腸道屏障功能在創(chuàng)傷性腦損傷中的研究進(jìn)展

羅文輝，何興祥

廣東藥科大學(xué)附屬第一醫(yī)院消化內(nèi)科，廣東 廣州 510080

創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury，TBI)是致殘和導(dǎo)致死亡的主要原因，在精神、情感、認(rèn)知方面給患者及其家屬帶來重大負(fù)擔(dān)，使家庭和社會(huì)承受巨大壓力。迄今為止，TBI的預(yù)防、診治、康復(fù)一直是全世界神經(jīng)外科領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。最近的研究發(fā)現(xiàn)，TBI并非孤立性事件，它與眾多非神經(jīng)性損傷密切相關(guān)，如全身炎癥和累及心血管、呼吸、胃腸系統(tǒng)的器官功能障礙[1-3]。由腸-腦軸介導(dǎo)的在外周與中樞之間傳遞的雙向調(diào)節(jié)機(jī)制，是聯(lián)系中樞系統(tǒng)與腸道屏障功能的重要途徑。腸道屏障功能障礙可引起內(nèi)毒素血癥，進(jìn)而影響小膠質(zhì)細(xì)胞的激活與極化，介導(dǎo)TBI中的神經(jīng)炎癥。TBI患者存在不同程度的腸道屏障功能障礙，通過改善其腸道屏障功能，可提高患者的腸道防御能力和機(jī)體免疫力，從而改善TBI的預(yù)后。本文從腸-腦軸的角度出發(fā)，對(duì)腸道屏障功能與TBI的相互作用作一概述，并介紹腸道屏障功能的檢測(cè)方法及TBI的潛在治療靶點(diǎn)，以期為TBI臨床治療提供參考。

1 TBI的概念和分子機(jī)制

TBI是指由加/減速力作用于頭部引起的腦組織器質(zhì)性損傷及腦功能障礙，以頭部原發(fā)穿透性或非穿透性損傷為特征。TBI是世界范圍內(nèi)的嚴(yán)重醫(yī)學(xué)問題，越來越多的證據(jù)表明，TBI并非靜態(tài)損傷事件，而是一種疾病過程[4-5]。Simon等[6]在綜述中全面解釋了TBI的相關(guān)分子機(jī)制，包括損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns, DAMP)的釋放、谷氨酸興奮性毒性、線粒體功能障礙、適應(yīng)性免疫應(yīng)答、反應(yīng)性神經(jīng)炎癥等。

小膠質(zhì)細(xì)胞被視為是中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的巨噬細(xì)胞，由小膠質(zhì)細(xì)胞激活與極化介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥，在TBI中起到重要作用。在受損的大腦內(nèi)，小膠質(zhì)細(xì)胞可產(chǎn)生神經(jīng)保護(hù)因子，清除細(xì)胞碎片和協(xié)調(diào)神經(jīng)修復(fù)過程。研究發(fā)現(xiàn)，在TBI發(fā)生3 d內(nèi)，再生小膠質(zhì)細(xì)胞通過IL-6可以發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，改善腦損傷引起的認(rèn)知障礙[7]。然而，當(dāng)小膠質(zhì)細(xì)胞功能失調(diào)時(shí)，產(chǎn)生的促炎因子和毒性介質(zhì)會(huì)阻礙中樞神經(jīng)系統(tǒng)的修復(fù)，并導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙和相關(guān)細(xì)胞死亡。因此，對(duì)TBI是否有益取決于小膠質(zhì)細(xì)胞激活后的極化狀態(tài)和功能反應(yīng)。

2 TBI與腸道屏障功能的相互作用

TBI患者神經(jīng)創(chuàng)傷后可導(dǎo)致大腦局部炎癥，以小膠質(zhì)細(xì)胞為主的免疫系統(tǒng)，會(huì)對(duì)原發(fā)性損傷做出適當(dāng)?shù)拿庖叻磻?yīng)[8]。當(dāng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)免疫反應(yīng)失調(diào)造成大腦中的免疫細(xì)胞過度活躍時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)的神經(jīng)炎癥狀態(tài)，從而增加神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)精神疾病的風(fēng)險(xiǎn)[9]。TBI已被證實(shí)與癲癇、阿爾茲海默病、帕金森病等疾病的發(fā)生密切相關(guān)[10-13]。

