腸道菌群與大腦發(fā)育相關(guān)性研究進(jìn)展

魏玉會(huì)，李瑞仕，馮兆才

1.天津中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院，天津 300381；2 國(guó)家中醫(yī)針灸臨床醫(yī)學(xué)研究中心，天津 300381

既往學(xué)者認(rèn)為，嬰兒出生前的腸道是無(wú)菌的，腸道菌群是在出生后定植的[1]。隨著研究的進(jìn)一步深入，胎兒腸道無(wú)菌論漸趨被打破，研究證實(shí)胎兒在母體子宮內(nèi)就有可能通過(guò)胎盤及羊水進(jìn)行菌群的交流[1-5]，這說(shuō)明腸道菌群在胎兒期就有可能會(huì)影響生長(zhǎng)發(fā)育。早期腸道菌群的定植可促進(jìn)免疫系統(tǒng)與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育[6-8]，影響神經(jīng)回路與髓鞘的形成。腸道菌群在正常狀態(tài)下可與人體保持動(dòng)態(tài)平衡[9]，紊亂時(shí)則可能導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育遲緩與智力發(fā)育落后[10-11]。腦癱是較為常見(jiàn)的非進(jìn)行性腦損傷，大多因感染、窒息、早產(chǎn)等多種因素而導(dǎo)致，主要表現(xiàn)為肌張力增高、運(yùn)動(dòng)障礙，一方面嚴(yán)重影響患兒生活與受教育水平；另一方面康復(fù)周期長(zhǎng)、花費(fèi)高，加重了家庭負(fù)擔(dān)。隨著對(duì)腦-腸軸研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)腸道菌群的定植時(shí)間、來(lái)源與腦癱因胎盤、羊水及感染的發(fā)病原因間存在一定的重合性，腸道菌群可能會(huì)影響大腦發(fā)育的進(jìn)程，并與腦癱的發(fā)病機(jī)制存在潛在關(guān)聯(lián)。

1 腸道菌群對(duì)早期大腦發(fā)育的影響

大腦發(fā)育的主要過(guò)程包括神經(jīng)前體細(xì)胞的增殖、分化，神經(jīng)元遷移和形態(tài)發(fā)生，突觸形成與修剪，軸突髓鞘化，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成與重塑等[12]。任何一個(gè)過(guò)程的異常均可造成不良影響，如椎體細(xì)胞或其軸突組成的錐體束病變可導(dǎo)致腦癱。研究證實(shí)，腸道菌群不僅調(diào)節(jié)大腦的化學(xué)物質(zhì)，影響神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)[13]，還可在突觸形成的敏感時(shí)期即生命早期調(diào)節(jié)紋狀體的突觸素和PSD-95，并推測(cè)這種行為表型與運(yùn)動(dòng)控制等大腦區(qū)域的突觸基因表達(dá)有關(guān)[14]。此外，腸道菌群缺乏會(huì)造成小膠質(zhì)細(xì)胞成熟、分化和功能缺陷[15]，影響突觸的修剪與重塑[16]。突觸的分化缺陷影響突觸傳遞，或造成遠(yuǎn)端肢體控制障礙。DOUGLAS等[17]還發(fā)現(xiàn)，腸道菌群對(duì)大腦發(fā)育和可塑性相關(guān)的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)素、蛋白質(zhì)具有一定的調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而影響認(rèn)知和行為功能。因此，可以推測(cè)腸道菌群的失調(diào)會(huì)造成大腦發(fā)育的必要因素表達(dá)失衡，可能影響大腦發(fā)育的相關(guān)進(jìn)程。

2 不同病理?xiàng)l件下腸道菌群對(duì)大腦發(fā)育的影響

大腦發(fā)育在圍產(chǎn)期與產(chǎn)后早期以髓鞘形成和灰質(zhì)連接為主，特別是感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和視覺(jué)皮質(zhì)，此時(shí)暴露于環(huán)境毒素、藥物濫用、早產(chǎn)等會(huì)破壞髓鞘形成，而髓鞘發(fā)育延遲是腦癱患兒神經(jīng)發(fā)育不良的重要特征之一[18]。此外，腦室周圍白質(zhì)軟化是早產(chǎn)兒較為常見(jiàn)的腦損傷，可由缺血-再灌注導(dǎo)致，也是腦癱的重要特征，主要損傷部位則為灰質(zhì)與白質(zhì)[19]，而微生物-腸腦軸參與的神經(jīng)系統(tǒng)氧化應(yīng)激和組織線粒體功能障礙與新生兒缺氧缺血性損傷密切相關(guān)[20]，影響母體腸道菌群的多種因素還可通過(guò)微生物的代謝物、藥物衍生的化學(xué)代謝物和炎癥變化影響宮內(nèi)胎兒的大腦發(fā)育[21]。

