

腸道內(nèi)有許多共生的微生物，其組成和豐度失調(diào)會(huì)影響腸道神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)。近年來，許多研究已經(jīng)證實(shí)腸道菌群失調(diào)與某些中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)，例如腦卒中、阿爾茨海默病、帕金森病、多發(fā)性硬化癥和淀粉樣蛋白外側(cè)硬化癥等。有關(guān)腦卒中與腸道菌群的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群能夠通過影響 TMAO水平、炎癥、免疫穩(wěn)態(tài)參與腦卒中的發(fā)病過程。了解腸道菌群失調(diào)對(duì)于腦卒中的影響，有助于對(duì)腦卒中的發(fā)病機(jī)制有更全面的認(rèn)識(shí)。

以微生物為靶標(biāo)的干預(yù)措施，例如抗生素、益生菌和糞便微生物群移植，已被證明可以很好地影響宿主的健康。外部干預(yù)腸道菌群能夠改變包括腦卒中在內(nèi)的一些難治性疾病的結(jié)局，表明腸道菌群在臨床上極具治療潛力，從恢復(fù)腸道菌群穩(wěn)態(tài)入手治療腦卒中可能是一項(xiàng)重大突破口。

盡管這些發(fā)現(xiàn)令人興奮，但目前研究仍存在以下不足：(1)許多研究表明，不同的細(xì)菌種群與某些臨床癥狀相關(guān)，但大多數(shù)情況下尚不清楚這些差異是否引起疾病。(2)突破性的進(jìn)展不多，多數(shù)研究?jī)H從腸道菌群與疾病的相關(guān)性層面進(jìn)行研究，并未闡明其作用機(jī)制，仍需要開展深入研究來確定腸道微生物群失調(diào)調(diào)節(jié)腦功能的機(jī)制。(3)目前關(guān)于有效調(diào)節(jié)腸道菌群的化學(xué)藥物沒有開展研究。今后應(yīng)進(jìn)一步明確特定的腸道菌群與特定疾病的因果關(guān)系以及其詳細(xì)的機(jī)制，為臨床通過操縱腸道菌群來預(yù)防或治療與其失調(diào)相關(guān)的疾病提供理論支持。