TBI患者處于應(yīng)激狀態(tài)，由于缺血和(或)缺氧、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)等原因，引起腸道屏障功能障礙(即通透性增加)[14]，內(nèi)源性內(nèi)毒素等致病物質(zhì)會(huì)通過有缺陷的腸道緊密連接處滲透到人體循環(huán)系統(tǒng)中，激活免疫反應(yīng)[15]，并對(duì)先前誘發(fā)的小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生影響，加劇神經(jīng)炎癥[16]。Sandiego等[17]通過研究發(fā)現(xiàn)，在健康成年人中，實(shí)驗(yàn)性內(nèi)毒素血癥可有效激活小膠質(zhì)細(xì)胞，從而誘發(fā)神經(jīng)炎癥。Katzenberger等[18]通過果蠅研究模型發(fā)現(xiàn)，TBI可導(dǎo)致腸道屏障和血腦屏障功能障礙，而腸道屏障功能障礙與死亡的概率高度相關(guān)。TBI的復(fù)雜性部分源于大腦受傷會(huì)導(dǎo)致腸道等其他器官受到非神經(jīng)性損傷，維持正常的腸道屏障功能對(duì)于TBI至關(guān)重要。

3 關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)——腸-腦軸

腸-腦軸是聯(lián)系消化道和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的通路，具有雙向調(diào)節(jié)作用。腸道菌群能夠通過生物合成及代謝宿主底物(如膽汁酸和類固醇激素)和膳食分子(如氨基酸、多糖、多酚)，通過激活迷走神經(jīng)、刺激腸內(nèi)分泌細(xì)胞、免疫介導(dǎo)的信號(hào)運(yùn)輸至大腦等途徑，對(duì)腦細(xì)胞產(chǎn)生特異性的影響[19]，從而影響大腦和行為。例如精神狀態(tài)可以影響腸道菌群，而腸道菌群也能對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)起到調(diào)節(jié)作用[20]。研究發(fā)現(xiàn)，共生微生物可以影響免疫系統(tǒng)的活動(dòng)，以及整個(gè)生命周期的大腦和行為過程，并參與對(duì)社會(huì)壓力的行為和免疫反應(yīng)，飲食對(duì)大腦行為、免疫力的影響通常涉及腸道菌群的改變，而腸道菌群的改變與情緒障礙、精神分裂癥、創(chuàng)傷性腦損傷、中風(fēng)有關(guān)[21]。Sundman等[22]總結(jié)了中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能受到以下因素的調(diào)節(jié)：(1)神經(jīng)遞質(zhì)、腸道中產(chǎn)生的神經(jīng)肽、免疫信號(hào)、激素；(2)腸道微生物群的結(jié)構(gòu)；(3)腸壁屏障的完整性。

腸-腦軸主要包括3條互作途徑：化學(xué)信號(hào)、神經(jīng)途徑、免疫系統(tǒng)，其中小膠質(zhì)細(xì)胞和系統(tǒng)性細(xì)胞因子有關(guān)鍵介導(dǎo)作用[23]。TBI后腸道結(jié)構(gòu)和功能的改變引起腸道通透性增加和腸道屏障功能障礙[24]，導(dǎo)致內(nèi)毒素血癥，引起CD40表達(dá)，TNF-α、IL-6、NF-κB、其他炎性細(xì)胞因子的水平升高，會(huì)觸發(fā)或加劇包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)在內(nèi)的惡性炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)[25-27]。

4 腸道屏障功能的檢測(cè)