2.1 宮腔內(nèi)感染對(duì)腸道菌群及大腦發(fā)育的影響MARTINEN等[22]發(fā)現(xiàn)受絨毛膜炎影響的嬰兒臍帶血中脂多糖、C反應(yīng)蛋白水平均高于未受炎癥影響者，且絨毛膜羊膜炎與早產(chǎn)有一定相關(guān)性，早產(chǎn)兒臍帶血中二者水平均高于足月兒。樂(lè)濤等[23]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，孕SD大鼠注射脂多糖后，其腸道菌群豐度及多樣性降低，而導(dǎo)致炎癥因子過(guò)量釋放的葡萄球菌科、寡養(yǎng)桿菌屬等豐度顯著增加，普氏菌屬、乳桿菌屬等豐度顯著降低，并且這些大鼠的海馬神經(jīng)元數(shù)目明顯減少、細(xì)胞排列不整齊、大量神經(jīng)元出現(xiàn)變性壞死[23]。因此，宮腔內(nèi)感染不僅是對(duì)胎兒早期腸道菌群定植的種類與數(shù)量有影響，也有可能通過(guò)部分菌屬激活自身免疫系統(tǒng)的同時(shí)，直接或者間接調(diào)節(jié)腸道免疫與炎癥反應(yīng)，啟動(dòng)免疫聯(lián)級(jí)反應(yīng)，造成大腦不良發(fā)育的結(jié)局[24-26]。

2.2 圍產(chǎn)期抗生素的使用對(duì)腸道菌群及大腦發(fā)育的影響圍產(chǎn)期應(yīng)用抗生素可導(dǎo)致的胎兒早期正常腸道菌群定植缺陷與延遲，可能對(duì)以后健康產(chǎn)生影響[27]。楊敏等[28]發(fā)現(xiàn)，二代頭孢在宮腔內(nèi)感染時(shí)的應(yīng)用率較高，且該類藥物可透過(guò)胎盤屏障進(jìn)入胎兒血液循環(huán)，這就意味著在應(yīng)用抗生素降低感染的同時(shí)可能導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)。而β-內(nèi)酰胺類抗生素同樣會(huì)降低晚期胎兒腸道菌群的多樣性，導(dǎo)致有益菌豐度減少，致病菌如埃希氏菌、志賀菌屬、腸桿菌屬豐度增加[29]。

TING等[30]發(fā)現(xiàn)，圍產(chǎn)期抗生素應(yīng)用既可能導(dǎo)致致病微生物群增多，又可能誘發(fā)嬰兒出現(xiàn)腦室周圍白質(zhì)軟化，且抗生素的使用率與死亡或不良神經(jīng)發(fā)育結(jié)果如腦癱等存在關(guān)聯(lián)[19]。DESBONNET等[31]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用抗生素后，腸道菌群豐度的減少不僅誘發(fā)認(rèn)知障礙，改變色氨酸代謝途徑，還顯著降低了大腦中腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、催產(chǎn)素和血管加壓素的分泌。SLYKERMAN等[32]對(duì)經(jīng)抗生素治療年齡<1歲的兒童進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其智力測(cè)驗(yàn)、閱讀評(píng)分均顯著降低。因此無(wú)論是圍產(chǎn)期的宮腔內(nèi)感染，還是抗生素的應(yīng)用，均有可能影響胎兒早期腸道菌群的建立及降低其豐度，或?qū)⒁鸫竽X的異常發(fā)育。目前，對(duì)于宮腔內(nèi)感染、抗生素的合理應(yīng)用、益生菌的應(yīng)用已引起臨床工作者的高度重視。我團(tuán)隊(duì)通過(guò)長(zhǎng)期理論與臨床實(shí)踐研究應(yīng)用中醫(yī)康復(fù)技術(shù)“調(diào)腹通絡(luò)”療法較大程度降低了腦癱患兒的肌張力水平，而對(duì)于宮腔內(nèi)感染等因素而導(dǎo)致的腦癱，是否可以聯(lián)合應(yīng)用益生菌仍需要進(jìn)一步的理論與實(shí)驗(yàn)探索。