腸上皮由單層上皮細(xì)胞構(gòu)成，這些細(xì)胞之間由緊密連接相連，從而將腸腔與腸道固有層分開。緊密連接可以調(diào)節(jié)腸道屏障的通透性。在臨床上，TBI患者存在不同程度的腸道屏障功能障礙。監(jiān)測(cè)TBI患者的腸道屏障功能，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱藏的腸道屏障功能障礙，從而作為判斷患者的預(yù)后及恢復(fù)的指標(biāo)。目前檢測(cè)腸道屏障功能的手段主要有血漿內(nèi)毒素測(cè)定法、血漿D-乳酸測(cè)定法、血漿二胺氧化酶測(cè)定法、血培養(yǎng)、腸道黏膜組織觀察法、腸道黏膜pH分析法、糖分子探針檢測(cè)法、腸道細(xì)菌位移檢測(cè)法等方法。

內(nèi)毒素主要由革蘭氏陰性菌死亡裂解產(chǎn)生，是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁中的脂多糖。在正常情況下，生理功能完整的腸道黏膜對(duì)細(xì)菌和內(nèi)毒素有屏障作用。當(dāng)腸道屏障功能受損導(dǎo)致腸道黏膜通透性增加時(shí)，內(nèi)毒素就會(huì)通過腸黏膜進(jìn)入機(jī)體循環(huán)系統(tǒng)，形成內(nèi)毒素血癥。Hang等[28]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TBI可引起腸道屏障功能受損，在TBI后3、12、24 h血清內(nèi)毒素水平顯著升高。由于內(nèi)毒素血癥與TBI的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)外周血中內(nèi)毒素水平，可以了解患者腸道屏障功能，從而指導(dǎo)TBI患者的治療。

5 TBI的潛在治療靶點(diǎn)—干預(yù)腸道菌群

Erny等[29]研究發(fā)現(xiàn)，定植于宿主腸道中的微生物群可以調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞的成熟和功能，而小膠質(zhì)細(xì)胞的失調(diào)可以通過復(fù)雜的微生物群得到一定程度的糾正。腸道內(nèi)細(xì)菌可通過多種細(xì)胞內(nèi)途徑，靶向作用于緊密連接蛋白，通過改變其表達(dá)和分布來調(diào)節(jié)腸道屏障功能[30]。TBI會(huì)引起腸道菌群結(jié)構(gòu)改變，改變后的腸道菌群也會(huì)影響TBI的康復(fù)[31]。

多個(gè)針對(duì)不同疾病的安慰劑對(duì)照雙盲隨機(jī)試驗(yàn)表明，益生菌具有降低促炎細(xì)胞因子和血清內(nèi)毒素水平，同時(shí)增加抗炎細(xì)胞因子水平的功能[32-36]。多項(xiàng)臨床研究也表明，益生菌可以增強(qiáng)腸道屏障功能，減輕神經(jīng)外傷引起的內(nèi)毒素血癥，并抑制免疫系統(tǒng)失調(diào)[34，37-38]。通過腦損傷小鼠模型發(fā)現(xiàn)，TBI的嚴(yán)重程度與擬桿菌、卟啉單胞菌科、硬毛菌、變形桿菌的變化有關(guān)[31]。來自動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖C據(jù)表明，神經(jīng)創(chuàng)傷后補(bǔ)充益生菌會(huì)顯著降低腸道通透性[39]，對(duì)內(nèi)毒素誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥具有保護(hù)作用[40-41]，全身性炎癥，疾病行為，小膠質(zhì)細(xì)胞過度活化均會(huì)受到抑制[42]。

6 總結(jié)

小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥在TBI中起重要作用。到目前為止，TBI的治療藥物有限。通過改變TBI患者腸道菌群結(jié)構(gòu)，可以改善其腸道屏障功能，有效阻止腸道內(nèi)細(xì)菌及內(nèi)毒素移位，從而減輕由小膠質(zhì)細(xì)胞極化介導(dǎo)的神經(jīng)創(chuàng)傷后持續(xù)存在的繼發(fā)性損傷。人類微生物組的可塑性使其成為潛在的治療靶點(diǎn)，通過改變腸道菌群組成，改善TBI患者腸道屏障功能，可以作為干預(yù)TBI的重要手段。然而，如何找到與TBI發(fā)生、發(fā)展相關(guān)的細(xì)菌，并做到精準(zhǔn)地干預(yù)腸道菌群的組成，仍有待進(jìn)一步研究。