2.3 新生兒窒息對(duì)腸道菌群及大腦發(fā)育的影響窒息新生兒的腸道屏障與免疫功能因腸道菌群的失調(diào)及由此產(chǎn)生的毒性代謝物所激活的炎癥反應(yīng)被破壞，延緩了雙歧桿菌、腸球菌的定植，且其菌落數(shù)量與血清 IgA、IgM 水平間呈明顯正相關(guān)[33]。此外，重度缺氧容易引發(fā)新生兒缺氧性腦病[34]，主要損傷大腦及矢狀區(qū)、小腦皮層神經(jīng)元，而早產(chǎn)兒缺氧性腦病則累及生發(fā)層和腦室周圍白質(zhì)，重者累及腦干和延髓，且該病常合并多臟器功能障礙，其中胃腸道功能不全較為常見(jiàn)，其窒息程度與胃腸功能損害呈正相關(guān)，并促發(fā)腸道共生菌移位[35-37]。

2.4 早產(chǎn)對(duì)腸道菌群及大腦發(fā)育的影響隨著醫(yī)療水平的提高，部分極低體質(zhì)量早產(chǎn)兒得以存活，但一定程度上存在著腸道菌群失調(diào)：如定植延遲、多樣性豐度顯著減少的現(xiàn)象[38-39]。有研究表明，腸道菌群是合成維生素K的途徑之一[40]，腸道菌群的失調(diào)有可能導(dǎo)致維生素K合成不足，而維生素K缺乏性出血又可引起嬰兒自發(fā)性顱內(nèi)出血。據(jù)追蹤研究顯示，多數(shù)維生素K缺乏患兒會(huì)遺留神經(jīng)系統(tǒng)后遺癥，尤其腦實(shí)質(zhì)大面積出血的患兒，其智力、語(yǔ)言及運(yùn)動(dòng)功能均落后于同齡兒[41]。

腸道菌群可調(diào)節(jié)有關(guān)大腦發(fā)育的物質(zhì)，據(jù)此推測(cè)早產(chǎn)兒腸道菌群的失調(diào)可能影響大腦的正常發(fā)育程度，而腦發(fā)育的不成熟易導(dǎo)致腦室擴(kuò)大，其中 44%的腦室擴(kuò)大可發(fā)展為腦癱[42]。腦癱是腦室周圍白質(zhì)的彌漫性損傷，與神經(jīng)元、軸突、額葉的損傷相關(guān)[43-44]。嬰幼兒時(shí)期是大腦發(fā)育與腸道菌群定植的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)早產(chǎn)兒進(jìn)行早期康復(fù)干預(yù)是非常有必要的，而對(duì)于腸道菌群的調(diào)節(jié)，如益生菌的辨證應(yīng)用將會(huì)是配合康復(fù)治療的重要理念與方法。

2.5 情志致病與腸道菌群及大腦發(fā)育的關(guān)聯(lián)《活幼心書》言：“夫人得中之道，以為純粹，陰陽(yáng)得所，剛?cè)峒鏉?jì)，氣血相和，百脈和順，所以生人心智益通，精神俱備，臟腑充實(shí)，形體固壯?！庇纱丝傻贸?，胚胎的正常發(fā)育有賴于臟腑精氣與氣血陰陽(yáng)的調(diào)和，而臟腑精氣之外應(yīng)為情志活動(dòng)。正如朱丹溪所言：“兒在母胎，與母同體。”孕母的情志異?？蓪?dǎo)致母體氣機(jī)升降失常，氣血失和，并對(duì)胎兒的臟腑功能造成影響，即《嬰童百問(wèn)·卷五·語(yǔ)遲》所言：“由在胎時(shí)，其母卒有驚怖，內(nèi)動(dòng)于兒臟，邪氣乘于心，故令心氣不足，而不能言也?！盵45]而《增訂幼科類萃·語(yǔ)遲證治篇》對(duì)此也有大致相同的論述即：“言，心聲也，小兒受胎，其母卒有驚邪，邪氣乘心，故兒感受母氣，心不守舍，舌木不通，四五歲大不能言也。菖蒲丸主之?！闭f(shuō)明孕母的情緒波動(dòng)會(huì)對(duì)胎兒的正常生長(zhǎng)發(fā)育造成不良影響。因此，情志也是臨床中不可忽視的致病因素[46]?，F(xiàn)代研究也顯示，孕鼠孕期的壓力與母體陰道、子代腸道菌群組成的破壞相關(guān)，表現(xiàn)為擬桿菌屬的相對(duì)豐度降低，梭菌屬的相對(duì)豐度增加，提高了神經(jīng)發(fā)育疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，其潛在機(jī)制一方面可能在于壓力可引起細(xì)菌及其產(chǎn)物穿過(guò)腸道屏障的移位，啟動(dòng)先天免疫[47-48]；另一方面梭菌是早產(chǎn)兒腸道菌群的一部分[49]，其代謝終產(chǎn)物為丙酸[50]，而體內(nèi)過(guò)多的丙酸沉積會(huì)導(dǎo)致丙酸血癥，引起發(fā)育遲緩與認(rèn)知障礙等。此外，慢性應(yīng)激下小鼠額內(nèi)側(cè)前額葉皮層NG2膠質(zhì)細(xì)胞成熟延遲，致髓鞘形成延遲[51]，并可能影響大腦神經(jīng)信號(hào)的傳導(dǎo)。

情志調(diào)節(jié)屬于大腦的生理范圍，即腦司神明，是精神活動(dòng)的基礎(chǔ)[52]，而心司精神意識(shí)，為五臟六腑之大主。經(jīng)脈循行中，心與小腸互為表里，生理上相互為用，病理上相互影響，小腸的泌別清濁與受盛化物功能的失調(diào)與腸道內(nèi)環(huán)境的紊亂呈正相關(guān)[53-54]。研究證實(shí)[55-56]，心與小腸源于同一胚層，在胚胎發(fā)育中產(chǎn)生的神經(jīng)脊，一部分進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，另一部分變成腸神經(jīng)系統(tǒng)，這二者同出一源，且有著關(guān)聯(lián)，即現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的“腦-腸互動(dòng)理論”，腸道菌群的變化直接或間接地對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成一定的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著腦-腸互動(dòng)理論的深入以及腦-腸軸體系的進(jìn)一步完善，腸道菌群這一“第二大腦”愈發(fā)得到學(xué)者的重視?，F(xiàn)已證實(shí)，腸道菌群在多種中樞神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病中起重要作用，且益生菌對(duì)于該類疾病的治療具有重要作用。盡管到目前為止，并無(wú)確切研究表明腸道菌群變化與腦癱的發(fā)生有直接關(guān)系，但經(jīng)證實(shí)腸道微生物與髓鞘的形成密切相關(guān)，而通過(guò)對(duì)?？崎T診就診的腦癱兒童的頭顱 MR 的長(zhǎng)期觀察研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)患兒存在髓鞘發(fā)育不良的現(xiàn)象。此外，就目前一項(xiàng)對(duì)腦癱患兒的腸道菌群的高通量測(cè)序研究來(lái)看，腦癱患兒體內(nèi)的腸道菌群中有益菌豐度小于正常兒童，存在致病菌增多的現(xiàn)象[57]。說(shuō)明腸道微生物在一定時(shí)間內(nèi)參與了腦癱的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程。由于腦癱患兒多在出生后因發(fā)育遲緩、肌張力增高而被逐漸被發(fā)現(xiàn)，但其胎盤和羊水并未被保存，且糞便標(biāo)本的收集與研究受到多種難以控制的因素干擾，就目前為止，該方面鮮有研究報(bào)道。

目前，關(guān)于腦癱的發(fā)病機(jī)制探討尚不充分，未來(lái)仍需要在腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致機(jī)體免疫功能紊亂方面尋找可能導(dǎo)致腦性癱瘓的致病菌與影響機(jī)制，并從合理應(yīng)用益生菌、臟腑推拿等層面調(diào)節(jié)腸道菌群豐度，在大腦發(fā)育的黃金時(shí)期，堅(jiān)持早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療的原則，促進(jìn)大腦的突觸與髓鞘發(fā)育，進(jìn)而提高腦癱患兒肢體康復(fù)的效果，降低肌張力水平，提高生活自理能力。